Фрадкин Захарович - Белые пятна безбрежного океана

Рис. 1. Гидростатический парадокс. а - вес гири соответствует силе давления воды на дно (G = P); б - вес гири в 3 раза больше силы давления воды на дно (чашку весов), но равновесие сохраняется (G = 3P); в - вес гири в 2 раза меньше силы давления воды на дно (чашку весов) - равновесие по-прежнему сохраняется (G = 0,5P)

Не дрогнувший перед инквизицией, талантливый мыслитель и экспериментатор отступил перед неразрешимыми загадками заурядного вещества - воды. Вода оказалась для него самым непостижимым объектом исследований.

Ему всю жизнь не везло. В детстве необъяснимый недуг едва не оборвал его жизнь. Судьба пощадила его, но ненадолго. В юности внезапный паралич сделал его калекой - ноги отказывались служить, он едва мог передвигаться. Но тем неизмеримее его подвиг в науке. Преодолевая физические страдания, он трудился с упорством, с упоением, свойственными лишь гениальному мыслителю,

В 16 лет Блез Паскаль стал не менее известным математиком, чем такие его современники, как Ферма и Декарт. В 18 лет он изобрел счетную машину - предшественницу арифмометра и прабабушку ЭВМ.

Пришло время, когда он вторгся в ту область познания, в которой потерпел неудачу великий Галилей. Он начал с несоответствия между величинами массы налитой в сосуд воды и силой, с которой эта масса давит на дно. Желая получить наглядное доказательство "гидростатического парадокса", Паскаль выполняет опыт, получивший название "бочки Паскаля".

По его указаниям крепкую дубовую бочку до краев наполнили водой и наглухо закрыли крышкой. В небольшое отверстие в крышке заделали конец вертикальной стеклянной трубки такой длины, что конец ее оказался на уровне второго этажа.

Выйдя на балкон, Паскаль принялся наполнять трубку водой (рис. 2). Не успел он вылить и десятка стаканов, как вдруг, к изумлению обступивших бочку зевак, бочка с треском лопнула. Ее разорвала непонятная сила.

Рис. 2. Исторический опыт Блеза Паскаля с бочкой

Паскаль убеждается: да, сила, разорвавшая бочку, вовсе не зависит от количества воды в трубке. Все дело в высоте, до которой трубка была заполнена. Далее проявляется удивительное свойство воды - передавать давление, созданное на ее поверхности (в бочке) по всему объему, каждой точке стенки или дна бочки.

Так он приходит к открытию закона, получившего его имя, имя Блеза Паскаля: "Давление, приложенное к поверхности жидкости, передается каждой ее частице без изменения своей первоначальной величины".

На поверхности воды в бочке под крышкой это давление Р = ρgh, где ρ - плотность воды; g - ускорение свободного падения; h - высота столба воды в трубке. Помножив полученное давление на площадь диаметрального сечения бочки (S = DH), мы получим ту силу, которая сокрушила ее прочные дубовые стенки:

P= ρg(h+H/2)(DH)

Если принять высоту воды в трубке 4 м (балкон второго этажа), диаметр бочки 0,8 м и высоту бочки 0,8 м, то как бы ни было мало количество воды в трубке, сила, разрывающая бочку, составит 27,6 кН.

Уже опираясь на открытый им закон, Паскаль получает следствие: "Если полный сосуд, закрытый со всех сторон, имеет два отверстия, одно из которых в 100 раз больше другого, то, помещая в каждое отверстие поршень, соответствующий этому отверстию, человек, нажимающий на малый поршень, будет создавать усилие, равное усилию 100 человек, нажимающих на поршень, по площади в 100 раз больший". Таким образом, Паскаль обосновал возможность получения сколь угодно больших усилий из сколь угодно малых с помощью жидкости. Трудно переоценить значение этого следствия для современного машиностроения. Оно привело к созданию суперпрессов с давлением в (65-75)*10 7Па. Оно легло в основу гидравлического привода, который в свою очередь обусловил появление гидроавтоматики, управляющей современными реактивными лайнерами, космическими кораблями, станками с программным управлением, могучими самосвалами, горными комбайнами, экскаваторами...

А что же сам Паскаль? Предвидел ли он, что его закон ознаменует целую эпоху в техническом прогрессе?

Неожиданно Паскаль прекратил всякую исследовательскую деятельность и, покинув Париж, поселился в келье монастыря Пор-Роял. Он оборвал все связи с людьми науки, отрекся от всего, что еще вчера составляло смысл его существования и полностью посвятил себя религии. Если великого Галилея даже самые жестокие пытки в застенках инквизиции не заставили изменить науке, то Паскаль сделал это сам, без всякого на то принуждения.

Дни свои он закончил облаченным во власяницу с библией на коленях. Он умервщлял свою плоть, дабы замолить самый страшный, с течки зрения религии, грех - любознательность, страсть к познанию. И умер, когда ему было всего 39 лет.

Но почему он отрекся? Может быть, испугался своих воистину антибожественных открытий, сулящих миру такое могущество, в сравнении с которым меркло могущество божественное, или ему не хватило того единственного шага от незнания к знанию, который сумел сделать Архимед, и который позволил бы ему раскрыть парадоксальные свойства воды. В яркой летописи истории науки трагедия Блеза Паскаля стала единственным темным пятом.

На 3/4 поверхность нашей планеты покрыта океаном. Объем воды, находящейся в океанах, составляет 1370 млн. км 3. В ледниках (включая и ледники Антарктиды) заморожено около 25 млн. км3 воды. Если бы все льды на Земле растаяли, уровень океана повысился бы на 65-70 м, и немало суши оказалось бы погруженной в морские пучины. Если учесть еще воду в озерах и реках, то общий запас ее на поверхности нашей планеты составит 1455 млн. км 3.

Однако самым вместительным хранилищем воды являются недра Земли. В коре Земли воды столько же, сколько и в Мировом океане (1,3 млрд. км 3), а в мантии в 10-12 раз больше (примерно 13-15 млрд. км3). Правда, основная масса этой глубинной воды физически и химически связана, но под влиянием пока неизвестных науке причин идет непрерывный процесс разрушения этих связей. Освобожденная вода становится неиссякаемым резервом наземных и подземных океанов.

На этот счет имеется несколько гипотез.

Первая гипотезаисходит из "горячего" происхождения Земли. Считается, что некогда Земля была расплавленным огненным шаром, который, излучая тепло в пространство, постепенно остывал. Появилась первородная кора, возникли химические соединения элементов и среди них соединение водорода с кислородом, или, проще говоря, вода.

Пространство вокруг Земли все более заполнялось газами, которые непрерывно извергались из трещин остывающей коры. По мере охлаждения пары образовывали облачный покров, плотно окутавший нашу планету. Когда температура в газовой оболочке упала настолько, что влага, содержащаяся в облаках, превратилась в воду, пролились первые дожди. Тысячелетие за тысячелетием низвергались дожди. Они-то и стали тем источником воды, которая постепенно заполнила океанические впадины и образовала Мировой океан.