Текст книги "Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса"
Автор книги: Элен Черски
Жанр:
Научпоп
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 3 страниц)
Трудность задачи заключалась в том, что для определения силы давления воздуха на тот или иной предмет следовало полностью исключить воздействие воздуха на другую сторону этого предмета, то есть создать по эту другую сторону вакуум. В четвертом столетии до нашей эры Аристотель заявил, что «природа не терпит пустоты», и эта точка зрения преобладала почти тысячелетие. Создать вакуум казалось невозможным. Но где-то около 1650 года немецкий физик Отто фон Герике изобрел первый в мире вакуумный насос. Вместо того чтобы написать научную статью на эту тему и заняться изучением других физических явлений, ученый решил устроить настоящее представление, призванное продемонстрировать его изобретение[3]3
В наши дни не рекомендуется организовывать публичные демонстрации тех или иных научных открытий.
[Закрыть]. Возможно, этому способствовало и то, что Отто фон Герике был не только физиком, но и известным политиком и дипломатом; к тому же он был в хороших отношениях с правителями того времени.
Фердинанд III – император Священной Римской империи и король части Венгерского и Чешского королевств – прибыл 8 мая 1654 года, окруженный своей многочисленной свитой, к зданию Рейхстага в Баварии. Отто фон Герике предъявил почтенной публике полую медную сферу 50 сантиметров в диаметре. Сфера состояла из двух отдельных полусфер, соприкасающихся между собой идеально отшлифованными, ровными поверхностями. Снаружи к каждой из полусфер было приварено по кольцу для крепления двух канатов, за которые можно было тянуть с двух сторон, чтобы разделить полусферы. Отто фон Герике смазал места соприкосновения двух полусфер и плотно сжал их друг с другом, а для откачки воздуха изнутри образовавшейся сферы воспользовался своим вакуумным насосом. Казалось, ничто не должно удерживать вместе две половины сферы, однако после удаления из нее воздуха они вели себя так, словно были намертво склеены друг с другом. Отто понимал, что вакуумный насос позволяет ему оценить силу воздействия атмосферы на те или иные объекты. Миллиарды крошечных молекул воздуха бомбардируют наружную поверхность сферы, заставляя ее половины прочно держаться друг друга, а внутри сферы нет ничего, что бы противодействовало силам, давящим на нее снаружи[4]4
Мы не знаем точно, какую часть воздуха изнутри сферы удавалось откачивать с помощью вакуумного насоса Отто фон Герике. Весь воздух он, конечно, не мог удалить, но большую часть воздуха ему, несомненно, удалось откачать.
[Закрыть]. Две полусферы можно было разъединить, только отрывая друг от друга с силой, превышающей ту, которая удерживает их вместе.
Затем в действие вступили лошади. Каждую полусферу тянули изо всех сил в противоположные стороны по 8 лошадей (всего 16 лошадей). Император и свита с изумлением наблюдали за тем, как лошади безуспешно пытались преодолеть силу невидимого воздуха, сжимавшего две полусферы. Единственным, что удерживало их вместе, была сила молекул воздуха, бомбардирующих сферу величиной с внушительный пляжный мяч. Но даже усилий стольких лошадей оказалось недостаточно, чтобы разъединить полусферы. Когда сражение закончилось в пользу молекул воздуха, Отто фон Герике с торжествующим видом открыл клапан, чтобы впустить воздух внутрь сферы, – и две полусферы рассоединились сами собой. Вопрос о победителе в этом соревновании также отпал сам собой. Давление воздуха оказалось гораздо сильнее, чем кто-либо мог предположить. Если взять весь воздух, откачанный из сферы примерно такого же размера, как в эксперименте Отто фон Герике, и составить из него воображаемый вертикальный столб, то он мог бы (теоретически) выдержать (за счет направленного вверх давления воздуха) нагрузку порядка 2000 килограммов, что примерно соответствует весу крупного взрослого носорога. Это означает, что если вы нарисуете на полу окружность диаметром 50 сантиметров, то давление воздуха на ограниченную ею площадку также равняется весу 2000-килограммового носорога. Крошечные невидимые молекулы воздуха действительно бомбардируют нас с большой силой. Отто провел множество таких представлений для разных аудиторий, а его знаменитая сфера получила известность как магдебургские полушария (Магдебург – родной город ученого).
Эксперименты Отто фон Герике отчасти стали знамениты еще и потому, что о них многие писали. Идеи ученого вошли составной частью научной мысли в книгу Гаспара Шотта, опубликованную в 1657 году. Сведения о вакуумном насосе Отто фон Герике вдохновили Роберта Бойля и Роберта Хука на проведение экспериментов по изучению давления газов.
Вы можете самостоятельно провести подобный эксперимент – без участия лошадей и императора. Найдите кусок толстого, ровного картона, достаточно большой, чтобы полностью закрыть отверстие стакана. Эксперимент лучше проводить над раковиной, на всякий случай. Наполните стакан водой – до ободка и положите сверху кусок картона. Прижмите его параллельно поверхности воды к ободку так, чтобы между ней и картоном не оставалось воздуха. Затем переверните стакан вверх дном – и уберите руку. Картон, на который оказывает давление вся вода в стакане, тем не менее не отпадает. Этому препятствуют молекулы воздуха, которые бомбардируют картон снизу, подталкивая вверх. Давления молекул воздуха вполне достаточно для удержания воды в стакане.
Давление молекул воздуха годится не только для удерживания тех или иных объектов. Его также можно использовать для перемещения объектов, причем пальма первенства в этом деле принадлежит не человеку. Обратите внимание на слона – одного из самых выдающихся специалистов на планете в деле воздействия на свое окружение с помощью воздуха.
Африканский саванный слон – величественный гигант, по обыкновению мирно разгуливающий по пыльной и жаркой африканской саванне. В жизни семьи слонов главную роль играют самки. Самая старшая из них, мать семейства, возглавляет группу слонов, которая бродит по саванне в поисках пищи и воды. Эта группа полагается на мать семейства, поскольку она запоминает окружающий ландшафт и самостоятельно принимает решения. Однако выживание этих животных и их способность противостоять врагам зависит не только от массы тела. У каждого слона оно может быть тяжелым и неуклюжим, но правильно распоряжаться им животному помогает весьма изысканный и чувствительный орган – хобот. Когда семейство слонов перемещается по саванне, они постоянно исследуют окружающий мир посредством этого странного придатка, используя его для сигнализации, обнюхивания, добывания пищи и фырканья.
Хобот слона – инструмент, замечательный во многих отношениях. Он представляет собой сеть взаимосвязанных мышц, способных сгибаться, подниматься и с невероятной ловкостью подбирать с поверхности земли те или иные объекты. Даже если бы возможности хобота исчерпывались только этим, его уже следовало бы считать чрезвычайно полезным органом, однако у хобота есть еще одна важная особенность: две ноздри, которые тянутся по всей его длине. Они представляют собой гибкие трубки, соединяющие кончик вдыхательного канала с легкими слона. Именно здесь начинается самое удивительное.
Когда слониха и ее семейство приближаются к водному источнику, окружающий их «неподвижный» воздух воздействует на них, как и во всех других местах: молекулы воздуха бомбардируют морщинистую серую кожу слонов, поверхность земли и водную поверхность. Мать семейства слегка опережает остальных слонов, раскачивая хоботом, когда она заходит в воду, создавая рябь на ее поверхности. Слониха погружает хобот в воду, закрывает рот, а мощные мышцы на ее груди вздымаются и расширяют грудную клетку. Во время расширения легких молекулы воздуха в них торопятся занять вновь образовавшееся пространство. Но это означает, что на самом кончике вдыхательного канала, где холодная вода соприкасается с воздухом в ноздрях слонихи, остается меньшее количество молекул воздуха, бомбардирующих водную поверхность. То есть они движутся с той же скоростью, но число соударений уменьшается. В результате давление внутри легких слонихи снижается. В итоге в соревновании «кто кого перетолкает» (между молекулами воздуха, бомбардирующими водную поверхность, и молекулами воздуха внутри слонихи) побеждает атмосферный воздух. Давление изнутри уже не в состоянии уравновесить давление снаружи; и вода – единственное, что остается между соревнующимися сторонами. Таким образом, атмосферный воздух проталкивает воду вверх по хоботу слонихи, поскольку воздух внутри животного не может протолкнуть воду обратно. Как только вода займет какое-то дополнительное пространство, плотность молекул воздуха внутри слонихи окажется такой же, какой была изначально, и вода перестанет продвигаться дальше.
Слоны не могут пить воду хоботом: если бы они попытались сделать это, то поперхнулись бы и закашлялись (как и вы, если бы попробовали пить воду носом). Поэтому, как только слониха наберет в хобот примерно 8 литров воды, ее грудная клетка перестает расширяться. Скручивая хобот вверх и вниз, слониха направляет его кончик в рот, а затем с помощью грудных мышц сдавливает грудную клетку, сокращая размер легких. В результате молекулы воздуха внутри слонихи сближаются и поверхность воды, остановившейся на полпути в ее хоботе, бомбардируется ими гораздо сильнее. Сражение между воздухом внутри и снаружи склоняется в пользу первого, и вода выдавливается из хобота в рот слонихи. Она управляет объемом своих легких, контролируя таким образом давление, которое воздух внутри нее оказывает на воздух снаружи. Когда слониха закрывает рот, единственным местом, где может перемещаться что-либо, остается ее хобот и все, что находится у его кончика, будет втягиваться или выталкиваться. Сочетание хобота и легких слона – универсальный инструмент управления воздухом, так что силой, которая втягивает или выталкивает воду, является давление воздуха, а не усилия слона как такового.
Мы делаем, по сути, то же самое, втягивая какую-либо жидкость через соломинку[5]5
То же самое происходит, и когда мы дышим. Каждый совершаемый вами вдох попадает в легкие потому, что он заталкивается туда атмосферным давлением.
[Закрыть]. Когда мы расширяем свои легкие, плотность молекул воздуха в них снижается (количество молекул воздуха не меняется, а объем легких увеличивается). Внутри соломинки остается меньше молекул воздуха, оказывающих давление на поверхность воды. В результате атмосферное давление, воздействующее на оставшуюся жидкость, проталкивает ее вверх по соломинке. Мы называем это всасыванием, однако мы не втягиваем жидкость. Атмосферное давление, толкающее ее вверх, выполняет за нас всю работу. Даже такое тяжелое вещество, как вода, можно перемещать, когда бомбардировка молекулами воздуха с одной стороны сильнее, чем с другой.
Однако всасывание воздуха через хобот или соломинку имеет свои пределы. Чем больше разность давлений между двумя концами, тем сильнее выталкивание. Но максимальная разность, которой вы можете достичь при всасывании, равна разности между атмосферным давлением и нулем. Даже если бы вместо легких вы использовали идеальный вакуумный насос, то не смогли бы всасывать воду через соломинку длиною более 10,2 м, поскольку наша атмосфера не может проталкивать воду на большую высоту. Поэтому, чтобы на все сто процентов использовать «толкательную» способность молекул газа, нужно заставить их работать при более высоких давлениях, чем атмосферное. Атмосфера оказывает довольно высокое давление, но если какой-либо другой газ нагреть до высокой температуры и приложить к нему большее давление, его «толкательная» способность повысится. Возьмите достаточное количество крошечных молекул газа и заставьте их бомбардировать некий объект с достаточными частотой и скоростью – и вы придадите мощный импульс развитию цивилизации.
Паровоз – это железный дракон, шипящее, дышащее жаром могучее чудовище. Менее столетия тому назад эти драконы расплодились повсеместно, транспортируя промышленную продукцию в пределах одной страны и между разными странами и удовлетворяя потребности общества в перевозках большого количества пассажиров на дальние расстояния. Эти транспортные средства создавали сильный шум и загрязняли окружающую среду, но для своего времени были чудом инженерной мысли. Когда они устарели с моральной и технической точки зрения, общество не торопилось списывать их со счетов. Любители старины сохранили у себя немало экземпляров паровых локомотивов, которые не лишены своеобразной строгой красоты и изящества. Я выросла на севере Англии, поэтому в детские годы была буквально погружена в историю промышленной революции: фабрики, каналы, металлургические заводы, но главное – пар. Но сейчас я живу в Лондоне, и многие из детских воспоминаний уже стерлись из моей памяти. Однако прогулка вместе с сестрой по железной дороге Bluebell («Голубой колокольчик»), где курсируют поезда, приводимые в движение старинными паровозами, заставила вспомнить многое.
Тот промозглый зимний день был абсолютно идеальным для поездки на таком поезде, тем более что по ее окончании нам обещали горячий чай с булочками. На станции отправления мы ждали совсем недолго, а по прибытии в пункт назначения, Шеффилд-Парк, оказались в самом центре неторопливой, но весьма разнообразной деятельности. Вокруг паровозов непрерывно сновали, сменяя друг друга, какие-то люди, которые казались крошечными на фоне этих железных монстров. Тех, кто их обслуживал, было легко распознать: темно-синие комбинезоны, такого же цвета фуражки, добродушно-деловое настроение, наличие бороды (правда, не у всех). Время от времени они наклонялись над тем или иным узлом паровоза, исследовали его, что-то подкручивали, поправляли и настраивали. Как заметила моя сестра, многих из них почему-то звали Дейв. Прелесть парового двигателя в том, что принцип его действия фантастически прост, но исходную энергию пара нужно укрощать, регулировать и направлять. Паровой двигатель и обслуживающие его люди – настоящая команда.
Стоя на земле и глядя на огромный черный паровой двигатель, трудно было представить, что он по своей сути – не что иное, как печь на колесах, нагревающая гигантский котел. Один из Дейвов пригласил нас в кабину машиниста паровоза. Мы взобрались по крутой лесенке непосредственно позади двигателя и оказались внутри пещеры, изобилующей медными рычажками, манометрами и трубками. Здесь были также две белые эмалированные кружки и бутерброд, засунутый за одну из трубок. Однако самым замечательным оказалось то, что мы смогли заглянуть в самую пасть огнедышащего монстра – паровозную топку, которая является сердцем парового двигателя и работает на угле. Он накаляется до ярко-желтого цвета и хорошо виден, если заглянуть в топку. Кочегар вручил мне совковую лопату и предложил «подбросить уголька». Я послушно взяла лопату, зачерпнула ею порцию угля из тендера, расположенного позади меня, и отправила в жерло топки. Паровой двигатель – весьма прожорливая тварь. Чтобы преодолеть путь длиной 18 километров, необходимо сжечь примерно 500 килограммов угля. Эти полтонны «черного золота» превращаются в газ: двуокись углерода и воду. В результате сжигания угля высвобождается огромное количество энергии, поэтому газы нагреваются до очень высокой температуры. Это лишь начало преобразования энергии, приводящей в движение поезд.
Основной узел парового двигателя – длинный цилиндр, который тянется от кабины машиниста до паровозной трубы. Я никогда всерьез не задумывалась о его внутреннем содержимом, но в нем наверняка полно всевозможных трубок. По ним горячий газ передается от паровозной топки к собственно двигателю. Это и есть паровой котел. Большую часть пространства вокруг труб занимает вода: получается нечто наподобие гигантской ванны, наполненной кипящей, булькающей жидкостью. В результате нагревания труб до высокой температуры образуется пар: молекулы горячей воды, движущиеся с очень высокими скоростями в верхней части парового двигателя. В этом и состоит принцип работы парового двигателя: топка и паровой котел, создающие клубы горячего водяного пара. Дракон извергает из пасти не огонь, а миллиарды миллиардов молекул, обладающих высокой энергией. Эти молекулы, заключенные внутри парового котла, движутся с гигантскими скоростями. Температура такого газа составляет примерно 180 ℃, а давление в верхней части котла приблизительно в десять раз больше атмосферного. Молекулы газа с высокой скоростью ударяют о стенки двигателя, но выход своей энергии они могут дать, лишь совершая полезную работу.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
