Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Ныне она не применяется в физике, где была вытеснена паскалем и баром. Если до конца соблюдать точность, то вместо бара используется его производная — миллибар (мбар), представляющий 1/1000 бара. Один миллибар приближенно равен нормальному атмосферному давлению, а именно 750 мм рт. ст.
Паскаль (Па) принят Международной системой единиц и равен 0,01 мбара. Сейчас миллиметры ртутного столба применяются только метеорологами.
Сегодня известны физические причины, вызывающие давление воздушного столба. Всякое давление газа есть результат ударов его частиц (молекул) об окружающие тела. Газовые частицы непрерывно движутся на большой скорости, оттого их суммарные удары о какую-то поверхность приводят к тому же эффекту, как если бы на эту поверхность давило какое-то твердое тело. Главным условием давления является ограниченность объема. Если газ ничем не ограничен, то он разлетается в мировом пространстве, хаотически рассеивается и теряет возможность оказывать давление.
Иначе обстоит дело на космических кораблях, которые представляют собой замкнутое пространство. Не так давно, незадолго до начала космической эры, некоторые ученые спорили, будет ли воздух на борту космического корабля иметь давление. Ответ на этот вопрос очевиден сам по себе и подтвержден в настоящее время многократными космическими полетами. Замкнутое пространство поддерживает давление воздуха на космическом корабле. Молекулы постоянно ударяются о стенки и не разлетаются.
Давление планетной атмосферы весьма своеобразно, поскольку воздушная оболочка имеет лишь одну границу — нижнюю, т. е. поверхность планеты (Земли). Верхней границы для земного воздуха не существует, поскольку за пределами атмосферы начинается космическое пространство. В силу этой причины наша планета через 3 млрд лет утратит свою газовую оболочку. Атмосфера полностью улетучится в космос. Сейчас же она удерживается за счет сил гравитации.
Покинуть гравитационное поле Земли можно лишь на скорости 7,9 км/с, а большинство молекул не способны развить такую скорость. Они чересчур медлительны, а потому не могут улететь в космос, но парят над земной поверхностью, образуя воздушный слой. Естественно, парить постоянно под действием притяжения медленные молекулы не могут. И они периодически падают на земную поверхность и находящиеся на ней тела. Поскольку число частиц воздуха очень велико и достигает 27 на 1024 частиц на 1 м3, то на нас непрестанно обрушивается град молекул. Этот град создает вес воздуха, а попутно и атмосферное давление на земную поверхность.
Таким образом, давление воздуха по своей природе тесно связано с весом. Но разница между этими силами есть. Давление воздуха направлено равномерно во все стороны, потому что он, будучи газом, стремится разлететься во всех направлениях. Вот почему давление действует на тела на дне воздушного океана со всех сторон.
А вот вес по своему действию сонаправлен с силой земного притяжения. Причина столь тесной взаимосвязи между двумя разными силами коренится в том, что гравитация создает ограничение для разлета газовых молекул атмосферы, заменяя собой отсутствующую стенку «сосуда», в который заключен воздух. А если есть стенка, пусть и ненастоящая, то получается замкнутое пространство, в котором воздух обладает давлением.
Величина атмосферного давления, приходящегося на тело человека, составляет 200 кН (килоньютон). Получается, что воздушный столб давит на нас с силой 20 т! Обычно в некоторых учебниках или популярных книгах, особенно устаревших, подчеркивается, что человек «адаптировался» к столь чудовищному давлению и не замечает его. Давления этого мы действительно не замечаем, но совсем по другим причинам. Адаптироваться к жизни под прессом, увы, невозможно.
Атмосферное давление не причиняет нам ни малейшего вреда лишь потому, что само себя компенсирует, а также компенсируется внутренним давлением организма. Вспомним, что площадь человеческого тела равняется 2 м2. Стоит разбить 20 т на эту солидную площадь, как получится сравнительно скромная величина — 10 г/мм2. Полученное нами значение является физической постоянной — нормальным атмосферным давлением. Оно, как видно, невелико.
Нельзя забывать и о том, что воздух давит на человека со всех сторон, а не только сверху. Оттого спинной хребет не претерпевает никаких существенных нагрузок. Нижняя и верхняя половины тела придавливаются друг к другу с одинаковой силой, равной 5 кН, т. е. 500 кг. Но и опять внутренние органы не расплющиваются. Они спокойно переносят фантастические нагрузки, поскольку площадь соприкосновения половин тела насчитывает 1000 см2, а потому давление остается прежним по значению — 10 г/мм2.
Кроме того, внутреннее давление человеческого тела компенсирует наружное сдавливание. Впрочем, происходит так не всегда. Например, в суставах давление в сравнении с атмосферным ничтожно. В результате головки костей прочно держатся в суставных впадинах: они туда вдавливаются силой атмосферы. Хитрое устройство, изобретенное природой, защищает нас от вывихов. Удержать суставы столь крепко сцепленными и при этом подвижными каким-либо другим способом не удалось бы.
Страшно представить, что случилось бы с человеком, имей мы другое анатомическое строение. Каждому из нас доводилось брать со стола различные предметы — книги, листы бумаги, деловые папки и т. д. Эти предметы плотно прилегают к крышке стола, поэтому любой скажет, что между поверхностью стола и лежащей на ней книгой, например, ничего нет. Оба объекта тесно соприкасаются. Физик обязательно оспорит положение. Он знает, что поверхности тел неровные, а потому между столом и книгой всегда есть прослойка воздуха.
Полностью устранить эту прослойку невозможно, т. к. предельно выровнять поверхность стола или книги не получится. Но это даже к лучшему. На книгу обычного формата действует давление воздуха с силой около 28 кг. Разумеется, мы этого давления не замечаем, т. к. оно уравновешивается противодавлением тонкого воздушного слоя, находящегося под книгой и отделяющего ее от стола. Если хотя бы значительно сократить его толщину, то человеку придется в буквальном смысле слова отрывать книгу от стола, прилагая физическую силу, как если бы речь шла о поднятии груза в 20–25 кг. Естественно, книгу поднять получится, но она будет сильно изорвана.
Известен и более наглядный пример. В старых учебниках по физике, как школьных, так и университетских, по традиции непременно помещали классический рисунок магдебургского опыта. Шестнадцать лошадей пытаются разнять два полушария, надежно скрепленных давлением воздуха. Автор эксперимента — просвещенный бургомистр О. фон Герике, знаменитый изобретатель воздушного насоса. Этот человек, прозванный современниками «германским Галилеем», одним из первых поверил в существование воздушного давления и реально оценил фантастическую мощь последнего.
Всего бургомистр провел множество самых разнообразных опытов, как тогда говорили, «над безвоздушным пространством». Но эксперимент с двумя упряжками лошадей вошел в историю, поскольку стал настоящим событием в науке. Он проводился 8 мая 1654 г. в чрезвычайно торжественной обстановке. Политическая ситуация в Германии и Европе в целом в ту пору была крайне нестабильной, однако на удивительное зрелище съехались многие князья и сам император.
Не все знают, где конкретно проходил этот эксперимент. Нередко доводится встречать ошибочное заключение, будто бы событие имело место в городе Магдебурге. Герике был бургомистром Регенсбурга, в истории которого магдебургские опыты стали самым знаменательным событием. К слову, не так давно, в середине 1980-х гг., местные власти, обеспокоенные тем, что городок почти никто не посещает, решили периодически устраивать для привлечения гостей эксперимент с полушариями и лошадьми. В те времена опыты также носили характер рекламы, но на сей раз это была реклама научного открытия, которое могло пройти незамеченным. Медные полушария названы магдебургскими в честь города, в котором были изготовлены.
Сам фон Герике описал свои эксперименты в книге «Так называемые новые магдебургские опыты над безвоздушным пространством…», вышедшей в Амстердаме в 1672 г. Опыт с лошадьми изложен в главе XXIII. Герике сообщает о том, как по его заказу изготовили медные полушария диаметром 36,9 см, к которым были прикреплены 4 кольца для продевания канатов от упряжки. Одно из полушарий было снабжено краном для откачки воздуха.
Фон Герике пишет следующее: «В кран вставлена была трубка воздушного насоса, и был удален воздух внутри шара. Тогда обнаружилось, с какою силою оба полушария придавливались друг к другу через кожаное кольцо. Давление наружного воздуха прижимало их так крепко, что 16 лошадей рывком совсем не могли их разнять…». В строгом смысле слова, к полушариям была приложена сила только 8 лошадей, а противоположная упряжка создавала противодействие. С тем же успехом можно было бы закрепить полушария на стене каменного дома и заставить восьмерку лошадей тянуть их в направлении от стены.
