Одни из самых сложных видов движения всегда окружали и окружают нас. Это ветер — перемещение масс воздуха — и течение воды. Но, даже находясь в покое, две стихии постоянно заставляли человека разгадывать загадки.

Почему плавают рыбы? Отчего не падают на землю птицы? Как построить корабль, чтобы он не перевернулся? Можно ли сделать машину, висящую в воздухе?

Пытаясь ответить на эти вопросы, люди создали немало наук. А начинаются их названия с двух слов: аэро — воздух и гидро — вода. Вслушайтесь — гидростатика и аэродинамика, гидрология и аэронавтика. А если сложить их всех вместе, получится преогромная наука — гидроаэромеханика.

Вот она и занимается изучением самых разнообразных движений как воздуха и воды, так и всех находящихся в них тел — человека и животных, подводных лодок и стремительных глиссеров, воздушных змеев и шаров, вертолетов и самолетов.

О чем же поведает нам эта механика — наука о двух стихиях?

Из чего сделан поплавок?

Вы собираетесь на рыбалку. Помимо удилища, лески, крючка и, конечно, наживки, вам потребуется поплавок. Из чего его изготовить? Раз поплавок — значит должен плавать. Оглянемся вокруг себя. Скорее всего, первой вам попадет на глаза пробка.

Почему пробка плавает? Да потому, что она гораздо легче воды. Пробку делают из коры пробкового дуба. Если вы ее внимательно рассмотрите, то заметите в ней большое количество пустот. Вода практически в них не проникает, и можно сказать, что пробку на воде «держит» воздух. Способность пробки плавать известна с незапамятных времен. Уже тысячи лет назад использовали спасательные приспособления, изготовленные из нее. И сейчас для спасательных кругов, жилетов, плотов зачастую применяют пробку.

Но разве только пробка способна плавать? Плавают бревна и доски, плавает лед, образовавшийся из той же воды. Чтобы выяснить, будет ли какое-то тело плавать в жидкости, надо сравнить их плотности. Это — характеристика вещества, показывающая, сколько его массы умещается в единице объема. Вот, скажем, в одном кубическом метре уместится одна тонна чистой воды, а льда — примерно 900 килограммов. Ответ сразу ясен: лед в воде всплывет.

Также на поверхности воды будут плавать масляные и нефтяные пятна. А капельки ртути, падающие в воду, пойдут на дно — ведь ртуть — металл и она намного плотнее воды.

Был проведен опыт (не пытайтесь повторить его дома — ртуть опасна!), когда в ртуть погружали различные металлы. Они всплывали в ней, как пробка в воде — вот насколько плотна ртуть.

А можно ли заставить какое-либо вещество не всплывать в жидкости? Да, если, например, осторожно ввести в смесь воды и спирта каплю растительного масла. Она неподвижно повиснет внутри жидкости, как если бы находилась в невесомости.

Можно ли плавать под водой?

Вот смешной вопрос, скажете вы. Нырнул, и плыви. Ну, и долго ли так вы сможете плыть? Наверное, минуту, от силы — две. Очень опытные ныряльщики могут продлить это время, но все равно оно исчисляется минутами. Как же увеличить срок пребывания под водой?

Здесь не обойтись без каких-нибудь изобретений. Для проведения подводных работ на глубину опускали тяжелый колокол, под куполом которого оставался воздух. Тогда человек, находящийся под колоколом, мог дышать — и работать. Но это была очень громоздкая конструкция.

Затем был создан водолазный костюм. В нем человек мог передвигаться по дну и его возможности значительно возросли. Но по- прежнему водолаза связывала с кораблем «пуповина» — сигнальные и воздухопроводные шланги. Еще одна проблема, с которой столкнулись подводники — с ростом глубины увеличивалось давление воды. При погружении на 10 метров оно возрастает на величину, равную атмосферному давлению воздуха. На поверхности Земли мы это давление привыкли не замечать. Но в воде с ним шутки плохи. Например, если быстро поднять водолаза с большой глубины, то его кровь может буквально закипеть. Так «закипает» газированная вода при открывании бутылки, то есть при резком падении давления. Это так называемая кессонная болезнь.

Что ж, так и не поплавать под водой подолгу и без привязи? Да нет, почему же. В 1943 году французский капитан Жак Ив Кусто изобрел акваланг. Теперь ныряльщик, снабженный запасом воздуха, сжатого под давлением в баллонах, мог долго оставаться под водой. Специальные регуляторы подают воздух ко рту, а выдох позволяют сделать в воду. С аквалангом можно свободно перемещаться под водой и находиться там десятки минут. К сожалению, причины, связанные с кессонной болезнью, не позволяют погружаться слишком глубоко. Для этого все-таки приходится прибегать к жестким водолазным костюмам.

Как плавает подводная лодка?

Конечно, вы видели, хотя бы по телевизору, современные подводные лодки. Это огромные корабли с командой из десятков человек, способные месяцами находиться под водой. Корпуса этих лодок сделаны из прочного металла, иначе им не выдержать чудовищное давление воды на глубине. Почему же этот, более плотный, чем вода, металл не тонет в ней? Ответ очевиден: лодка сделана не из сплошного металла, в ней есть пустоты. В каком-то смысле подводная лодка похожа на пробку, стремящуюся всплыть на поверхность воды.

Как же тогда лодка погружается? Все дело в том, что внутрь ее объема закачивают забортную воду. «Общая» плотность лодки становится больше плотности окружающей воды и лодка «тонет».

Первому документальному свидетельству о подводном судне более 400 лет. Но первенство в сооружении первой подводной лодки принадлежит голландскому изобретателю К. ван Дреббелю, испытывавшему в 1620 году свою конструкцию на реке Темзе.

Интерес к использованию подводных лодок в военных целях был очень велик. В качестве боевой техники они впервые применены во время американской гражданской войны в XIX веке.

В дальнейшем конструкции подводных лодок претерпели много изменений. Лучшие достижения науки и техники были использованы для их усовершенствования, вплоть до установки на них атомных двигателей. К сожалению, это одно из самых ярких изобретений человека до сих пор применяется в основном военными.

Что выталкивает нас из воды?

Лодки и корабли люди научились строить еще в древнейшие времена. Вопросы, связанные с мореплаванием, волновали их все больше и больше, особенно когда речь заходила о дальних путешествиях. Неудивительно, что и древние греки уделяли много внимания проблемам плавания тел.

Выяснить, что же именно влияет на погруженное в жидкость тело, удалось знаменитому Архимеду. Чтобы понять, в чем смысл его известного закона, проведите не^ сложный опыт. Опустите в тазик с водой или ванну что угодно, хотя бы собственную руку. Во-первых, вы заметите, что она словно стала легче. Во-вторых, обнаружите, что вода в ванне или тазике поднялась, вытеснилась. Вот Архимед и сформулировал по этим наблюдениям свой закон: на всякое тело, погруженное в жидкость (и в газе — то же самое), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости.

Кстати, сразу можно разобраться с любопытным вопросом: будет ли работать этот закон в невесомости? Разумеется, во времена Архимеда такой вопрос вряд ли мог придти кому-нибудь в голову. Сегодня же мы на него легко ответим. Раз нет веса, то и выталкивать погруженное тело будет нечему.

А вот для земных нужд применение этого «без устали» действующего закона крайне важно. С его помощью проводятся расчеты для всех подводных и надводных судов.

Объяснить его действие можно, зная, что давление жидкости растет с глубиной. Тогда понятно, что на днище, скажем, полностью погруженной в воду подлодки действует большее давление, чем на верхнюю часть ее корпуса. Разность этих давлений и создает направленную вверх выталкивающую силу. Оттого-то и возникает эффект прилипания, когда лодка садится на илистое дно. Давление воды сверху есть, а снизу — нет. Лодка прижата ко дну и ей без специальных усилий не всплыть.

Почему в море плавать легче?

Замечали ли вы на речных и морских судах красную горизонтальную линию? Наверное, вы даже вспомните, как она называется — ватерлиния. Для чего ее проводят?

Если судно погружено в воду так, что ватерлиния хорошо видна, то это значит, что его можно еще догрузить. А если вода подошла к этой линии или превысила ее, то это уже опасно — судно перегружено. То есть выталкивающей силы воды вот-вот не хватит, чтобы уравновесить судно вместе с грузом.

А вот какой интересный факт наблюдают те, кто плывет на корабле и переходит на нем из реки в море. Вчера еще, плывя по реке, можно было видеть, как ватерлиния почти касалась поверхности воды. А утром, при выходе из реки в открытое море, выяснилось, что расстояние от ватерлинии до воды заметно увеличилось.

Что же случилось? Неужели с корабля что-то выбросили? Или, может быть, ночью с него сошли все пассажиры с багажом? Вовсе нет, вес корабля остался неизменным. Значит, и уравновешивающая его выталкивающая сила также не переменилась. Ну, так в чем же дело?

Пожалуй, вы поняли, что вся «соль» этого вопроса — в морской воде. Известно, что ее плотность превышает плотность речной воды за счет растворенной в ней соли. А в более плотной жидкости тело погружается меньше.

Вы можете удостовериться в этом, проведя дома опыт с детским корабликом, плавающим в кастрюле с водой, только не жалейте соли. А если приходилось в течение одних каникул поплавать и в реке, и в море, то вам доказательства не нужны.

Отчего опрокидываются корабли?

Бывает, что при переходе людей в лодке с места на место она раскачается, черпанет воды, а порой может и перевернуться. Большим кораблям, казалось бы, такое не грозит. Ну, что особенного, если по ним начнут ходить или бегать хоть все пассажиры вместе с командой?

Действительно, массивному судну практически незаметно, что по нему перемещаются люди, вес которых намного меньше. Однако, если разговор пойдет о перевозимых судами грузах, то ситуация резко меняется.

Подумайте, какой корабль более устойчив? Тот, у которого поклажа опущена в трюм? Или тот, палуба которого заставлена, например, тяжелыми контейнерами? А трюм пуст или заполнен чем-то легким вроде гуманитарной помощи из пуховых курток? Недолго размышляя, вы отдадите предпочтение первому кораблю. Даже если грузы у второго надежно закреплены и сами не раскачивают судно, передвигаясь по палубе, то даже небольшое волнение способно будет так раскачать корабль, что неминуемо опрокинет его. Поэтому опытные капитаны всегда стремятся при погрузке в порту самую тяжелую поклажу разместить как можно ниже.

Проблема устойчивости плавающих тел породила целый раздел науки. Были разработаны, скажем, такие способы спасения корабля, как разделение его корпуса на отсеки. Если корабль получил пробоину, то вода заполнила лишь один, тут же перекрываемый отсек. А для выправления крена в противоположный отсек уже специально закачивают воду.

Понаблюдайте, пусть даже в ванне, за устойчивостью детского деревянного или пластмассового кораблика. Попробуйте менять ее, прикрепляя к днищу кусочки пластилина. Только не перестарайтесь, а то перегруженный «корабль» пойдет ко дну.

Какие бывают корабли?

Каких только кораблей не построил человек! Но если вас спросить, что больше всего из них запомнилось, вы, пожалуй, назовете ледокол или авианосец.

Ледоколы прославились своими подвигами в полярных льдах. Особенно важна была их постройка для нашей страны. Люди давно мечтали освоить морской путь, проходящий вдоль побережья Северного Ледовитого океана. Однако мощные льды большую часть года не пускали туда обычные корабли. Сколько из застревало и даже гибло во льдах! И лишь с появлением таких специальных, особо прочных судов, как ледоколы, был проторен Северный морской путь. Благодаря ему навигация в полярных широтах значительно продлилась.

Как работает ледокол? Тонкий лед он буквально режет укрепленной обшивкой носовой части. Если же лед успел нарасти до большой толщины, то ледокол «взбирается» на него и рушит своей тяжестью. По образовавшемуся за ледоколом свободному ото льда пространству движутся, как по дороге, караваны грузовых или пассажирских судов. О мощи современных ледоколов можно судить по такому примеру. В 1977 году атомный ледокол «Арктика», взломав толстенные льды, впервые в истории мореплавания достиг Северного полюса.

Авианосец — крупнейший надводный корабль, напоминающий целый город. Действительно, ведь это плавающий аэродром. Конечно, он сильно отличается от земных аэродромов, например, тем, что у взлетающих и садящихся самолетов должна быть весьма короткая полоса для разбега и торможения. Чтобы перевозить около сотни боевых самолетов, их размещают в трюме, опуская и поднимая на палубу специальными лифтами. Сегодня без авианосцев не может обойтись ни одна боевая флотилия.