Ворот, с которым мы сталкиваемся несколько раз в день, – это дверная ручка. Убедиться в ее необходимости можно, если попытаться повернуть стержень замка вокруг своей оси, не используя ручку. Даже человек с очень сильными пальцами не сделает этого или будет прилагать неимоверные усилия. То же самое происходит при попытке повернуть сломанный ключ. Пальцы проскальзывают по стержню, но стоить зажать его пассатижами, то есть создать «временный ворот», как ключ повернется.

Другое применение ворота – заднее колесо велосипеда, соединенное со звездочкой. Воротом называют механизм подъема ведра из колодца, и в этом случае ручка, соединенная с вращающимся стержнем, конечно, тоже работает по этому принципу.

Предположим, ты хочешь отправить далеким друзьям на юг огромную глыбу льда, достаточно большую, чтобы к концу пути от нее хоть что–нибудь осталось. Ни обхватить ее руками, ни тем более оторвать от земли ты не можешь. Вот приехал грузовик, который отвезет ее на почту. Тут нам бы помог подъемный кран с его блоками, но крана нет. Зато есть доска, которую одним концом можно положить на кузов грузовика, а другим поставить на землю так, чтобы получился пологий скат. Теперь по этой доске можно задвинуть глыбу в грузовик. Несложное приспособление, но без него трудно обойтись.

Если совместить две наклонные плоскости, то получится клин. Для того чтобы поднять ту же ледяную глыбу на высоту борта грузовика, мы можем, не передвигая ее, забить под нее постепенно расширяющийся деревянный брусок, который называют клин. Клин удобно использовать для того, чтобы расколоть узловатое полено, и так действительно делают, когда колют дрова. Клин используется в плуге, который входит в землю, клин – это острие ножа, бритвы и других режущих инструментов.

Использование клина

Если наклонную плоскость обвить вокруг какого–нибудь цилиндра, то получится винт. Можно рассмотреть болт, шуруп, штопор, чтобы понять, что именно имеется в виду. Винт тоже используют для подъема тяжелых предметов, например в домкрате. Гайка делает довольно много оборотов, прежде чем сместится на заметную высоту. Таким образом, гайка или груз, который на нее опирается, проходит гораздо более длинный путь по спирали винта, чем если бы мы просто попытались поднять груз вверх. Мы как бы затаскиваем этот груз по длинной наклонной плоскости. Это позволяет сэкономить много сил, и самый слабый водитель оказывается способным поднять машину за один угол, что ему и приходится делать каждый раз, когда нужно заменить колесо.

Как работают ременная и зубчатая передачи?

Если взять велосипед и перевернуть его, получится прекрасный инструмент для изучения передач. Звездочка, которая закреплена вместе с педалями, больше, чем та, что установлена на оси заднего колеса.

Крутанем педали. Видно, что пока мы сделали один оборот педалями, маленькая звездочка, а с ней и колесо совершили больше оборотов. Это позволяет не крутить педали с такой же бешеной скоростью, как и вращающееся колесо, а поворачивать их плавно, даже при быстрой езде. Правда, чем больше разница между передней и задней звездочками, тем большее усилие нужно для того, чтобы прокрутить педали.

Шестеренки разного размера передают усилие от педалей к колесу

Чтобы решить эту проблему в современных велосипедах, например горных, ставят несколько звездочек и механизм, который позволяет переключать передачи, не слезая с велосипеда. Если дорога плохая, например песчаная или глинистая, нужно, чтобы разница между звездочками была маленькой, тогда мы двигаемся медленно, зато нам хватает сил провернуть даже увязшее в грязи колесо. Если же мы едем по асфальту и хорошенько разогнались, можно увеличить разницу между звездочками и медленно поворачивать педали, двигаясь с большой скоростью.

Коробка передач, то есть несколько шестеренок разного размера, передает усилие от двигателя на колеса, в зависимости от скорости и дороги. Именно для переключения передач нужна ручка между передними сиденьями автомобиля.

Как устроено вещество?

Несмотря на то что атомы как мельчайшие части вещества были известны довольно давно, долгое время их никто никогда не видел, и они относились к той части научных открытий, в которые приходится верить, не имея возможности посмотреть, как именно все это устроено.

Относительно недавно микроскопы достигли достаточной мощности для того, чтобы с их помохцыо можно было увидеть структуру вещества. Разные вещества нужны для разных целей. Известно, что Томас Эдисон потратил годы, чтобы отыскать материал, пригодный для изготовления спиралей электрических лампочек. Поиски материалов для разных целей постоянно продолжаются. Все время требуются новые металлы, сплавы, пластики. Для того чтобы делать ножи, ножницы или лезвия, нужны твердые, прочные металлы, а для производства матрасов и подушек – легкие и мягкие материалы. Окно должно быть прозрачным, фундамент – долговечным, а шоссе – способным выдерживать постоянное движение тяжелых машин. Важно хорошо знать, как устроены различные вещества, чтобы все работало как следует.

Вопрос, какова природа вещества, был задан около 2000 лет назад поэтом и философом Лукрецием. Правильным ответом он считал утверждение, что все: вода, камни, животные, деревья – состоит из крошечных частичек, которые он называл корпускулами, или атомами. Он полагал, что атом нельзя раздробить, сломать, разрезать или разделить каким–то другим способом. Лукреций считал, что если чашу воды разделить на несколько капель, а каждую каплю еще на множество капель, то, продолжая такое деление дальше и дальше, в конце концов можно добраться до атомов, которые разделить не удастся.

В те же времена была популярна и другая теория, согласно которой вещество представляет собой сплошную, ровную массу без свободных промежутков, независимо от того, золото это или вода. Но эти промежутки должны существовать, если все состоит из частиц. Сторонники теории непрерывных веществ утверждали, что каплю воды, какого бы размера она не была, всегда можно разделить на еще более мелкие части.

Согласно теории Лукреция, все вещества построены из небольшого количества атомов, подобно тому, как бесконечное множество слов может быть составлено из букв одного и того же алфавита. Считалось, что атомы – это крошечные кирпичи мира, поэтому для того, чтобы изучать свойства веществ, нужно хорошо представлять себе свойства атомов.

Идея хороша, но, как и всякая идея, она требует доказательств. По традиции, ученые должны доказать, почему они считают идею верной, даже если никто не оспаривает их мнений.

Если атомы существуют, то каковы их размеры? Если мы разольем какую–нибудь жидкость тонким слоем, то толщина этого слоя будет зависеть от размера атомов. Если на поверхность огромного озера капнуть каплю масла, она будет растекаться до определенных пределов – до тех пор, пока самые маленькие частицы масла не окажутся выстроенными в один слой. Если бы таких частиц не существовало, капля масла продолжила бы растекаться, а слои становились бы все тоньше и тоньше до тех пор, пока масло не уперлось бы в берега озера. Но этого не происходит.

Кроме того, поскольку между частицами вещества находятся промежутки, между ними могут уместиться частицы другого вещества, как сможет уместиться песок в корзину, доверху наполненную картошкой. Примерно так же частицы соли умещаются между частицами воды. Если мы возьмем стакан воды и наполним его до краев так, чтобы нельзя было больше прилить ни одной капли, и будем осторожно всыпать в него соль, нам удастся всыпать почти чайную ложку, прежде чем вода начнет переливаться через край. Нам не удалось бы сделать это, если бы между частицами воды не было промежутков.