Дитячі іграшки та… фізика

Перед вами гравюра 1630 під назвою «дитячі забави». Які ж ігри були популярні серед дітей триста років тому? Хлопчики запускають повітряного змія. Його конструкція майже не відрізняється від тієї, що ви зовсім недавно бачили в сусідньому дворі. Грізна армія виступає в похід на битву з противником з іншого кварталу. Пацифісти ж вважали за краще більш мирні заняття – їзду верхи на паличці, скакалку, чехарду, піжмурки, «дочки-матері» та інші, настільки знайомі нам по дитинству розваги.

Ось ще дуже давні забави, правда, що не часто зустрічаються в останні роки. Хоча читачі старших років повинні пам’ятати свій захват від цих занять. Років шістдесят тому практично в будь-якому дворі можна було знайти віртуозів юного віку, які годинами бродили на ходулях. А колесо катали всі – і хлопчики, і дівчатка (так, були часи, коли дітвора не знала ні смартфонів, ні планшетів, граючи не в комп’ютерні ігри, а самі, що не є реальні). А забава з обручем, напевно, настільки ж стара, як і людство. Колісний екіпаж з’явився приблизно за тридцять століть до нової ери, а колесо ще раніше. З тих пір їм і грають.

Гравюра XVII століття викликає подив. За триста років жодна гра не забута. Є ігри та іграшки, які прийшли з глибин часів настільки далеких, що важко назвати момент їх зародження. Але незважаючи на це, навіть їх зовнішній вигляд часом доходить до нас в незмінному стані.

Іграшки, як і інші предмети побуту, звичайно ж, схильні до впливу моди. Більшість модних свого часу іграшок зараз забуто, і відомості про них можна отримати тільки зі спеціальної літератури. Але часом серед іграшок трапляються речі абсолютно унікальні по ідеї або здійсненню. Крім дітей, іграшка цікава мистецтвознавцям, історикам і навіть фізикам. Це легко зрозуміти. Хороша іграшка може виникнути лише в тому випадку, якщо майстер, який її створює, дорослий чоловік, сам почне грати, і грати серйозно.

Цікаво, що багато стародавніх дорослих забав часто містили в собі елементи найбільших наукових відкриттів, зроблених лише багато століть після створення іграшки.

Взяти хоча б іграшки Герона. Стародавні греки заклали фундамент сучасної фізики. Фундамент міцний, надійний і за своєю красою дивовижний. Завершувачем давньогрецького етапу розвитку науки прийнято вважати Герона, який прославив своє ім’я феєрверком витончених винаходів. (Дати народження і смерті Герона Олександрійського точно не відомі. Передбачається, що він жив в кінці II – початку I століть до нової ери.) Після Герона в розвитку європейської культури спостерігається різкий спад. Герон описав пожежний насос, водяний орган. Знамениті сифони Герона.

Сифон Герона.

Принцип дії насоса чудово відомий шоферам — підсосавши бензин в трубку, водій спостерігає, як рідина самостійно переливається з однієї посудини в іншу. Героном придуманий автомат для продажу «святої» води, майже такими ж автоматами користуємося і ми. Він же створив прототипи сучасних теодолітів і таксометрів. Йому приписується маса інших винаходів. Не всі з них знайшли широке застосування в техніці, більшість використовувалася лише для пристрою забавних іграшок.

Найбільш дивним винаходом, мабуть, можна вважати «еоліпіл Герона». Пар, вириваючись з трубок, змушує обертатися скляну кулю. Еоліпіл – прообраз парових турбін, що з’явилися лише через два тисячоліття. Більш того, еоліпіл можна вважати одним з перших реактивних двигунів. До відкриття принципу реактивного руху залишався один крок — маючи перед собою експериментальну установку, потрібно сформулювати сам принцип. Однак на цей крок людство витратило рівно дві тисячі років.

Еоліпіл Герона.

«Перевинахід» еоліпіла Герона відбувся в 1750 році. Угорський вчений Я. А. Сегнер побудував прообраз гідравлічної турбіни. Відмінність так званого «Сегнерова колеса» від еоліпіла полягає лише в тому, що реактивна сила, яка обертає пристрій, створюється струменем не пара, а рідини. У наші дні цей винахід служить класичною демонстрацією реактивного руху в курсі фізики, а на полях і в парках використовується для поливу рослин.

А ось дитяча іграшка – співаюча пташка і сова.

Через воронку у верхній посудині наливається вода, витісняючи з неї повітря через тонку трубку-свистульку. На свистку сидить маленька пташка. Повітря продувається — пташка співає. Коли вода заповнить верхній сифон і він спрацює, тоді рідиною починає заповнюватися нижня посудина, а пташка перестає співати. Слідом за цим нижня посудина важчає і за допомогою системи мотузочок повертає «дерево», на якому сидить сова: нижня посудина перетягує вантаж, прив’язаний до «дерева». В результаті пташка співає, якщо сова на неї не дивиться, і замовкає, коли до неї повертається хижий птах.

Не може не викликати захоплення насиченість цієї іграшки фізичними ідеями! Не менш дотепний пристрій Геронового фонтану. Спочатку водою заповнені верхня та середня судини. Якщо вам зрозумілий пристрій попередньої іграшки, не важко буде розібратися, як у фонтані Герона при перетіканні води з верхньої судини в нижню змінюється тиск повітря і чому виникає сам фонтан.

Дивлячись на іграшки Герона, важко повірити, що створені вони в ті часи, коли не були ще сформульовані газові закони. Щоб виготовити подібні іграшки потрібно знати, що при постійній температурі зі зменшенням обсягу газу тиск в ньому зростає. А це – практично все, що потрібно для формулювання самого загального газового Закону.

Фізичні закони використовуються при влаштуванні розваг з незапам’ятних часів. Мабуть, першими їх стали застосовувати старовинні бродячі артисти – акробати та жонглери. І ті й інші використовують закони, згідно з якими рухається обертове тіло.

Цікаве породження старовинного цирку — ігри з обертовими дзиґами. Цей атракціон називають діаболо. Артист тримає в руках дві палички з ниткою між ними. За допомогою цього простого пристрою він розкручує вовчок — щось на зразок короткої котушки,— а потім починає підкидати і ловити дзигу на нитку.

На малюнку показаний «тубільний діаболо» позаминулого століття. Як повідомляється в книзі «Іграшка. Її історія та значення» (1912 рік), він доставлений в Європу зі Східної Африки. Пристрій його елементарний: дві палички і злегка обструганий шматок дерева. Цей атракціон і зараз зустрічається на сцені сучасного цирку.

Закони, яким підпорядковується обертове тіло, використані древньою людиною в унікальній іграшці — бумеранзі. Батьківщиною бумеранга прийнято вважати Австралію, але зона його поширення значно ширше — Стародавній Єгипет, Індія, Південно-Східна Азія.

Перетин лопаті бумеранга подібний перетину гвинта літака. Форма ж цієї метальної палиці може бути найхимернішою. Бумеранги літають, описуючи хитромудрі вісімки, по самим химерним траєкторіям. Теорія польоту бумеранга розроблена лише недавно, тому дивно, що настільки складний з точки зору теорії пристрій був виконаний у всіляких варіантах первісною людиною.

Знаменитий американський фізик-експериментатор Роберт Вуд, досягнувши досконалості у виготовленні бумерангів, навіть виступав перед футбольними матчами. Стоячи посеред поля, він хвацько кидав цю зброю первісної людини в бік глядачів. Описавши кілька завитків над головами вболівальників, бумеранг завжди повертався до ніг відомого фізика.

Проте навчитися користуватися в домашніх умовах бумерангом або діаболо не так-то просто. А ось давньокитайську іграшку «іо-іо» освоїти нескладно. Вона являє собою просто котушку з ниткою. Котушку найкраще зробити з металу: діаметр котушки близько п’яти сантиметрів, ширина – один-два сантиметри, вісь котушки робіть тонше. Можна зібрати іграшку і з будь-яких підручних матеріалів. Міцно прив’яжіть до осі міцну нитку довжиною від коліна до кисті зігнутої руки.

Гра полягає в наступному. Намотайте на котушку нитку, візьміть її за вільний кінець і відпустіть котушку. Вона почне повільно падати, розкручуючи нитку. Коли нитка повністю розкрутиться, «іо-іо» почне підніматися вгору по нитки. Завдання полягає в тому, щоб безперервно підтримувати рух. Через день-другий наполегливих занять можна навчитися влаштовувати з «іо-іо» різні фокуси — наприклад, змусити іграшку майже зупинитися, а потім знову підійматися до верху нитки. Якщо ви не знайдете з «іо-іо» спільної мови, зверніться до будь-якої дитини старше шести років. Швидко навчившись керувати іграшкою, вона і вас навчить техніці гри.

У спрощеному варіанті — котушка і дві нитки, закріплені на штативі,— іо-іо використовується в багатьох вузах в якості лабораторної роботи і називається тепер маятником Максвелла.

Одна з іграшок стародавніх китайців теж може служити прекрасною лекційною демонстрацією для сучасних студентів.

Невеликий чан, заповнений водою, укріплений на тринозі. Уявіть собі людину, що схилилася над водою і вимовляє таємничі заклинання. Коли атмосфера досліду буде досить напружена, вода в чані сама собою закипає, справляючи на глядачів приголомшливу дію.

Секрет фокусу оригінальний, але не дуже складний. Справа в тому, що демонстратор — а не чаклун з сучасної точки зору,— дивлячись у воду, тримається за ручки, прироблені до чану. І певним чином їх потирає, збуджуючи коливання стінок. Маючи відповідний чан і достатній досвід, не так вже важко порушити в системі резонансні коливання, тобто коливання з великою амплітудою. В результаті вода в посудині буде буквально вирувати, створюючи повну ілюзію кипіння. Приголомшливо — під дією магічних слів кипить холодна вода!

Список іграшок подібного роду можна продовжувати дуже довго. У них є одна спільна риса – в основу іграшки закладена здатність майстра шукати і дивуватися. Не дуже часто дарує природа таку здатність дорослим людям. Напевно, саме тому через багато століть людство дбайливо донесло ці іграшки до нашого часу.

Автор: А. Дозоров, кандидат фізико-математичних наук.