Марк Медовник - Жидкости

Причина, по которой одни вещи плавают, а другие тонут, сводится к тому, больше или меньше их вес, чем у эквивалентного им объема воды

По сути, Архимед открыл, что можно заранее определить, будет ли объект плавать или тонуть: достаточно вычислить вес воды, которую он вытеснит при погружении. Для сплошного однородного предмета нужно сравнить плотность материала с плотностью воды. Так, древесина, вес которой на единицу объема меньше, чем у воды, имеет меньшую плотность и потому плавает. Сталь плотнее воды и тонет. Но есть один фокус: корабли все-таки можно строить из стали, если делать их пустотелыми. Тогда средняя плотность объекта может оказаться меньше плотности воды, и корабль удержится на воде. Всё очень просто. Переместимся на две тысячи лет вперед от даты Архимедова триумфа и обнаружим, что стоимость стали теперь достаточно низка, чтобы строить корабли из нее. Современный морской торговый флот, перевозящий 90 % мировых товаров, почти полностью состоит из стальных судов.

Человеческое тело состоит из веществ разной плотности: кости, например, плотные, но есть ткани менее плотные, а кое-где имеются и пустоты. В целом наша плотность чуть меньше, чем у воды, поэтому мы можем плыть. Но если уравнять свою плотность с плотностью воды, навесив на себя что-нибудь тяжелое — например, металлический пояс, — можно добиться состояния нулевой плавучести, когда вы не будете ни погружаться, ни всплывать. Идеальный вариант для погружений с аквалангом. Когда вы под водой в состоянии с нулевой плавучестью, на вас не действует никакая суммарная сила; ничто не заставляет всплывать к поверхности, как и опускаться на дно океана. Человек в снаряжении аквалангиста, по сути, невесом в воде и может спокойно исследовать в глубине коралловые рифы и затонувшие корабли. Ощущения так похожи на космическую невесомость, что астронавты даже тренируются в бассейнах.

Без специального снаряжения человеческое тело всплывает. Но его плотность лишь чуть меньше плотности воды, и человеку приходится погружать в нее более 90 % тела, чтобы вытеснить достаточно воды для поддержания своего веса. У полных людей плавучесть выше, чем у худых: соотношение жира и костей делает их менее плотными. Мокрые гидрокостюмы тоже добавляют плавучести, поскольку покрывают тело заметным слоем материала, значительно менее плотного, чем вода. В море плавать немного проще, чем в бассейне, потому что в морской воде растворено немало минералов, таких как соль, она же хлорид натрия. Когда она растворяется в воде, натрий и хлор переходят в жидкость, разделяясь и втискиваясь между молекулами воды. Наличие этих атомов в воде делает ее плотнее, и вам не приходится вытеснять так много, чтобы скомпенсировать свой вес, как в пресном водоеме. А в воде ближневосточного Мертвого моря так много соли (в десять раз больше, чем в Атлантическом океане), что на его поверхности можно лежать и покачиваться, как утка.

Человек, лежащий на воде в Мертвом море

Если вы можете лежать на воде, то способны и плавать: это одно из величайших удовольствий в жизни. В воде вы не только невесомы, но и скользите, как танцор. Прямо под поверхностью лежит целый незнакомый мир. Забудьте о том, каких расходов требует экспедиция на Марс и как интересно заниматься поисками жизни на других планетах. Океаны — тоже во всех смыслах чужие для нас миры. Чтобы их посетить, достаточно надеть очки для плавания и сделать быстрое движение ногами, погружаясь в воду с головой. Постепенное скольжение вниз, в бирюзовые глубины кораллового рифа, — одно из самых чудесных впечатлений, которые вы можете получить в жизни. Рыбы вокруг настороженно смотрят на вас и, махнув хвостом, мастерски уходят с вашего пути. Плывя, вы вытягиваете вперед одну руку, а затем, двигая ее назад, заставляете воду вокруг себя двигаться достаточно быстро, чтобы не давать молекулам свободно расходиться; они натыкаются друг на друга и в результате действуют на вас с некоторой силой. Именно она толкает вас в противоположном направлении — вперед. В этом суть плавания: ваши руки и ноги постоянно отпихивают воду позади вас, тем самым подталкивая вас вперед. Это не просто увлекательно; вы становитесь другим человеком. Если на суше вы, возможно, двигаетесь неуклюже и медленно, то в воде можете вертеться и скользить, как дельфин. Вы свободны.

Я когда-то жил в Дублине в районе под названием Дун-Лэаре неподалеку от места для купания, известного как Форти-Фут, — скалистого мыса в Дублинской бухте, знаменитого тем, что Джеймс Джойс описал его в своем «Улиссе». Там уже несколько столетий действует клуб пловцов. Однажды зимой 1999 г. я остановился, проезжая мимо, и увидел там множество людей всех возрастов, преимущественно пожилых. Все они прыгали в море и совершали заплыв. Температура воздуха составляла, наверное, 12 °C, а море было еще холоднее — около 10 °C. Я надел теплую куртку, и все равно мне было зябко: свежий ветер с Ирландского моря трепал меня, а волны запрыгивали на бетонный мол. Но на берегу собрались пожилые люди, которым в других обстоятельствах врачи, наверное, посоветовали бы укутаться потеплее, и прыгали в ледяную воду. Я поговорил с несколькими участниками действа, когда они, искупавшись, обсушивались на берегу. Они были счастливы, улыбались и радовались. Их зубы стучали от холода, но сами они откровенно ликовали. Они рассказали мне, что плавают ежедневно круглый год, и в холодную погоду, и в теплую — хотя, как я обнаружил в свое время, когда работал там, в Ирландии редко бывает по-настоящему тепло.

Я решил присоединиться к ним и в тот же день купил шапочку для плавания. После этого я плавал возле Форти-Фут каждую неделю круглый год. Теперь я понимаю, что это один из тех аспектов жизни в Дублине, которых мне больше всего не хватает. Но почему мне это так нравилось?

Нырять в воду с температурой 10 °C не сказать чтобы очень приятно. По ощущениям это скорее напоминает пощечину. Дело здесь не в том, что вода запредельно холодная; но вы окружаете свою кожу водой, которая на добрых 25 °C холоднее ее самой. Молекулы воды уносят тепло. Но поскольку жидкости плотнее газов, с вашей кожей взаимодействует намного больше молекул в секунду, чем когда она открыта просто воздуху, и перенос тепла от нее тоже идет намного интенсивнее.

Автор после заплыва возле Форти-Фут в Дублине. Фото автора

Ощущения становятся более неприятными из-за еще одного свойства воды: теплоемкости. Когда ее молекулы подвергаются действию чего-нибудь горячего, они колеблются быстрее. Именно эти вибрации мы называем температурой. Чем быстрее они, тем горячее вода. Водородные связи, удерживающие молекулы вместе, сильно сопротивляются этой вибрации, и для того, чтобы повысить среднюю температуру литра воды хотя бы на один градус, требуется много тепла. Для сравнения скажем, что на нагрев воды уходит в десять раз больше энергии, чем на нагрев такой же массы меди. Именно поэтому на приготовление чашки чая требуется так много тепла. Этим же объясняется тот факт, что электрический чайник, как правило, оказывается самым энергоемким прибором на кухне. Но это лишь один из множества аспектов, в которых теплоемкость воды — самая высокая среди всех жидкостей, за исключением аммиака, — затрагивает нас. Именно она, в частности, позволяет океанам запасать много тепла, в результате чего их температура всегда запаздывает по отношению к температуре воздуха. Поэтому в солнечный день в Дублине воздух может прогреться, скажем, до 22 °C, а температура моря почти не изменится в сравнении со средней в 10 °C. Как ни печально, для ирландцев это означает, что море у них никогда по-настоящему не прогревается под летним солнцем, а вскоре приходит и зима, чтобы вновь его остудить. Но для нас как для биологического вида это серьезное преимущество: высокая теплоемкость океанов позволяет им поглощать значительную часть излишнего тепла, возникающего в результате климатических изменений. Океаны стабилизируют климат, согревая нас зимой и охлаждая летом.