Постараемся теперь понять, почему узких трубках вода не устанавливается на уровне, который она имела бы в (широком сосуде, а поднимается выше. Я поместил здесь, перед фонарем, сосуд с водой, окрашенной в синий цвет, чтобы вы лучше могли видеть все, что с нею происходит. Затем я опускаю в воду довольно узкую стеклянную трубку, и вода немедленно устремляется вверх, поднимаясь приблизительно на сантиметр над общим уровнем. Трубка внутри мокрая. Поэтому упругая перепонка поверхности воды прилипает к трубке и приподнимает воду, пока вес воды, поднятой над общим уровнем, не уравновесит силу этой перепонки[1]. Когда я беру трубку, с просветом приблизительно вдвое большим, чем у предыдущей, то поднимающая воду сила, которая действует по всей окружности трубки, должна поднять вдвое большее количество воды, однако, вода не поднимается на высоту вдвое большую, потому что в широкой трубке и воды больше, чем в узкой. Вода даже не достигает той высоты, на какой она стояла в более узкой трубке, потому что если бы это произошло, то вес поднятой воды был бы больше, чем прежде, в четыре раза, как легко понять на основании простых геометрических правил, а не в два только раза, как вы, может быть, сначала подумали. Действительно, в широкой трубке вода поднимается только на половинную высоту, и теперь, когда обе трубки помещены рядом, вы можете видеть, что в узкой трубке вода стоит в два раза выше, чем в широкой трубке. Равным образом, если бы я взял трубку толщиной в волос, то вода в ней стояла бы соответственно выше. Вот почему это явление называется капиллярностью, от латинского слова capillus — волос, так как оно особенно заметно в очень тонких трубках волосного диаметра.
Предположим теперь, что у вас имеется большое число трубок разного размера и вы разместили их в ряд по диаметру, начиная с самой узенькой; тогда, очевидно, вода будет стоять выше всего в самой узкой трубке и все ниже и ниже в каждой из следующих трубок по мере увеличения их диаметра (рис. 7).
Рис. 7.
Наконец, когда мы дойдем до самой широкой трубки, мы не в состоянии будем заметить в ней какое-нибудь повышение уровня воды. Тот же самый результат вы можете легко получить, если просто возьмете две четырехугольные стеклянные пластинки и поставите их друг к другу ребром, поместив между ними спичку или другую тоненькую палочку так, чтобы они расходились на небольшое расстояние у одного края и сходились до соприкосновения на другом. Скрепить пластинки можно с помощью надетого на них резинового кольца. К этому прибору подводится подкрашенная вода, и вы сразу видите, что вода вползает к верхнему краю пластинок на том конце, где они касаются друг друга своими ребрами, и по мере увеличения расстояния между пластинками уровень воды постепенно понижается; в результате поверхность жидкости в месте соприкосновения со стеклом образует красивую правильную кривую линию, которую математики называют равносторонней гиперболой (рис. 8).
Рис. 8.
Мне следовало бы сейчас сообщить некоторые сведения относительно этой и некоторых других кривых, однако, я теперь могу только установить, что гипербола здесь возникает потому, что, в то время как расстояние между пластинками увеличивается, высота слоя жидкости становится меньше, иначе говоря, причина образования гиперболы связана с таким явлением; вес столбика жидкости, поддерживаемого какой-либо частью кривой, повсюду остается одинаковым.
Если бы пластинки и трубки были сделаны из материала, не смачиваемого водой, тогда действие поверхностного натяжения привело бы к прямо противоположным результатам. Поверхность жидкости в узком месте оказалась бы опущенной и притом тем больше, чем уже промежуток между пластинками. Это явление затруднительно наблюдать, пользуясь парафиновыми пластинками или трубками и водой; поэтому мы возьмем другую жидкость — такую, которая не смачивает чистого стекла, — ртуть. Ртуть непрозрачна, и мы не увидим понижения уровня жидкостей в узкой трубке по сравнению с уровнем ее в широком сосуде. Чтобы наблюдать это явление, мы возьмем две соединенные друг с другом трубки, широкую и узкую.
Нальем теперь в них ртуть, и мы увидим, что в узкой трубке уровень ртути ниже (рис. 9, справа), чем в широкой, тогда как в таком же приборе с водой дело обстоит как раз наоборот (рис. 9, слева).
Рис. 9.
Упругое натяжение пленки, или так называемое поверхностное натяжение, очень невелико по сравнению с большими силами, но оно становится заметным, когда мы имеем дело с маленькими и легкими предметами. Те из вас, кому приходилось жить в деревне и проводить время на берегу ручья, не раз, конечно, наблюдали, как водомерки и другие маленькие существа бегают по поверхности воды, не погружаясь в нее.
По какой-то причине лапки их не смачиваются водой, отчего под каждой из лапок образуется маленькая ямка. Дно этой ямки, подтягиваемое стенками кверху, поддерживает тяжесть водомерки. Отсюда можно заключить, что вес насекомого в точности равен весу воды, которая потребовалась бы, чтобы заполнить ямки до общего уровня. Одному ученому удалось чрезвычайно остроумным способом измерить силу, с какой водомерка давит на воду каждой из своих лапок. Он сфотографировал тень от насекомого и от ямок под его лапками на белом фарфоровом блюде с водой. Затем он прикреплял лапку водомерки к чашке очень чувствительных весов, этой лапкой производил давление на воду с различной силой и снова фотографировал тень от ямки для каждой степени давления. Таким путем он составил целую таблицу и, пользуясь ею, мог определить величину давления одной лапки водомерки, сравнивая величину тени от ямок с размерами теней, показанными на таблице. Он мог даже проследить, в каком порядке водомерка переставляет свои лапки.
Другой ученый описал одного паука[2], который сплетает под водой особую сетку — паутину. Эта паутина не пропускает сквозь себя воздух так же, как не пропускает воду сито, которое не смачивается водой. Паук отправляется на поверхность воды за воздухом, уносит его вниз в виде пузырька и освобождает под паутиной. Таким образом здесь мало-помалу образуется целый резервуар воздуха, которым и дышит паук.
Подобно водяным паукам и насекомым, бегающим по воде, свойствами упругой водяной перепонки пользуются и некоторые живущие в воде личинки. Обыкновенный комар кладет свои яйца в стоячую воду и, по-видимому, особенно любит кадки с водой и бассейны в садах и теплицах. Из этих яиц в свое время появляются личинки, соответствующие шелковичным червячкам, личинкам мошек или гусеницам бабочек. В теплую погоду вы можете видеть тысячи таких личинок в обыкновенных кадках с дождевой водой. Тут вы заметите маленькие темные существа, которые плавают забавными скачками и скрываются на дно, если вы внезапно приблизитесь к воде и вспугнете их. Однако, если вы будете держаться спокойно, не пройдет много времени, как они снова выплывут на поверхность и, прикрепившись к ней, будут оставаться в висячем положении. Очень легко показать такие живые личинки на экране. Перед фонарем вместо прозрачной картинки я поместил плоский сосуд с водой, в котором плавает некоторое количество личинок. Вы видите, как они выплывают к поверхности и привешиваются к ней с помощью придатка вроде хвоста (рис. 10).
Рис. 10.
Это дыхательная трубочка. Таким образом, хотя они тяжелее воды и должны были бы тонуть, дыхательные трубочки помогают им висеть у поверхности, дышать и питаться опавшими и гниющими листьями. Личинка, изображенная на рисунке слева оторвалась от поверхности и медленно падала на дно как раз в тот момент, когда производился фотографический снимок.
Если вы станете рассматривать поверхность воды например, в стакане, куда вы пустили несколько таких личинок, та вы заметите в том месте, где висит личинка, маленькое углубление поверхности, вроде ямки. Вес воды, которая могла бы заполнить эту ямку, в точности равен той силе, с какой личинка тянет вниз. С помощью лупы можно рассмотреть это явление и вместе с тем убедиться, что за удивительное существо личинка комара.
Очень интересно остановиться на том, как появляется на свет муха Simuillia. Куколка этой мухи чаще всего прикрепляется к подводным растениям в гнездышке, похожем на гнезда некоторых ласточек. Когда же ей приходит время выйти из оболочки, она скопляет воздух, выделяемый ею из воды, в своей трахее и раздувает оболочку, которую должна будет вскоре оставить. Оболочка лопается, и муха всплывает на поверхность, заключенная в маленький воздушный пузырек. Этот пузырек через некоторое время тоже лопается, и муха в первый раз расправляет свои лапки. С их помощью она бежит по поверхности воды до какого-нибудь твердого предмета и прицепляется к нему до тех пор, пока не разовьются ее крылышки.