Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

Скажем, вы весите 70 килограммов и стоите на льду обеими ногами. Если площадь двух ваших ступней около 500 квадратных сантиметров (0,05 квадратного метра), сила вашего давления на квадратный метр составляет 70/0,05 килограмма, или 1400 килограммов на квадратный метр. А если вы поднимете одну ногу, давление вырастет в два раза, до 2800 килограммов на квадратный метр. Если ваш рост, как и мой, около 180 сантиметров и вы ложитесь на лед, что происходит? Вы распределяете 70 килограммов примерно на 8 тысяч квадратных сантиметров, или около 0,8 квадратного метра, и тогда ваше тело давит на каждый квадратный метр всего 87,5 килограмма, то есть примерно в 32 раза меньше, чем когда вы стоите на одной ноге. Чем больше площадь, тем меньше давление, и наоборот: чем меньше площадь, тем давление больше. Так что в случае с давлением тоже многое противоречит здравому смыслу.

Например, у давления нет направления. Но сила, прилагаемая в результате давления, его имеет; она перпендикулярна поверхности, на которую воздействует давление. Теперь вытяните руку (ладонью вверх) и подумайте о силе, действующей на нее, – на сей раз без всяких труб. Площадь моей ладони около 150 квадратных сантиметров, следовательно, на нее давит сила около 150 килограммов. Тогда почему я без труда держу ее на весу? В конце концов, я же не тяжелоатлет. На самом деле, если бы это была единственная действующая на вас сила, вы ни за что не удержали бы такой вес на своей ладони. Но есть и другие силы. Поскольку давление, оказываемое воздухом, окружает нас со всех сторон, существует также сила в 150 килограммов, направленная вверх и давящая на тыльную сторону вашей ладони. Таким образом, результирующая сила, прилагаемая к ней, равна нулю.

Но почему же рука не ломается под столь сильным давлением? Очевидно, что кости в ней более чем достаточно прочны, чтобы она не ломалась. Возьмите кусок дерева размером с вашу ладонь; его, конечно же, атмосферное давление не раздавит.

А как насчет грудной клетки? Площадь моей груди около тысячи квадратных сантиметров. Таким образом, результирующая сила, действующая на нее из-за давления воздуха, составляет около тысячи килограммов, то есть одну тонну. Результирующая сила, давящая на мою спину, тоже около тонны. Так почему же мои легкие до сих пор не раздавлены? Это объясняется тем, что давление воздуха внутри легких также составляет одну атмосферу; стало быть, нет никакой разницы между ним и давлением воздуха, давящего на грудь снаружи. Вот почему я дышу без малейшего труда. Возьмите картонную, деревянную или металлическую коробку, приблизительно аналогичную размеру вашей грудной клетки, и закройте ее. Воздух внутри коробки – тот, который вы вдыхаете; его давление составляет одну атмосферу. Коробка не мнется и не ломается по той же причине, что и ваши легкие. Дома не разрушаются от атмосферного давления, потому что давление воздуха внутри них такое же, как снаружи; в физике это называется равновесным давлением. Ситуация была бы иной, если бы давление воздуха внутри коробки (или дома) было значительно ниже одной атмосферы; скорее всего, она бы смялась или сломалась, как я не раз демонстрировал в аудитории, но об этом я расскажу чуть позже.

Тот факт, что мы обычно не замечаем давления воздуха, отнюдь не означает, что для нас это неважно. В конце концов, в прогнозах погоды постоянно говорят то о низком, то о высоком давлении. И все мы знаем, что высокое давление, как правило, приносит хорошие ясные дни, а низкое обычно означает приближение грозового фронта. Очевидно, что умение измерять давление воздуха нам очень бы пригодилось, но как это сделать, если мы его не чувствуем? Вы, конечно, в курсе, что это делается с помощью барометра, однако это, по сути, мало что объясняет.

Давайте начнем с небольшого трюка, который вы, вероятно, проделывали десятки раз. Если поместить соломинку в стакан с водой или – как я ради наглядности делаю в аудитории – в красный клюквенный сок, то она заполнится жидкостью. Если затем зажать верхнее отверстие соломинки пальцем и начать вынимать ее из стакана, сок останется внутри; это действительно выглядит почти как волшебство. Почему так происходит? Объяснить данное явление вовсе не просто.

Для этого (что также поможет разобраться и в принципе работы барометра) нужно понять, что представляет собой давление в жидкости. Давление, оказываемое исключительно жидкостью, называется гидростатическим (термин «гидростатический» происходит от латинского словосочетания, которое дословно переводится как «жидкость в состоянии покоя»). Обратите внимание, что результирующее давление ниже поверхности жидкости, скажем, в океане, представляет собой сумму атмосферного давления над поверхностью (как в случае с протянутой ладонью) и гидростатического давления. А теперь основной принцип: в любой жидкости в состоянии покоя давление на одном уровне одинаково. Таким образом, давление в горизонтальных плоскостях везде одинаково.

Иными словами, если вы находитесь в бассейне и держите руку на метр ниже его поверхности в мелкой части, полное (результирующее) давление на нее, которое является суммой атмосферного (1 атмосфера) и гидростатического давления, будет идентично давлению на ладонь вашего друга, который вытянет ее в метре от поверхности, но в глубокой части бассейна. Но если вы опустите руку до двух метров от поверхности, гидростатическое давление на нее возрастет в два раза. Чем больше жидкости находится выше заданного уровня, тем сильнее гидростатическое давление на этом уровне.

Кстати, этот же принцип подходит и для измерения давления воздуха. Иногда мы говорим о земной атмосфере как о воздушном океане, на дне которого, то есть на большей части поверхности Земли, давление составляет приблизительно одну атмосферу. Но если мы заберемся на вершину очень высокой горы, воздуха над нами будет меньше и атмосферное давление тоже будет меньше. На вершине горы Эверест, например, оно не превышает трети одной атмосферы.

Далее, если по какой-то причине давление в горизонтальной плоскости неодинаково, жидкость будет течь до тех пор, пока оно не выровняется. Опять же, с воздухом происходит то же самое, и нам этот эффект знаком как ветер, который есть следствие движения воздуха из зоны высокого давления в зону низкого давления, чтобы выровнять разницу давлений; ветер прекращается, когда давление выравнивается.

Так что же происходит с соломинкой? Когда вы опускаете ее в жидкость – с незажатым верхним концом, – жидкость поступает в нее до тех пор, пока ее поверхность не достигнет того же уровня, что и поверхность жидкости в стакане снаружи соломинки. В результате давление на обеих поверхностях становится одинаковым: одна атмосфера.