Рис. 4. Кривые Рибо

Начать подготовку к занятиям со школьниками Изобретатель решил в тот же вечер. Зачем откладывать хорошее дело в долгий ящик? Нужно отобрать из своей базы данных интересные изобретательские решения, в которых используется физика, и еще описания остроумных экспериментальных установок, способов исследования, изобретений, благодаря которым физика сама развивалась. Скопировать что-то из Интернета, сделать выписки из книг. Изобретатель открыл в компьютере новую папку: «ТРИЗ – школе», и в ней файл «Физика – изобретателям и изобретатели – физике». Можно начинать!

Но прошло полчаса, а в файле еще ничего не появилось. По какому принципу отбирать? С какой целью?

Цели, в основном, были понятны: не дать ребятам потерять способность к воображению, привлечь их к учебе, используя для этого необычные задачи. А для себя – проверить, отработать методы работы с тем, чтобы ими могли воспользоваться коллеги – специалисты по ТРИЗ и учителя.

Нет смысла повторять учебники. Буду рассказывать об изобретениях, причем не обязательно только о современных – нужно рассказать и о древних изобретениях, тогда нагляднее будет видна картина развития науки и техники, жизни на Земле.

Физика и изобретательство – когда же началось их «взаимовыгодное сотрудничество»? Наверное, с того времени, когда люди поняли, что высший авторитет в науке, последнее слово принадлежит не Библии, не схоластам, не умершему за 300 лет до нашей эры Аристотелю, а природе, опыту. Природа может давать ответы на правильно поставленные вопросы. Вопросы-эксперименты. Одним из первых на этот путь встал Галилео Галилей. Ему принадлежат первые остроумные изобретения устройств, приборов, позволяющих «расспрашивать» природу, «подсматривать» ее секреты, «подслушивать» тайны.

Как измерить время падения предметов с башни? Ведь портативных часов тогда еще не существовало, были лишь огромные башенные. Галилей нашел подходящий ресурс, природные часы – удары пульса. Что же это за «часы», скажете вы. Ведь биение пульса зависит от множества разных обстоятельств, от волнения, например. Галилей это учел. Он измерял время полета по пульсу старого полуслепого монаха, чье сердце уже забыло волнения и билось очень ровно.

Галилей изобрел и первый прототип термометра – термоскоп. Он представлял собой открытую трубку с пустотелым стеклянным шариком на ее конце. Шарик брали в руку и согревали её теплом, после чего другой конец трубки опускали в сосуд с водой. Когда воздух в шарике остывал, объем его уменьшался и в трубке поднималась вода – тем выше, чем больше была температура нагретого воздуха.

Галилей первым догадался использовать изменение свойств веществ при нагревании как информационный ресурс. Сегодня это важнейшее направление в развитии измерительной техники. Измерять температуру можно через изменение размеров или формы тела, цвета и яркости свечения, электропроводности, частоты колебаний кристалла, магнитных свойств, индуктивности и электрической емкости, электродвижущей силы, тока, диэлектрической проницаемости. Трубка Галилея – древний предок всех нынешних термометров.

Галилей – революционер в науке! С него началось сближение и взаимопроникновение двух сторон человеческой деятельности, которые до того времени развивались отдельно, независимо: науки и техники. Технические изобретения помогали ему развивать физику, а знание физических законов – совершенствовать технику.

Кстати, сторонники двух теорий теплоты долго боролись друг с другом. Одни считали, что теплота – это некая невесомая жидкость, ее называли «теплород» или «флогистон». Предполагалось, что когда тела трутся друг о друга, то в них «натекает» теплород из окружающего воздуха. Другие настаивали, что тепло – это движение мельчайших частиц вещества. Как же выяснить, кто прав?

Контрольные опыты для проверки гипотезы теплорода произвели физики Румфорд и Дэви. Румфорд сверлил изнутри ствол пушки тупым сверлом и наблюдал за ростом температуры. Температура быстро повышалась, хотя внутри ствола доступ воздуха и, следовательно, теплорода затруднен. То есть опыт отрицал теорию теплорода. Правда, в этом опыте полностью исключить доступ воздуха было невозможно, поэтому он не был абсолютно убедительным.

– Друзья, а как бы вы сделали эксперимент, который бы убедительно показал возможность нагрева без всякого притекающего из воздуха теплорода?

Такой опыт придумал сэр Гемфри Дэви, английский физик, химик и географ. Его опыт был поставлен очень остроумно: под стеклянный колпак, из-под которого был выкачан воздух, были помещены два ледяных бруска, которые с помощью несложного механизма приводились в соприкосновение, а затем в быстро вращались и тёрлись друг об друга. Лед плавился, вода нагревалась на 15 градусов. Здесь уже нельзя было говорить, что теплород появился из воздуха. В своем опыте Дэви разрешил несложное для нас, но казавшееся неразрешимым в те времена противоречие: к трущимся деталям, нужно иметь доступ, чтобы заставить их двигаться, и нельзя иметь доступ, чтобы не проникал «теплород».

Техника не раз «выручала» Дэви, с ее помощью он сделал много открытий. А его открытия послужили технике.

Хотите яркий пример?

Шахтеры всегда смертельно рисковали, опускаясь в шахту с открытым огнем – свечами, факелами, светильниками. Ведь если в шахте оказывался рудничный газ, взрыв был неизбежен. Дэви обнаружил, что если окружить открытый огонь частой медной сеткой, то языки пламени, способные вызвать взрыв массы газа, не могут выйти за сетку, а свет и необходимый для горения воздух проходят без всяких потерь. Снова было разрешено противоречие: к пламени должен быть доступ воздуха, чтобы оно горело, и не должно быть доступа, чтобы не было взрыва. Шахтеры были избавлены от смертельной опасности.

Иногда в науке бывает и так, что совсем молодые люди опровергают теории великих – если у них есть смелость, креативность, умение доказывать свои мысли.

Вот, например, один юный студент не поверил в теорию движения ледников, выдвинутую маститым геологом Н. С. Шалером. Геолог утверждал, что из-за огромного давления многокилометровой толщи лед у основания ледника должен плавиться и скользить по «водяной смазке». Представили это себе? Вполне здравая идея, в которую все современники верили. Но как её проверить?

И вот студент решил смоделировать это грандиозное явление в обычных, практически домашних условиях. Он взял большой чугунный брус, залил в отверстие воду, заморозил ее, вставил в отверстие поршень и надавил на него мощным прессом. Расчеты показали, что давление, возникающее в отверстии, соизмеримо с давлением ледника на собственное основание. Но как узнать, расплавился ли лед под поршнем?

Ведь туда не посмотришь! Установить внутри датчик температуры? Но давление раздавит любой датчик, да и температура у льда и талой воды одинакова. Студент догадался использовать для индикации состояния льда главное свойство, которое отличает его от воды, лед – это твердое тело!

Он сделал так: залил воду в отверстие до половины, заморозил ее, потом положил на лед свинцовую пулю и долил воды, заморозив и ее. Получился столбик льда с вмороженной в него пулей. Его поставили под пресс. Давление было огромным, куда больше, чем в ледниках – сквозь микроскопические поры в чугуне выдавились тончайшие иглы льда! Однако оказалось, что после этого пуля по-прежнему находилась в середине ледяного бруска. Значит, давление не сумело расплавить лед, иначе бы пуля в воде утонула и оказалась бы вблизи дна.

Рис. 5. Старинная шахтерская лампа Дэви

Так начал свой путь в физике знаменитый Роберт Вуд. Его называли «гением эксперимента». Вуд обладал удивительным свойством находить самые простые решения сложных задач (а это сложнее всего!), использовал любые имеющиеся под рукой ресурсы. Однажды ему срочно потребовалось очистить от пыли и паутины важную часть своего самодельного, но очень хорошего спектроскопа – деревянную трубу длиной 20 метров и диаметром 15 сантиметров. Как бы вы поступили в этом случае?