Давление сжатого воздуха достигает иногда такой силы, что ею останавливают мчащийся поезд. Делается это помощью так называемых «воздушных тормозов». Устройство подобного тормоза показано на прилагаемых рисунках. На паровозе (см. рис. 69) помещается главный резервуар, наполняемый сжатым воздухом от насоса (компрессора). От главного резервуара отходит трубопровод, подводящий сжатый воздух к вспомогательным резервуарам под каждым вагоном. Когда трубопровод наполнен сжатым воздухом, колодки не прижимаются к бандажам колес: особый клапан V (см. рис. 70) мешает воздуху резервуара поступать в тормозной цилиндр, и пружина S оттягивает колодку от колеса. Чтобы привести тормоз в действие, машинист выпускает из трубопровода часть воздуха и тем уменьшает в нем давление. Тогда клапан автоматически открывается, воздух из резервуара (под вагонами) поступает в тормозной цилиндр, и напор его, противодействуя пружине, прижимает тормозную колодку к бандажу: вращение колес замедляется. То же, в случае необходимости, может сделать и пассажир в вагоне поезда, так как трубопровод имеет еще один клапан, открываемый поворотом рукоятки у стенки вагона. Наконец выпуск воздуха, а следовательно и торможение поезда, происходит сам собою в том случае, если мчащийся поезд разрывается по какой-либо причине: тормоз автоматически приходит в действие, и части разорвавшегося поезда останавливаются.
Рис. 69. Устройство воздушного тормоза для остановки поездов. Внизу показано, как действует тормоз в случае разрыва поезда. На обоих рисунках зачернены части, заполненные сжатым воздухом
Рис. 70. Подробности устройства воздушного тормоза. Когда тормоз не работает, клапан Y закрыт, и сжатый воздух из баллона R не идет в цилиндр С; пружина S оттягивает стержень, соединенный с тормозной колодкой
Парашют
Из листа папиросной бумаги приготовьте круг поперечником в несколько ладоней. Посередине вырежьте кружок шириною в несколько пальцев. К краям большого круга привяжите нитки, продев их через дырочки; концы ниток, – они должны быть одинаковой длины, – привяжите к легкому грузику. Вот и все устройство парашюта.
Чтобы испытать ваш миниатюрный парашют, уроните его из окна верхнего этажа грузиком вниз. Груз натянет нитки, бумажный круг расправится, парашют плавно полетит вниз и мягко достигнет земли. Это – в безветренную погоду. А при ветре, даже слабом, парашютик будет подхвачен вверх, унесется прочь от дома и спустится где-нибудь далеко.
Чем больше «зонт» парашюта, тем больший груз вы сможете подвесить к нему (груз необходим, чтобы парашют не был перевернут), тем медленнее он станет падать в безветренную погоду и тем дольше будет он путешествовать по ветру.
Но почему парашют держится так долго? Вы догадываетесь, что парашюту мешает падать воздух; не будь бумажного листа, груз упал бы на землю, как гиря. Папиросная бумага увеличивает поверхность падающей вещи, почти ничего не прибавляя к ее весу; а чем больше поверхность предмета, тем заметнее сопротивляется воздух его движению.
Парашют ваш, конечно, не более, как игрушка. Но парашют больших размеров – очень полезное приспособление, спасшее жизнь многим летчикам. На самолете обычно имеется в сложенном виде большой парашют, и если в машине случится авария или неисправность, грозящая ей гибелью, летчик привязывает себя к парашюту и бросается с ним вниз. Во время падения парашют сам раскрывается (для этого имеется особое устройство), и летчик достигает земли невредимым. Конечно, и здесь не обходится иной раз без несчастья: случается, что парашют почему-либо не раскрывается, – тогда летчик камнем падает на землю и расшибается, но подобные несчастные случайности очень редки.
Рис. 71. Как летчик сбрасывается с парашютом (три последовательных момента)
Наши советские летчики достигли величайшего искусства в пользовании парашютами. В 1932 г. летчик Забелин совершил на парашюте прыжок с высоты 6 200 м (выше Монблана). В том же году летчик Афанасьев совершил другой рекордный прыжок: спрыгнув с высоты 2 тыс. м, он раскрыл парашют только на высоте 400 м, пролетев, значит, больше полутора километров без парашюта; это необычайное падение длилось 33 секунды.
Осенью 1933 г. летчик Евсеев поставил мировой рекорд так называемого «затяжного» прыжка с самолета. Он выбросился с высоты 7 200 метров, летел больше двух минут, не раскрывая своего парашюта; пролетев таким образом свыше 7 километров, отважный летчик раскрыл парашют только на высоте 150 метров над землей.
16 июля 1934 г. летчик Евдокимов установил новый мировой рекорд затяжного прыжка с парашютом. Евдокимов поднялся на самолете на высоту 8 100 метров и бросился вниз. Не раскрывая парашюта, он стремительно падал вниз 142 секунды и пролетел 7 900 метров. Парашют был раскрыт лишь на высоте 200 метров от земли.
Что же испытывает летчик во время падения с заоблачных высот? Вот что рассказывает сам Евдокимов о своем прыжке:
«По сигналу «приготовиться к прыжку» я пробираюсь к отверстию в дне самолета и свешиваю ноги над бездной.
«По третьему сигналу я одновременно засекаю секундомер и прыгаю вниз ногами. Затем я переворачиваюсь вниз головой и так падаю.
«Очень трудно ориентироваться. От непроизвольного движения ноги или руки, создающего добавочное сопротивление, меня начинает крутить штопором. Я отставляю левую руку в сторону и этим прекращаю вращение. На высоте 5 500 метров встречаю верхний ярус облаков. Земли еще не видно. Я попал в солнечный район. Ниже плывут серые облака. Никакой ориентировки нет.
«Я лечу во втором облачном слое. Для облегчения напряжения снимаю маску и очки, которые в облаках очень вспотели.
«Осталось 700 метров до земли. Я вижу первые ее очертания. Тотчас же хватаюсь за кольцо – не для того, чтобы его выдернуть. Чувствую себя, как будто прыгнул с высоты 1000 метров. Однако нужно не прозевать – дернуть кольцо вовремя. Я смотрю на секундомер; земля приближается. У меня запечатлевается изгиб реки и поля овса. Когда стрелка заползла за 140 секунд, я выдергиваю кольцо. Рывок был настолько сильный, что секундомер, привязанный к руке шелковым шнурком, был оборван. Я сразу почувствовал снижение и, слегка подобрав ноги, принимаю еще один толчок от удара о землю…»
Пылинки в воздухе
Если выхорошо поняли, почему парашют, который, конечно, тяжелее воздуха, все же парит в нем, вам станет понятно, почему носится в воздухе пыль. Скажут, пожалуй, что здесь ничего нет удивительного: пыль легче воздуха, оттого и плавает в нем. Кто так думает, тот глубоко ошибается: пыль вовсе не легче воздуха, а тяжелее его в сотни и тысячи раз! Многие думают, что всякая пыль одинакова; это оттого, что пылинки очень мелки и не различаются простым глазом. Совершенно иное покажет вам микроскоп, увеличивающий раз в 200: вы увидите, что пылинки бывают весьма различны не только по форме, но по тому веществу, из которого они состоят.
Что такое пылинки? Мелкие частицы угля, дерева, волокна шерсти, цветочная пыль, обломки посуды, стружки металла, зола и т. п. Все эти материалы в сотни и тысячи раз тяжелее воздуха: железо – в 6 тыс. раз, дерево – в 300 раз и т. п.
Значит, пылинки нисколько не легче воздуха; напротив, они во много раз тяжелее его и никак не могли бы плавать в нем, подобно щепкам в воде.
Поэтому всякая пылинка твердого или жидкого тела непременно должна падать в воздухе, должна в нем «тонуть». Она и падает, но только падение ее происходит примерно так, как падает парашют. Дело в том, что у очень маленьких крупинок поверхность уменьшена не так сильно, как уменьшен их вес. Если сравните дробинку с круглой пулей, которая в 1 000 раз тяжелее ее, то поверхность дробинки окажется меньше поверхности пули всего только в 100 раз. Это значит, что у дробинки поверхность, приходящаяся на единицу веса, вдесятеро больше, чем у пули. Вообразите, что дробинка продолжает уменьшаться, пока не станет в миллион раз легче пули, т. е. превратится в свинцовую пылинку. У этой пылинки поверхность, приходящаяся на единицу веса, в 1 000 раз больше, чем у пули. Воздух мешает ее движению в 1 000 раз сильнее, чем движению нули. И оттого пылинка парит в воздухе, т. е. едва падает, а при малейшем ветре уносится даже вверх. Установлено, что мелкие пылинки могут парить в наших комнатах целые сутки, даже несколько суток, прежде чем осядут на пол.
Бумажный бумеранг
На сопротивлении воздуха основаны загадочные движения брошенного бумеранга – любопытного орудия первобытных австралийцев, описывающего в воздухе самые затейливые кривые. Вы можете изготовить маленькое подобие бумеранга, вырезав его из тонкого картона, например из почтовой карточки, в форме фигуры, изображенной на рисунке. Чтобы свой бумажный бумеранг заставить полететь, положите его на край книги и затем резко ударьте карандашом по выступающему концу. Бумеранг умчится, опишет плавную кривую, и если только ни на что не наткнется, то возвратится к вашим ногам. Поупражнявшись некоторое время, вы можете достичь большой ловкости в искусстве метания этой бумажной полоски (рис. 72).
Рис. 72
Воздушное сопротивление
Первоклассный бегун, состязающийся на скорость, вовсе не стремится в начале бега быть впереди соперников. Напротив, он старается держаться позади них; только приблизившись к финишу, он проскальзывает мимо других бегунов и приходит к конечному пункту первым. Для чего избирает он такой маневр? Почему ему выгоднее бежать позади других?
Причина та, что при быстром беге приходится затрачивать немало работы для преодоления сопротивления воздуха. Обыкновенно мы не думаем о том, что воздух может служить помехой нашему движению: расхаживая по комнате или прогуливаясь по улице, мы не замечаем, чтобы воздух стеснял наши движения. Но это только потому, что скорость нашей ходьбы невелика. При быстром движении воздух уже заметно мешает нам двигаться. Кто ездит на велосипеде, тот хорошо знает, что воздух мешает быстрой езде. Недаром гонщик пригибается к рулю своей машины: он этим уменьшает величину той поверхности, на которую напирает воздух. Вычислено, что при скорости 10 км в час велосипедист тратит седьмую часть своих усилий на то, чтобы бороться с воздухом; при скорости 20 км на борьбу с воздухом уходит уже четвертая доля усилий ездока. При еще большей скорости приходится расходовать на преодоление воздушного сопротивления третью долю работы и т. д.
Теперь вам станет понятно загадочное поведение искусного бегуна. Помещаясь позади других, менее опытных бегунов, он освобождает себя от работы по преодолению воздушного сопротивления, так как эту работу выполняет за него бегущий впереди. Он сберегает свои силы, пока не приблизится к цели настолько, что станет наконец выгодно обогнать соперников.
Маленький опыт разъяснит вам сказанное. Вырежьте из бумаги кружок величиной с пятикопеечную монету. Уроните монету и кружок порознь с одинаковой высоты. Вы уже знаете, что в пустоте все тела должны падать одинаково быстро. В нашем случае правило не оправдается: бумажный кружок упадет на пол заметно позднее монеты. Причина та, что монета лучше одолевает сопротивление воздуха, чем бумажка. Повторите опыт на иной лад: положите бумажный кружок поверх монеты и тогда уроните их. Вы увидите, что и кружок и монета достигнут пола в одно время. Почему? Потому что на этот раз бумажному кружку не приходится бороться с воздухом: эту работу выполняет за него монета, движущаяся впереди. Точно так же и бегуну, движущемуся позади другого, легче бежать: он освобожден от борьбы с воздухом.