Я начну с явления, которое вы все, вероятно, видели десятки раз, не подозревая, что имеете дело с настоящим физическим опытом. Вот у меня обыкновенная кисточка, какую употребляют для рисования красками. Как сделать, чтобы волоски кисточки слиплись и образовали заостренный кончик? Вы скажете, надо кисточку смочить, и тогда ее волоски слипнутся, потому что будут мокрыми. Хорошо. Попробуем произвести опыт. Так как кисточка мала и плохо видна сидящим далеко, я помещаю ее перед фонарем, и теперь вы все видите ее в увеличенном виде на экране (рис. 1, слева). Сейчас она суха, и волоски ее видны в отдельности. Теперь я погружаю кисточку в воду, вынимаю ее, и, как мы ожидали, волоски слипаются (рис. 1, справа), потому что, как мы обыкновенно говорим, кисточка мокрая. Теперь я опускаю кисточку в воду и оставляю ее там; и что же — волоски совсем не слипаются (рис. 1, посредине), а ведь они, несомненно, мокрые, раз они находятся в воде.
Рис. 1.
Очевидно, что наше обычное объяснение этого явления не вполне точно. Этот опыт, не требующий для своего выполнения ничего, кроме кисточки и стакана воды, показывает, что волоски кисточки слипаются не только потому, что они мокрые, но еще по какой-то другой причине, которая нам еще не известна. Он показывает также, что довольно распространенное мнение, будто мы не в состоянии открыть глаза под водою, не основывается: на фактах. Часто утверждают, что, когда мы ныряем в воду с закрытыми глазами, мы не можем как следует видеть, открывая глаза под водою, потому что вода будто бы склеивает ресницы; а потому, чтобы видеть под водой, рекомендуется нырять с открытыми глазами. В действительности же ничего подобного нет; совершенно безразлично, будете ли вы нырять с открытыми или закрытыми глазами, вы можете открыть их под водою и будете видеть так же хорошо, как и в первом случае. На примере нашей кисточки мы убедились, что вода сама по себе не вызывает слипания волосков, пока кисточка находится в воде, но, как только мы вынем ее из воды, волоски слипаются. Итак, хотя этот опыт и не объяснил нам причины слипания волосков, он нам показал по крайней мере, что обычное объяснение не совсем верно.
Произведем теперь другой опыт, такой же простой, как и предыдущий. Вот у меня трубка, из которой медленно, не сплошной струей, а по капелькам, вытекает вода; каждая капля медленно нарастает, пока не достигнет известной предельной величины и не оторвется сразу. Обращаю ваше внимание на то, что всякий раз, когда капля отрывается, она имеет одну и ту же величину и одну и ту же форму. Это не может быть делом простой случайности; должна существовать какая-нибудь причина, обусловливающая предельный размер и форму капли. Почему вообще вода держится на кончике трубки? Ведь вода обладает тяжестью и стремится упасть, однако, не падает сразу; она прилипает к кончику трубки и держится на нем, пока количество ее не достигнет определенной величины, а тогда капля сразу отрывается, как будто то, что держало воду, оказалось недостаточно крепким. Один ученый тщательно вычертил в увеличенном масштабе точные формы капли при различной ее величине, и этот рисунок перед вашими глазами (рис. 2, слева).
Рис. 2.
Этот рисунок может натолкнуть на мысль, что вода как будто подвешена в упругом мешочке, и этот мешочек разрывается или отрывается, когда вес воды превосходит предел его прочности. Правда, на деле такого мешочка не существует, а все же меняющаяся форма капли сама по себе уже вызывает у нас представление об упругом, постепенно растягивающемся мешочке. Чтобы показать вам, что это вовсе не плод воображения, я сделаю следующий опыт. На треножнике я укреплю большое деревянное кольцо, которое затянуто тонкой резиновой перепонкой. Станем теперь понемногу напускать воду из трубки на эту перепонку, и вы увидите, как перепонка станет постепенно растягиваться от увеличения веса воды. Присмотритесь внимательнее, и вы увидите, что резиновая перепонка принимает как раз те формы, какие были изображены на нашем рис. 2, слева. По мере того как вес воды увеличивается, перепонка растягивается, и теперь, когда в ней содержится около ведра воды, видно, что в таком состоянии она уже не может оставаться: она напоминает каплю воды перед самым моментом ее отрывания (рис. 2, справа). Если еще немного прибавить воды, наша искусственная капля сразу меняет свою форму (рис. 3), но не отрывается, как настоящая, потому что ее удерживает резиновая перепонка.
Рис. 3.
Когда мы дошли до известной границы, она перестает растягиваться и может выдержать большое давление, не изменяя формы. Поэтому теперь она все время будет сохранять форму капли воды в самый момент ее отрывания. Теперь я стану посредством сифона понемногу удалять воду из этого упругого мешка, и капля снова начнет медленно сокращаться. Итак, в данном случае мы своими глазами видели тяжелую жидкость в упругом мешке. Обыкновенная капля воды отличается от этой искусственной капли размерами да еще тем, что ее упругий мешочек невидим. А раз две капли ведут себя почти в точности одинаковым образом, мы, естественно, можем ждать, что их форма и движения обусловливаются одной и той же причиной и что маленькую водяную капельку поддерживает нечто вроде той резиновой перепонки, какую мы только что видели.
Посмотрим теперь, какое это имеет отношение к первому опыту с кисточкой. Этот опыт показал нам, что волоски кисточки слипаются не просто потому, что они мокры; необходимо еще, чтобы кисточка была вынута из воды, или, иными словами, нужно, чтобы у нас получился поверхностный слой, или водяная оболочка, и только тогда волоски слипнутся вместе. Если мы предположим, что поверхностный слой воды подобен упругой перепонке, тогда оба опыта — с мокрой кисточкой и водяной каплей — получат свое объяснение.
Попробуем сделать другой опыт, чтобы посмотреть, не будет ли вода и в других случаях обнаруживать такие свойства, которые приводили бы нас к заключению, что у нее существует невидимая упругая перепонка.
Вот у меня прибор, устроенный следующим образом. Длинный металлический стержень пропущен через полый стеклянный шарик, прикрепленный к стержню сургучом, так что вода не может проникнуть в шарик. К нижнему концу стержня прикреплен свинцовый груз, а недалеко от верхнего конца припаяна перпендикулярно к стержню металлическая сетка. Если опустить наш аппарат в сосуд с водою, он будет плавать стоймя, причем сетка должна находиться над водою. Чтобы сделать движения аппарата более заметными, к верхнему концу стержня прикреплен бумажный флажок (рис. 4).
Рис. 4.
Теперь погрузим наш прибор так, чтобы сетка оказалась под водой, и снова отпустим его. Что произойдет? Если поверхность воды в самом деле обладает свойствами упругой перепонки, она должна помешать прибору с сеткой подняться вверх в свое прежнее положение. Я отпускаю прибор, и, вместо того чтобы выскочить наверх, как было бы, если бы ему ничто не мешало, он остается в воде, удерживаемый этой перепонкой. Когда я взбалтываю воду так, чтобы освободился один угол сетки, тогда, как вы видите, аппарат немедленно выпрыгивает вверх. Вы можете убедиться, что эта перепонка на поверхности воды должна быть довольно прочной, так как, чтобы погрузить аппарат в воду, нам нужно положить на сетку гирьки весом приблизительно в 7 граммов.
К этому прибору, который был впервые описан физиком Ван дер-Менсбрюгге, я обращусь снова через несколько минут.
На поверхности чистой, прозрачной воды имеется особый упругий слой, подобный упругой перепонке. Вот у меня маленькое ситечко, сделанное из проволочной сетки, достаточно крупной, чтобы через ее отверстия могла проходить обыкновенная булавка. Между прочим, заметим, что в дне ситечка имеется около одиннадцати тысяч таких отверстий. Далее, как вам известно, чистая проволока смачивается водой, т. е., вынутая из воды, она оказывается мокрой; но бывают вещества, как, например, парафин, которые не смачиваются водой: вода не прилипает к парафину, в чем вы можете убедиться сами, погрузив парафиновую свечу в воду. В расплавленный на сковородке парафин я и опустил эту сетку, чтобы вся она покрылась тонким слоем парафина; но, чтобы парафин не залепил отверстий, я хорошенько встряхну ее, пока парафин еще не застыл. Вы видите на экране, что все отверстия, за исключением одного-двух, остались открытыми и что обыкновенная булавка свободно проходит сквозь них. Наш прибор готов. Итак, если поверхность воды обладает подобием упругой перепонки, для разрыва которой необходима сила, воде будет не так-то легко вытечь через эти отверстия, она вообще не будет протекать через них, пока ее не заставят, потому что, чтобы пройти на другую сторону, воде нужно разорвать свою упругую оболочку в каждом отверстии. Вы понимаете, что это рассуждение правильно только в том случае, если вода не может придти в тесное соприкосновение с проволокой, т. е. не смачивает ее. Я стану наливать теперь в ситечко воду, и, чтобы помешать ей ударяться о дно с большой силой, что заставило бы ее пройти насквозь, я кладу на дно маленький кусочек бумаги и лью воду на бумагу, которая и разбивает струю (рис. 5).
Рис. 5.
Вот я налил в ситечко около полстакана воды и мог бы налить еще больше. Я вынимаю бумажку — и ни одна капля не проходит насквозь. Но стоит дать толчок ситечку, вода пробьется сквозь дно и быстро выльется вся.
Если теперь вытряхнуть воду из ситечка, можно будет пустить его плавать по воде, потому что вес его недостаточен для того, чтобы разорвать перепонку, затягивающую все отверстия. Вода не проходит насквозь, и ситечко плавает на воде, хотя, как я уже говорил, в его дне имеется одиннадцать тысяч отверстий, каждое такой величины, что через него может пройти обыкновенная булавка.
Это явление было использовано для фабрикации тканей, свободно пропускающих воздух и водяной пар, но не проницаемых для воды. Сквозь кусочек такой ткани легко задуть свечу, но зато, сложенная в виде мешка, она держит налитую в нее воду.
Я хочу привести еще один пример, подтверждающий существование такой упругой перепонки на поверхности воды. Попробуйте налить воду из стакана в узкогорлую бутылку. Вы знаете, что если вы будете наливать медленно, то почти вся вода станет стекать по стенке стакана и будет литься мимо бутылки; если же вы станете лить быстро, то в узком горлышке бутылки не хватит места сразу для большого количества воды, и она опять-таки прольется мимо. Но если вы возьмете какой-нибудь прутик или стеклянную палочку, и прислоните ее к краю стакана, то вода будет отекать по палочке в бутылку и ничего не прольется (рис. 6); вы можете даже держать палочку наклонно, как это я делаю сейчас, и вода все же будет течь по палочке, потому что упругая перепонка внешнего слоя образует своего рода трубку, которая не дает воде проливаться.
Рис. 6.
Этот способ может пригодиться в деревне, когда нужно провести в воду из желоба под крышей в поставленные внизу ушаты.
Какая-нибудь палка служит для этой цели почти так же хорошо, как и металлическая труба.
Итак, я полагаю, мы наблюдали достаточное количество фактов, убеждающих нас в том, что на поверхности воды имеется нечто вроде упругой перепонки. Я хочу сказать, что поверхность воды — это та же вода; но вода внутри своей массы и на поверхности обладает неодинаковыми свойствами: ее поверхность проявляет себя так, как будто на воде натянута какая-то упругая перепонка, вроде резиновой, с тем только отличием, что эта перепонка обнаруживает способность беспредельно растягиваться, тогда как резина таким свойством не обладает.