Борис Тарасов - Паскаль

Для проверки данного утверждения Паскаль проводит очень эффектный опыт, поражавший его современников и до сих пор удивляющий как детей, так и взрослых. Он закрывает отверстие пятого сосуда соответствующим куском дерева, «обернутым прядью, как поршень насоса» (поршень входит в отверстие и проходит через него, не застревая и в то же время не препятствуя выходу воды). Затем к середине поршня прикрепляется нитка, которая проходит через узкую трубку и привязывается к одному плечу коромысла весов (на другое плечо вешается груз в сто фунтов). «Тогда мы увидим полное равновесие этого груза в сто фунтов с водой в узкой трубке, которая весит одну унцию. Если же хоть немного уменьшить груз в сто фунтов, то вода опустит поршень, а следовательно, и то плечо коромысла весов, к которому он прикреплен, и поднимет то, на котором висит груз немного менее ста фунтов. Если же эта вода замерзнет, а лед не пристынет к сосуду, то, чтобы удержать его в равновесии, достаточно будет иметь на другом плече коромысла весов всего лишь одну унцию. Если же приблизить к сосуду огонь и растопить лед, то понадобятся уже сто фунтов, чтобы Уравновесить тяжесть этого льда, расплавленного в воду, хотя мы располагаем всего только одной унцией ее».

То же самое, писал Паскаль, наблюдается и тогда, когда отверстия, закрываемые пробками, находятся сбоку или в верхней части сосуда. При повышении или понижении уровня воды сила, действующая на пробку, соответственно пропорционально увеличивается или уменьшается. «Отсюда видно, — подытоживал Блез первую главу, — что сила, нужная для того, чтобы воспрепятствовать воде вытекать из отверстия, пропорциональна высоте стояния воды, а не ширине сосуда, и что мерой этой силы всегда является вес воды, заключающейся в колонке ее, с высотой, равной высоте стояния воды, и основанием, равным величине отверстия. То, что я сказал о воде, относится и ко всем другим видам жидкостей».

Во второй главе трактата, названной «Почему жидкости имеют вес, соответствующий высоте их стояния», Паскаль стремится более всесторонне объяснить приводимые им примеры и показать причину того, как «тонкий столбик воды может удерживать в равновесии большой груз». Если, писал он, наполненный водой сосуд имеет два отверстия (одно из них в сто раз больше другого), закрытые точно пригнанными поршнями, то один человек, давящий на малый поршень, уравновешивает силу ста человек, давящих на большой поршень. Поэтому силы, приложенные к поршням, будут всегда уравновешивать друг друга, если они будут относиться между собой, как площади этих поршней или закрываемых ими отверстий. «Отсюда следует, что сосуд, наполненный водою, является новым принципом механики и новой машиной для увеличения сил в желаемой степени, потому что с помощью этого средства человек сможет поднять любую предложенную ему тяжесть». Так оформилась идея гидравлического пресса.

Постепенно переходя ко все большим обобщениям, Паскаль связал действие этой новой гидравлической машины, предназначенной для увеличения сил, с законами, проявляющимися в работе известных машин и механизмов и с общемеханическим принципом возможных перемещений. «Надо признать, — писал он, — что в этой новой машине проявляется тот же постоянный закон, который наблюдается и во всех прежних, как-то: рычаге, блоке, бесконечном винте и т. д., и который заключается в том, что путь увеличивается в той же пропорции, как и сила. Ибо очевидно, что если одно из этих отверстий в сто раз больше другого, то человек, давящий на малый поршень и опускающий его на дюйм, вытолкнет другой поршень лишь на одну сотую часть дюйма. В самом деле, этот толчок происходит вследствие непрерывности воды, соединяющей один поршень с другим и обусловливающей то, что один поршень не может двигаться, не толкая другого; поэтому, когда малый поршень продвинется на один дюйм, то вода, которую он вытеснит, встретит, толкая другой поршень, отверстие в сто раз большее и займет по высоте лишь сотую часть дюйма. Таким образом, путь относится к пути, как сила к силе».

В результате своих исследований и обобщений Паскаль установил один из основных законов гидростатики, который носит его имя и заключается в том, что при действии поверхностных сил давление во всех точках внутри жидкости одинаково. Этот закон вот уже три столетия известен каждому человеку, знакомому со школьным учебником элементарной физики. «Трактат о равновесии жидкостей» по ясности изложения, способу постановки и убедительности приводимых опытов является классическим среди физических сочинений XVII века. С этим трактатом, пишет известный французский философ Бруншвиг, «гидростатика достигает самой высокой степени совершенства, на которую может претендовать в науке точный разум».

Основные положения «Трактата о равновесии жидкостей» были использованы в другом его сочинении — «Трактате о весе массы воздуха», который был опубликован одновременно с первым и в котором устанавливалась непосредственная связь между давлением жидкостей и газов, что видно из начальных положений этого трактата:

«...2. Подобно тому как масса морской воды давит своим весом на часть земли, образующую основание моря, и давила бы своим весом на всю поверхность земли, если бы она окружала всю землю, а не только часть ее, и масса воздуха, окружающая всю землю, давит своим весом на все ее части.

3. Подобно тому как дно сосуда, содержащего воду, испытывает большее давление со стороны веса воды, когда сосуд наполнен ею сполна, а не наполовину, и вообще тем большее давление, чем выше уровень воды, и возвышенные места, например вершины гор, не испытывают такого давления веса массы воздуха, как места низменные, например долины...

4. Подобно тому как тела, находящиеся в воде, подвергаются со всех сторон давлению веса воды, находящейся над ними, что мы доказали в «Трактате о равновесии жидкостей», и тела, расположенные в воздухе, подвергаются со всех сторон давлению массы воздуха, находящегося вокруг них.

5. Подобно тому как животные в воде не ощущают ее веса, так и мы не ощущаем веса воздуха по той же причине. И как из того, что мы не ощущаем веса воды, когда в нее погружены, нельзя заключить, что она не имеет веса, так же нельзя сделать вывода об отсутствии веса у воздуха из того, что мы его не чувствуем. Причину этого явления мы показали в «Трактате о равновесии жидкостей».

Объяснив, что в воздухе давление передается по тем же законам, что и в воде, Паскаль привел примеры многочисленных процессов, которые ошибочно объяснялись «боязнью пустоты» и истинная причина которых заключена в тяжести воздуха. Поднятие воды в насосах, сифонах, шприцах, трудность отделения друг от друга двух полированных тел, притяжение воздуха при дыхании, вздутие той части тела, на которую ставят банки, и т. д. — все эти явления вызваны давлением внешнего воздуха. А вот еще один пример такого рода — в нем цепкая наблюдательность Паскаля-естествоиспытателя соседствует с живым человеческим участием к сокровенным проявлениям бытия: «Когда ребенок схватывает ртом сосок груди своей кормилицы, он притягивает молоко, потому что грудь сдавлена со всех сторон весом окружающего воздуха, за исключением той части, которая находится во рту ребенка; вот почему, как только мускулы дыхания образуют больший объем в теле ребенка... и ничто не трогает сосок, внешний воздух, имеющий большую силу и сжимающий грудь, гонит молоко через это отверстие, где сопротивление меньше: это так же неизбежно и естественно, как и то, что молоко вытекает, если сдавливать грудь руками».