Как сдвинуть гору Фудзи

Паундстоун Уильям

Единственный фактор, который может изменить уровень воды, это объем погруженных в нее объектов. Замысловатый термин, который придумали для этого ученые, — «водоизмещение». Представьте себе игрушечный кораблик, плавающий в ванне. Погруженный в воду корпус кораблика занимает определенный объем, который соответственно не может занимать вода. Этот объем и называется водоизмещением кораблика. Это не полный объем кораблика, а только та его часть, которая находится ниже ватерлинии.

Уровень воды в ванне зависит от суммы водоизмещении всех игрушечных корабликов, резиновых уточек и других объектов, которые плавают в ванне или «утонули» в ней. Добавьте еще несколько корабликов,

и количество вытесненной воды увеличится. Вытесненная вода должна где-то находиться, поэтому уровень воды повысится. Если вы, наоборот, вынете из воды несколько корабликов, количество вытесненной воды уменьшится, и уровень воды понизится.

Все это относится и к озерам, и к морям. Дело только в том, что у естественных водоемов сложный рельеф дна, поэтому труднее представить изменения уровня воды визуально, но если речь идет об океане, очевидно, что изменения в любом случае микроскопические.

Следовательно, вопрос можно переформулировать таким образом: «Если выбросить из лодки чемодан, изменится ли количество вытесненной воды?» Мы знаем, что лодка после этого станет легче. Это уменьшит ее осадку в воде, и, следовательно, уменьшится количество воды, вытесненное лодкой, но когда чемодан плюхнется в воду, он также вытеснит какое-то количество воды. Каким же будет суммарный эффект: позитивным, негативным или нулевым?

Для ответа на этой вопрос мы должны установить соотношение между весом и объемом вытесненной воды. Вот «умственный физический эксперимент», решающий эту задачу.

Представьте себе надувной мяч (вроде тех, которыми играют на пляже), который плавает в ванне. Такой мяч обычно очень легкий — его оболочка сделана из тонкого пластика, а внутри — воздух, поэтому он будет плавать на поверхности воды, практически не погружаясь в нее и не вытесняя воды — правильно? Вывод: если вес объекта очень мал, он практически не вытесняет воду и не изменяет уровень воды.

Теперь представьте, что у вас есть такой же пляжный мяч, но вам каким-то образом удалось засунуть внутрь этого мяча двухкилограммовый кирпич. Этот дополнительный вес приведет к тому, что мяч глубже погрузится в воду и вытеснит больше воды. Два килограмма дополнительного веса увеличат (мы не знаем точно насколько) количество вытесненной воды.

Теперь представьте себе третий пляжный мяч, внутри которого ровно два килограмма воды. У него тоже будет более низкая осадка по сравнению с первым мячом. Ваша «умственная физическая модель», надеюсь, достаточно точна, чтобы подсказать, что мяч будет погружаться в воду до тех пор, пока уровень воды внутри мяча не будет почти таким же, как снаружи. (Если бы мяч был сделан из сверхпрочного и сверхтонкого пластика, изготовленного при помощи нанотехнологий, внутренний и внешний уровни воды оказались бы абсолютно одинаковыми. Мяч был бы просто пузырем на поверхности воды, как пузыри на воде во время дождя.)

Это значит, что два килограмма воды вытесняют ровно два килограмма воды. И вода в этом отношении ничем не отличается от других веществ и материалов. Мы могли бы поместить внутрь мяча четыре килограмма и 500 граммов воды или любое другое количество воды, которое может поместиться внутри мяча, — принципиально ничего не меняется. Мяч вытеснит ровно столько воды, чтобы внутренний и внешний уровень воды уравнялись.

При этом даже совершенно не важно, какова форма мяча. Это может быть и детский плавательный круг, на котором сверху голова лошадки, — налейте внутрь этого круга два килограмма воды, и он также погрузится ровно настолько,

чтобы вытеснить два килограмма воды. Или пластиковая игрушка в форме лодки или чемодана — ничего не изменится. Единственный параметр, который играет роль, — вес воды, налитой внутрь этого предмета.

Давайте вернемся к пляжным мячам: у нас есть мяч, внутри которого два килограмма воды, и мяч, внутри которого двухкилограммовый кирпич. Повлияет ли как-то «начинка» мячей на количество вытесненной воды? Вы, наверное, согласитесь, что нет. Если вы простите мне антропоморфизм — «леди Гравитация» слепа. Она не видит, что внутри одного мяча кирпич, а внутри другого — вода. Она просто ощущает два килограмма груза внутри объекта какой-то формы. Только этот вес определяет физические характеристики плавающих объектов.

Вывод: для плавающих в воде объектов вытеснение воды зависит только от их веса — и точка. Если вам все-таки не совсем понятно, о чем идет речь, проделайте еще один умственный эксперимент. Допустим, у вас есть надувная игрушка для пляжа той же формы, что и лодка, внутри которой два килограмма воды. Теперь перелейте один килограмм воды в другую плавающую в бассейне игрушку, форма которой — точная копия чемодана фирмы Samsonite. Вес вытесненной воды до этой операции был два килограмма, а после, поскольку 1 + 1 = 2, также остался неизменным.

Итак, то, что чемодан оказался за бортом, не меняет общий вес вытесненной воды (или уровень воды), если предположить, что чемодан будет плавать в воде.

Последняя деталь очень важна. Как известно каждому носильщику на вокзале, чемодан одного и того же размера может оказаться и очень легким, и очень тяжелым. Обычный чемодан, внутри которого сложена одежда и есть много воздуха, скорее всего будет плавать на поверхностности, а вот чемодан, заполненный свинцовыми грузилами или хрустальной посудой, немедленно утонет.

Представим, что мы выбросили за борт такой тяжелый чемодан, предварительно привязав его прочной леской к лодке. Сначала, лодка всплывет, но, когда чемодан погрузится на глубину, определяемую длиной лески, и леска натянется, лодка снова погрузится, потому что ее потянет вниз груз подвешенного к ней тяжелого чемодана. Суммарное водоизмещение (вес вытесненной воды) лодки и чемодана останется неизменным. Общий вес системы лодка — чемодан не изменился, следовательно, и вес вытесненной воды не изменится до тех пор, пока и лодка, и чемодан как единое целое плавают в воде. А вот если вы перережете леску, чемодан утонет и окажется на дне, а лодка немного всплывет. Очевидно, что общее количество вытесненной воды при этом уменьшится, а уровень воды в водоеме понизится.

Ответ на задачу таков: выброшенный чемодан никак не изменит уровень воды, если он будет плавать в воде. Если же он утонет — уровень воды понизится.

Сколько всего настройщиков пианино в мире?

В 1940-х и 1950-х годах нобелевский лауреат физик Энрико Ферми любил озадачивать подобными абсурдными вопросами, предложением оценить какие-то количественные параметры, не пользуясь статистическими данными, своих студентов в Чикагском университете. Хотя «вопросы Ферми» до сих пор используют некоторые преподаватели физики, они теперь гораздо больше известны как один из приемов, используемых интервьюерами при оценке кандидата на работу. Возможно, самый известный из «вопросов Ферми» (вероятно потому, что он самый глупый) — это предложение оценить количество настройщиков пианино в Чикаго.