Детские игрушки и… физика

Перед вами гравюра 1630 года под названием «Детские забавы». Какие же игры были популярны среди детей триста лет назад? Мальчики запускают воздушного змея. Его конструкция почти не отличается от той, что вы совсем недавно видели в соседнем дворе. Грозная армия выступает в поход на битву с противником из другого квартала. Пацифисты же предпочли более мирные занятия — езду верхом на палочке, скакалку, чехарду, жмурки, «дочки-матери» и другие, столь знакомые нам по детству развлечения.

Вот еще очень древние забавы, правда, не часто встречающиеся в последние годы. Хотя читатели старших лет должны помнить свой восторг от этих занятий. Лет шестьдесят назад практически в любом дворе можно было найти виртуозов юного возраста, часами бродивших на ходулях. А колесо катали все — и мальчики, и девочки (да, были времена, когда детвора не знала ни смартфонов, ни планшетов, ни даже наушников Xiaomi, слушая музыку на уже музейных ныне патефонах, и играя не в компьютерные игры, а самые, что ни есть реальные). А забава с обручем, наверное, столь же стара, как и человечество. Колесный экипаж появился примерно за тридцать веков до новой эры, а колесо еще раньше. С тех пор им и играют.

Гравюра XVII века вызывает удивление. За триста лет ни одна игра не забыта. Есть игры и игрушки, которые пришли из глубин времени столь далеких, что трудно назвать момент их зарождения. Но несмотря на это, даже их внешний вид порой доходит до нас в неизменном состоянии.

Игрушки, как и другие предметы быта, конечно же, подвержены влиянию моды. Большинство модных в свое время игрушек сейчас забыто, и сведения о них можно получить только из специальной литературы. Но порой среди игрушек попадаются вещи совершенно уникальные по идее или осуществлению. Кроме детей, игрушка интересна искусствоведам, историкам и даже физикам. Это легко понять. Хорошая игрушка может возникнуть лишь в том случае, если мастер, ее создающий, взрослый человек, сам начнет играть, и играть всерьез.

Любопытно, что многие древние взрослые забавы часто содержали в себе элементы величайших научных открытий, сделанных лишь много веков спустя после создания игрушки.

Взять хотя бы игрушки Герона. Древние греки заложили фундамент современной физики. Фундамент прочный, надежный и по своей красоте изумительный. Завершителем древнегреческого этапа развития науки принято считать Герона, прославившего свое имя фейерверком изящных изобретений. (Даты рождения и смерти Герона Александрийского точно не известны. Предполагается, что он жил в конце II — начале I веков до новой эры.) После Герона в развитии европейской культуры наблюдается резкий спад. Герон описал пожарный насос, водяной орган. Знамениты сифоны Герона.

Сифон Герона.

Принцип действия насоса прекрасно известен шоферам — подсосав бензин в трубку, водитель наблюдает, как жидкость самостоятельно переливается из одного сосуда в другой. Героном придуман автомат для продажи «священной» воды, почти такими же автоматами пользуемся и мы. Он же создал прототипы современных теодолитов и таксометров. Ему приписывается масса других изобретений. Не все из них нашли широкое применение в технике, большинство использовалось лишь для устройства забавных игрушек.

Наиболее удивительным изобретением, пожалуй, можно считать «эолипил Герона». Пар, вырываясь из трубок, заставляет вращаться стеклянный шар. Эолипил — прообраз паровых турбин, появившихся лишь спустя два тысячелетия. Более того, эолипил можно считать одним из первых реактивных двигателей. До открытия принципа реактивного движения оставался один шаг — имея перед собой экспериментальную установку, требовалось сформулировать сам принцип. Однако на этот шаг человечество затратило ровно две тысячи лет.

Эолипил Герона.

«Переизобретение» эолипила Герона состоялось в 1750 году. Венгерский ученый Я. А. Сегнер построил прообраз гидравлической турбины. Отличие так называемого «Сегнерова колеса» от эолипила состоит лишь в том, что реактивная сила, вращающая устройство, создается струей не пара, а жидкости. В наши дни это изобретение служит классической демонстрацией реактивного движения в курсе физики, а на полях и в парках используется для полива растений.

А вот детская игрушка — поющая птичка и сова.

Через воронку в верхний сосуд наливается вода, вытесняя из него воздух через тонкую трубку-свистульку. На свистке сидит маленькая птичка. Воздух продувается — птичка поет. Когда вода заполнит верхний сифон и он сработает, тогда жидкостью начинает заполняться нижний сосуд, а птичка перестает петь. Вслед за этим нижний сосуд тяжелеет и при помощи системы веревочек поворачивает «дерево», на котором сидит сова: нижний сосуд перетягивает груз, привязанный к «дереву». В результате птичка поет, если сова на нее не смотрит, и замолкает, когда к ней поворачивается хищная птица.

Не может не вызывать восхищения насыщенность этой игрушки физическими идеями! Не менее остроумно устройство Геронова фонтана. Сначала водой заполнены верхний и средний сосуды. Если вам понятно устройство предыдущей игрушки, не составит труда разобраться, как в фонтане Герона при перетекании воды из верхнего сосуда в нижний меняется давление воздуха и почему возникает сам фонтан.

Глядя на игрушки Герона, трудно поверить, что созданы они в те времена, когда не были еще сформулированы газовые законы. Чтобы изготовить подобные игрушки требуется знать, что при постоянной температуре с уменьшением объема газа давление в нем возрастает. А это — практически все, что нужно для формулировки самого общего газового закона.

Физические законы используются при устройстве развлечений с незапамятных времен. По-видимому, первыми их стали применять старинные бродячие артисты — акробаты и жонглеры. И те и другие используют законы, согласно которым движется вращающееся тело.

Занимательное порождение старинного цирка — игры с вращающимися волчками. Этот аттракцион называют диаболо. Артист держит в руках две палочки с нитью между ними. При помощи этого простого устройства он раскручивает волчок — нечто вроде короткой катушки,— а затем начинает подбрасывать и ловить волчок на нить.

На рисунке показан «туземный диаболо» позапрошлого века. Как сообщается в книге «Игрушка. Ее история и значение» (1912 год), он доставлен в Европу из Восточной Африки. Устройство его элементарно: две палочки и слегка обструганный кусок дерева. Этот аттракцион и сейчас встречается на сцене современного цирка.

Законы, которым подчиняется вращающееся тело, использованы древним человеком в уникальной игрушке — бумеранге. Родиной бумеранга принято считать Австралию, но зона его распространения значительно шире — Древний Египет, Индия, Юго-Восточная Азия.

Сечение лопасти бумеранга подобно сечению винта самолета. Форма же этой метательной палицы может быть самой причудливой. Бумеранги летают, описывая замысловатые восьмерки, по самым причудливым траекториям. Теория полета бумеранга разработана лишь недавно, поэтому удивительно, что столь сложное с точки зрения теории устройство было выполнено во всевозможных вариантах первобытным человеком.

Знаменитый американский физик-экспериментатор Роберт Вуд, достигнув совершенства в изготовлении бумерангов, даже выступал перед футбольными матчами. Стоя посреди поля, он лихо бросал это оружие первобытного человека в сторону зрителей. Описав несколько завитушек над головами болельщиков, бумеранг всегда возвращался к ногам известного физика.

Однако научиться пользоваться в домашних условиях бумерангом или диаболо не так-то просто. А вот древнекитайскую игрушку «ио-ио» освоить несложно. Она представляет собой просто катушку с ниткой. Катушку лучше всего сделать из металла: диаметр катушки около пяти сантиметров, ширина — один-два сантиметра, ось катушки делайте потоньше. Можно собрать игрушку и из любых подручных материалов. Крепко привяжите к оси прочную нитку длиной от колена до кисти согнутой руки.

Игра заключается в следующем. Намотайте на катушку нить, возьмите ее за свободный конец и отпустите катушку. Она начнет медленно падать, раскручивая нить. Когда нить полностью раскрутится, «ио-ио» начнет взбираться вверх по нити. Задача состоит в том, чтобы непрерывно поддерживать движение. Через день-другой упорных занятий можно научиться устраивать с «ио-ио» разные фокусы — например, заставить игрушку почти остановиться, а потом вновь взбираться до верха нити. Если вы не найдете с «ио-ио» общего языка, обратитесь к любому ребенку старше шести лет. Быстро научившись управлять игрушкой, он и вас обучит технике игры.

В упрощенном варианте — катушка и две нити, закрепленные на штативе,— ио-ио используется во многих вузах в качестве лабораторной работы и называется теперь маятником Максвелла.

Одна из игрушек древних китайцев тоже может служить прекрасной лекционной демонстрацией для современных студентов.

Небольшой чан, заполненный водой, укреплен на треноге. Представьте себе человека, склонившегося над водой и произносящего таинственные заклинания. Когда атмосфера опыта будет достаточно накалена, вода в чане сама собой закипает, производя на зрителей потрясающее действие.

Секрет фокуса оригинален, но не очень сложен. Дело в том, что демонстратор — а не колдун с современной точки зрения,— глядя в воду, держится за ручки, приделанные к чану. И определенным образом их потирает, возбуждая колебания стенок. Имея подходящий чан и достаточный опыт, не так уж трудно возбудить в системе резонансные колебания, то есть колебания с большой амплитудой. В результате вода в сосуде будет буквально бурлить, создавая полную иллюзию кипения. Потрясающе — под действием магических слов кипит холодная вода!

Список игрушек подобного рода можно продолжать очень долго. У них есть одна общая черта — в основу игрушки заложена способность мастера искать и удивляться. Не очень часто дарит природа такую способность взрослым людям. Наверное, именно поэтому через многие века человечество бережно донесло эти игрушки до нашего времени.

Автор: А. Дозоров, кандидат физико-математических наук.