Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

После этого прошло немало веков, и только в XVII в. с подачи французского физика и математика Блеза Паскаля (1623–1662) изыскания в области гидростатики, изучающей поведение жидкостей и газов в покое, продолжились. Именно Паскаль поставил знаменитый опыт, в ходе которого вода, льющаяся в бочку с большой высоты, попросту разорвала сосуд.

Как это произошло? Под собственным балконом ученый поставил деревянную бочку, налил в нее воды и плотно закрыл. Затем проделал в крышке дыру и через нее вставил в сосуд длинную, 4-метровую трубку. Потом поднялся на балкон и залил в трубку кружку воды. Как только вода достигла бочки — та разлетелась на дощечки: давление жидкости оказалось слишком мощным, и крепления не выдержали. Несмотря на то, что сама вода в кружке весила всего ничего, попав в трубку, она мгновенно в разы повысила давление на дно сосуда. Поток жидкости плотностью 1 г/см 3 низвергся с высоты 4 м с ускорением 9,8 м/с 2 — произведение этих трех величин и дало избыточное давление 0,4 атм. Зная данный показатель и учитывая метровый диаметр бочки, можно вычислить, что дно сосуда испытало натиск воды в 30 килоньютонов, а это эквивалентно весу слона. Конечно, воздух давит на воду в открытой бочке с большей силой, однако этот натиск уравновешивается давлением извне, потому сосуд не распадается.

Чуть позже Паскаль провел еще один эксперимент: надел на стеклянную трубку шарик с отверстиями, залил внутрь воду и, разместив полученную конструкцию широкой частью вниз, нажал на вставленный внутрь поршень. В тот же миг из отверстий брызнули струи воды, и ученый, измерив их напор и длину ровных отрезков, сделал вывод: раз жидкость льется одинаково из всех отверстий, то и давление в сосуде распределяется одинаково во все стороны. Для подтверждения Паскаль перевернул конструкцию вверх тормашками и повторил эксперимент. Результат оказался тот же, только вода, выпрыскиваясь, закруглялась резче, чем в предыдущем опыте, и ровная часть ее струек была короче (сказывалось действие земного тяготения). В завершение ученый поэкспериментировал с паром — и убедился, что газы ведут себя так же, как жидкости, а значит, правило равномерной передачи давления распространяется и на них.

Дальнейшие наблюдения, которые Паскаль проводил уже с барометром Э. Торричелли, взбираясь на разные возвышенности (гору, лестницу собора, башню) и фиксируя изменения уровня ртутного столба, показали: чем выше мы поднимаемся, тем меньше на нас давит воздух. Впоследствии на башне Сен-Жак, где проходил одни из этапов исследования, возвели памятник его автору.

Вот так Блез Паскаль окончательно доказал несостоятельность аристотелевской идеи «страха пустоты», которая долгое время служила единственным объяснением работы насоса и ртутного барометра. Только Паскалю удалось доказать: ртуть и вода поднимаются по трубке не потому, что пустота засасывает их, а под воздействием давления атмосферы. Более того, сформулировав основной закон гидростатики, ученый разработал гидравлический пресс, который до сих пор используется в металлургии и машиностроении.

Более 200 лет назад люди стали догадываться о том, что энергия в природе не появляется на пустом месте и не пропадает бесследно, а просто превращается из одной в другую. Например, не раз замечалось, что тело во время быстрого бега разогревается, а предметы при натирании теплеют. То есть энергия работы, движения каким-то образом трансформируется в тепловую энергию.

Первым этот процесс четко описал французский инженер Сади Карно (1796–1832). Именно он открыл, что теплота выделяется тогда, когда энергия движения тел переходит в энергию движения частиц, из которых состоят эти тела, и таким образом меняет форму. И наоборот, шустро передвигающиеся частицы, скажем, горячего пара приводят в движение вал турбины. При этом Сади был уверен, что определенное количество одного вида энергии полностью, без малейших потерь, превращается в такое же количество другой энергии. Хоть позже и выяснилось, что это не так, Карно заложил основы термодинамики и создал базу для дальнейших изысканий в данном направлении, которыми занимались, в частности, английский ученый У. Томсон и немецкий физик Р. Клаузиус.

Между тем немецкий медик Роберт Майер во время путешествия в 1840 г. на остров Ява сделал любопытное открытие: у людей, которые долгое время провели в тропиках, венозная кровь ярче и светлее, чем у жителей Европы. Причину Роберт усмотрел в теплообмене: мол, в жарких странах человеку требуется меньше энергии на обогрев, поэтому кислород в организме расщепляет пищу не так активно, и, соответственно, в венозной крови скапливается меньше углекислого газа. Это натолкнуло медика на мысль о тесной взаимосвязи между работой и теплом, а когда один из моряков рассказал ему, как разогревается штормовое море, он окончательно убедился в том, что энергия не иссякает, а трансформируются в другой вид. Ведь вода в шторм нагревается не солнечными лучами, а движением волн! В статье, посвященной этому открытию, Майер написал, что энергии тепла, движения и электричества — неуничтожимые материи, которые выступают инициаторами и посредниками во взаимодействиях разных тел, в процессе чего меняют свое качество.

Через год Роберт опубликовал еще один материал, где впервые попытался определить, сколько работы нужно затратить, чтобы выделилось то или иное количество тепла, и сколько теплоты потребуется для совершения некоторого количества движения. Расчеты ученого были такими: если поднять на высоту 365 м, например, 20-килограммовый предмет, а потом бросить его вниз, то он ударится оземь с такой силой, что энергии этого удара хватит, дабы нагреть на градус 20 л воды.

За последующие четыре года Майер написал целый труд на тему обмена веществ у живых организмов, детально изложив свою теорию сохранения энергии. Согласно этой теории, любое явление природы, любой процесс вызывается определенной причиной и затем провоцирует иное явление. Таким образом, все причины можно разделить на две категории: сила и материя. Ни первая, ни вторая не могут просто разрушиться и исчезнуть — вместо этого они взаимно превращаются, меняя форму.

Силы — или энергии — Майер подразделял на несколько видов. Живая, то есть кинетическая, выделяется при движении тел. Сила падения (потенциальная) соответствует произведению высоты, с которой был сброшен предмет, и веса самого предмета. Суммарная механическая связана с превращением первой силы во вторую. Наконец, тепловая способна трансформироваться в механическую и обратно (ученый вычислил, что для получения 1 ккал тепла нужно затратить 425 кГм механической энергии). Кроме того, есть еще электрическая и химическая силы. Первая возникает от трения, а значит, является результатом трансформации механической работы. Вторая выделяется в процессе соединения химических элементов и распада веществ. В природе же все энергетические преобразования запускаются Солнцем и происходят циклически.