Игрушка представляет собой полый поплавок, стилизованный под какую-нибудь фигурку человека или фантастического существа. Поплавок отгружен таким образом, что оказывается почти полностью погруженным в воду. Нижняя часть внутренней полости поплавка свободно сообщается с водой, которая налита в герметичный сосуд с упругой крышкой или упругими стенками. Если нажать рукой на крышку сосуда или сжать его стенки, давление внутри него возрастет. Повышенное давление будет сжимать воздух над поверхностью воды и в полости поплавка, при этом объем воды практически не изменится. Поскольку вес поплавка не меняется, а его объем за счет сжатия воздуха сокращаться, архимедова сила плавучести становиться меньше веса поплавка, и он начнет медленно опускаться в толще воды, словно настоящий водолаз. Когда рука прекращает давить на сосуд, давление внутри него становится прежним, объем воздуха в полости поплавка восстанавливается, архимедова сила становится немного больше веса поплавка, и он всплывает. Играть таким образом можно сколько угодно.
Эта игрушка своим названием обязана латинскому псевдониму «Картезиус» великого французского философа и ученого, настоящее имя которого было Рене Декарт. И первое описание похожего устройства в 1648 году изложил в своем научном труде «Сопротивление воды сжатию» современник Декарта, итальянский ученый Рафаэлло Маджоти.
Не задолго до этого, в 1643 году итальянским физиком Торричелли было доказано существование атмосферного давления, и то, что воздух имеет вес. Им же, был проведен опыт со стеклянной трубкой длинной около одного метра, запаянной с одного конца и полностью заполненной ртутью. Такую трубку, расположив вертикально и закрыв ее внизу пальцем, он опускал вертикально в другой сосуд, наполненный той же ртутью так, чтобы запаянный конец был вверху. Оказалось, что, дав возможности ртути свободно выливаться в сосуд под собственным весом, она не выливается полностью, а образует столб высотой около 76 сантиметров с пустым пространством над нею. Обнаруженное пустое пространство тогда называли «торичеллиевой пустотой», а сегодня мы называем вакуумом. Трубка же с ртутью до сих пор используется в некоторых конструкциях барометров, приборов для измерения величины атмосферного давления.
Опыты Торричелли вызвали большой интерес, а также возбудили множество споров во Франции, в которых принял участие и молодой ученый Блез Паскаль. Ему тогда было всего лишь 24 года, но он уже успел преуспеть в математике, сконструировал и изготовил первый механический арифмометр, который мог оперировать шестизначными числами. Паскаль, экспериментируя с жидкостями, не просто повторял опыты Торричелли, но творчески видоизменял их, что позволило ему обнаружить удивительный для того времени гидростатический эффект. Помог ему в этом простой опыт с бочкой полной воды и вставленной в нее тонкой, но высокой трубкой. Находясь на втором этаже своей лаборатории, Паскаль заполнил трубку полностью и при этом в нее в неё вошел всего лишь один литр воды. Но, к его удивлению бочка не выдержала давления, создаваемого таким небольшим количеством жидкости и лопнула. Исследуя этот эффект он обнаружил, что если сферический сосуд, в стенках которого равномерно просверлены небольшие отверстия, полностью заполнить водой и через тонкую трубку насосом создать в нем избыточное давление, то струйки воды будут вырываться во все стороны с одинаковым напором - не зависимо от их расположения, сверху, снизу или сбоку.
Впоследствии этот гидростатический эффект получил название закона Паскаля, который в математическом виде, для замкнутого объема жидкости, записывается как:
где F1 и F2 - сила давления жидкости приходящаяся на поверхности разных, но гидравлически связанных сосудов, площади которых равны соответственно S1 и S2.
Закон Паскаля широко используется в технике, так на пример, все гидравлические прессы работают именно на этом принципе. Насос, действуя относительно небольшим усилием F1 своего поршня с малой площадью S1, обеспечивает на в гидравлической системе пресса, давление P равное:
Согласно закону Паскаля такое же давление будет и на рабочем поршне гидравлического пресса, где площадь S2 значительно больше. Поэтому можно записать равенство:
из чего следует, что при S2 > S1 и F2 >F1, а это означает значительный выигрыш в силе.
Кроме закона о равномерности распределения давления в жидкостях и газах Паскалю принадлежит также формулировка двух гидростатических парадоксов. В первом парадоксе утверждается, что сила давления жидкости на дно сосуда создаваемая ее весом, может отличаться от величины этого веса. И действительно это так. Если сосуд имеет небольшое по площади дно, а его верхняя часть значительно шире, например как у амфоры, то давление на дно приходится совсем небольшое. Однако сосуд, стоящий на каком-нибудь столе, вовсе не будет легче налитой в него жидкости. На стенки, имеющие наклон к поверхности стола, жидкость будет оказывать давление в перпендикулярном направлении к стенкам, но результирующая сила этого давления через сами стенки будет давить стол так, что вес сосуда с жидкостью окажется таким же, как если бы его просто взвесить на весах.
Второй парадокс имеет отношение к выталкивающей силе Архимеда. Традиционно эта сила считается равной весу объема жидкости, вытесненной погруженным в нее телом. Однако Паскаль в своем парадоксе заметил, что тело определенной массы вполне может плавать в сосуде, наполненном жидкостью гораздо меньшей массы. Это можно представить себе на примере большого корабля, заплывшего в такой узкий шлюз, что объем воды между кораблем и стенками шлюза по массе намного меньше массы корабля.
Парадокс объясняется тем, что Архимедову силу создает не весь объем жидкости, а только тот столб жидкости, высота которого находится над днищем судна. Даже если этой жидкости и очень мало, ее высота обеспечит давление, которое действует на днище корабля и обеспечивает его плавучесть. Главным здесь является то, что объем жидкости, в котором плавает корабль, является замкнутым и при погружении в него корабля жидкость поднимается. Это становится еще понятнее, если представить себе два стакана – один узкий полностью наполненный водой, а второй всего лишь на один миллиметр шире, но заполнен водой только на сантиметр от дна. Если узкий стакан вставить в широкий стакан, то своим весом узкий стакан заставит воду подниматься в зазоре между стенками обоих стаканов. Если широкий стакан достаточно высокий, то высоко поднявшаяся в нем вода заставить узкий стакан плавать в широком. Таким образом, парадокс Паскаля в определенной степени уточняет формулировку закона Архимеда о плавающих телах, который правильнее можно сформулирован следующим образом: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу этой жидкости, способной полностью заполнить объем погруженного тела.
Неординарный образ мысли молодого Паскаля заинтересовал Декарта, который был намного старше и уже был признанным авторитетом в математике, физике и философии. По инициативе Декарта в 1647 они встречались в Париже, где обсуждали многие актуальные проблемы современности, в том числе и эксперименты по гидростатике. Точка зрения Декарта на существование вакуума принципиально отличалась от мнения Паскаля. Декарт полагал, что существование вакуума невозможно, поскольку весь мир, согласно его философским воззрениям заполнен мельчайшими и невесомыми частицами, которые находятся постоянно в контакте друг с другом. Кроме того, у них были принципиальные расхождения и в области религии.
Возможно, именно с этими встречами связана, неподтвержденная письменными источниками легенда, согласно которой Декарт экспериментировал с изготовленным собственноручно прибором, представлявшим собой ни что иное, как названный в честь него «картезианский водолаз». Прибор представлял собой высокий цилиндрический сосуд из стекла почти полностью заполненный водой, верхняя часть которого закрывалась натянутой пленки из бычьего пузыря, плотно и герметично примотанной к сосуду прочным шнуром. В качестве «водолаза», плававшего в сосуде с водой Декарт использовал пустую скорлупу куриного яйца. Содержимое яйца предварительно удалялось через небольшое отверстие в остром конце и к этому же отверстию крепилось небольшое грузильце заставлявшее скорлупу плавать почти полностью погруженной в воду. Нажимая рукой на пленку бычьего пузыря, Декарт создавал избыточное давление в сосуде, которое через воду действовало на воздух внутри едва державшейся на плаву скорлупы. Под действием избыточного давления объем воздуха в скорлупе уменьшался, и она опускалось на дно.
Сегодня можно встретить интересную модификацию этой игрушки, придуманную немецкими мастерами стеклодувного искусства в 18 веке. Ее особенностью является способность водолаза быстро вращаться вокруг собственной оси. Это будет происходить только в том случае, если при его погружении не постоянно сжимать рукой сосуд, а делать это рывками – резко сжимая и быстро отпуская. Вся хитрость скрыта в конструкции «водолаза» - вода под давлением поступает в его полость не через одно отверстие, расположенное на вертикальной оси, а через два не симметричных отверстия смещенных относительно этой оси. При этом, когда внешне давление снимается, то вода выходящая из «водолаза» через эти два смещенных отверстия, создает вращающий момент. Вариантов такой игрушки можно придумать много и один из них приводиться в подборке «Самодельные игрушки».