Опыты Роберта Уильямса Вуда

Имя американского физика Роберта Уильямса Вуда не часто встречается в школьных учебниках. И очень зря! Ведь даже отрывками его биография вдохновляет к изучению мира вокруг всеми доступными способами. Вся его жизнь состояла из приключений, реализаций неожиданных идей и конструирования различных удивительных механизмов и приборов.

Все началось с судьбоносного соседства — рядом с Вудами жил владелец огромного завода воздуходувных машин Бенджамин Франклин Стэртевант. Юному Роберту разрешалось делать все, что вздумается и пользоваться любыми станками при условии, что тот будет стараться не покалечиться. С 10-ти лет он регулярно посещал завод и очень быстро овладел многими навыками, к примеру литьем деталей из чугуна.

Вскоре появились его первые изобретения, которыми он заслужил уважение среди сверстников — лыжи (он пытался изготовить их по картинке в книге), самострелы и многое другое.

В 15 лет Роберт заинтересовался химическими опытами, особенно интересны были эксперименты со взрывами. Однажды от его проказ взрывной волной вылетели стекла в соседних домах.

Та же химия, совместно с оригинальностью экспериментатора выручали его и при стычках с хулиганами, и в ухаживаниях за дамами.

Огромная лужа на одной из улиц была перманентно окружена толпами бездельников, не давая пройти участок дороги, не промочив ноги. Вуд, проходя мимо лужи, отыгрывал покашливание, а сам в это время подбрасывал «завалявшийся в кармане» кусочек натрия. Как и положено, раздавался грохот, летели искры, появлялось пламя на поверхности воды. От такого зрелища бездельники с воплями про дьявола разбегались, освобождая проход.

Однажды Роберт и его подруга запропастились в горах. Девушке становилось холодно и согреться в глуши вариантов особо не представлялось. Но не в компании с Робертом Вудом! Он раздобыл бутылку с водой и добавил в нее серной кислоты (все мы знаем, как это обычно бывает — завалялось немного с прошлой прогулки). Вода быстро и сильно нагрелась, а когда температура стала падать, Вуд достал еще одну баночку, уже с палочками едкого натра, и понемногу подкладывал в воду, поддерживая ее в состоянии, близком кипению.

Несмотря на такую активность вне учебной программы, в школе он сильно отставал. Однако к 18 годам все же поступил в Гарвард. Там он также не изменял своей дерзости и праведному упрямству. В качестве доказательства собственной правоты он проводил наглядные демонстрации и опыты. Так, еще не закончив Гарвард, он стал автором научных статей.

Окончив университет, Роберт Вуд пишет докторскую диссертацию по химии. Одновременно с этим серьезным занятием продолжает экспериментировать. Нашумевшей историей стало разоблачение университетского повара: работник использовал объедки мяса в качестве продуктов для приготовления завтрака на следующий день. Для этого испытатель посыпал хлористым литием — вещество безопасное для человека в еде и похожее на обыкновенную соль по вкусу и виду — большой кусок недоеденного за обедом мяса. А на утро прихватывал несколько кусочков из завтрака. Сжигая предполагаемые улики в лаборатории перед щелью спектроскопа Роберт видел красный цвет, свидетельствовавший о наличие лития в образце. Слава этой истории следовала за Вудом всю его карьеру.

Так же непринужденно, как в любой истории выше, колодец был использован изобретателем для построения ртутного телескопа (на тот момент с ртутью свободно работали, не считая ее вредной для здоровья). Вуд закрепил вращающуюся от двигателя емкость со ртутью, в потолке над колодцем пробил отверстие. Вращающаяся ртуть принимала форму параболоида, а наблюдатель, смотрящий через «окуляр» видел увеличенные изображения небесных тел, попадавших в поле зрения.

Первым сделал снимки в инфракрасном и ультрафиолетовом свете именно герой всех этих рассказов. Видимые отличия связаны с различной чувствительностью пленки к конкретному спектру и с таким физическим свойством предметов как отражение или поглощение излучения определенного спектра.

Роберт Уильямс Вуд опубликовал множество статей по спектроскопии, фосфоресценции , дифракции и ультрафиолетовому свету. Фотография в отраженном ультрафиолетовом излучении полезна для медицинских, научных и судебно-медицинских исследований (обнаружение синяков на коже, изменение документов, реставрация картин).

Вот еще один случай-проделка Роберта Вуда, который вспоминают по сей день. Это происходило в присутствии нашего знаменитого ученого Петра Леонидовича Капицы. Накануне к Петру Леонидовичу подошел его шеф — Эрнест Резерфорд с предложением устроить небольшое шоу, чтобы удивить гостя. Все знали, насколько Роберт Вуд неравнодушен к эффектным демонстрациям. Во время визита Капица установил в бокал стеклянные палочки и в присутствии Вуда налил в бокал жидкий кислород. Палочки с шумом вылетели из бокала. Выглядело очень эффектно. Вуд с улыбкой зааплодировал и не заставил ждать ответную выходку — он выпил из бокала жидкий кислород. Все пришли в ужас, а Роберт Вуд засмеялся и выплюнул жидкий кислород, который держал во рту, обратно в бокал. Это произвело фурор. Про стеклянные палочки конечно все забыли. Дело в так называемом «сфероидальном состоянии», которое очень короткое время защищает ткани от обморожения, но демонстрировать такой опыт мог только выдающийся практик!

Эффект основан на том, что капля жидкого азота или кислорода начиная кипеть, покрывается плёнкой паров, теплопроводность которых намного ниже, чем у жидкости, поэтому теплообмен уменьшается, и такой опыт – относительно безопасен. Иллюстрация этого – капля воды, пролитая на раскалённую сковородку – долго не испаряется, катаясь и шипя. Если же сковородку разогреть несильно, то капля быстро высыхает.

И, напоследок, забавный розыгрыш от Роберта Вуда, который и сегодня может привести в изумление немало людей, дотоле не сталкивавшихся с экспериментаторами и/или физикой. В поездке, как и полагается обыкновенному пассажиру, Вуд имел при себе чемодан. Но не было бы смысла в данной истории, если бы Роберт был обычным пассажиром. Что же на этот раз? Он поместил в чемодан тяжелый гироскоп и проделал сбоку дырку, чтобы гироскоп можно было раскрутить, резко дернув за намотанный на его ось шнурок. Перед тем, как сходить с поезда, Вуд вручил чемодан носильщику. Пока они шли по прямой, все было нормально, но тут Вуд резко свернул за угол, носильщик за ним, и чемодан встал дыбом в руках носильщика, сильно поразив беднягу и всех прохожих.

Гироскоп — это массивное аксиально-симметричное тело, вращающееся с большой угловой скоростью вокруг своей оси симметрии.

В случае свободного гироскопа моменты всех внешних сил, включая и силу тяжести, относительно центра масс гироскопа равны нулю. Это можно реализовать, например, поместив гироскоп в карданов подвес. При этом сохраняется момент импульса и справедливы выражения (1), (2) и (3).

Если гироскоп раскручен вокруг оси симметрии, то направления момента импульса и угловой скорости совпадают и направление оси симметрии гироскопа остается неизменным (4).

В этом можно убедиться, поворачивая подставку, на которой расположен карданов подвес — при произвольных поворотах подставки ось гироскопа сохраняет неизменное направление в пространстве. По этой же причине волчок, «запущенный» на листе картона и подброшенный вверх, сохраняет направление своей оси во время полета, и, падая острием на картон, продолжает устойчиво вращаться.

Свободный гироскоп, раскрученный вокруг оси симметрии, обладает весьма значительной устойчивостью. Т.е. при кратковременных воздействиях (5) даже очень больших сил движение гироскопа изменяется незначительно. Гироскоп как бы сопротивляется попыткам изменить его момент импульса и кажется «затвердевшим».

С намного большим числом опытов Роберта Уильямса Вуда можно ознакомиться в книге Вильяма Сибрука «Роберт Вильямс Вуд. Современный чародей физической лаборатории».