Борис Тарасов - Паскаль
В истоках новой науки наблюдается вроде бы парадоксальный для ее существования факт. Перед лицом безличного и «анонимного» знания, ориентирующегося на экспериментально-количественные критерии, казалось бы, должны умолкнуть субъективно-индивидуалистические мотивы. Ведь какая разница для истины, если она вечна и объективна, кто первым открыл ее, Декарт или Паскаль, Лейбниц или Ньютон? Перед истиной, если она действительно вечна и объективна и, следовательно, поглощает индивидуалистические различия, умолкает горделивое стремление к первенству, к выделению из ряда себе подобных. В реальности же нередко случалось так, что дискуссии ученых, вызванные этим горделивым стремлением, балансировали на грани склоки и взаимных оскорблений. Вероятно, все дело в том, что здесь свою роль играет невидимый на поверхности первоначальный импульс научного творчества. В этой связи небезынтересно будет заметить, что известный французский мыслитель и поэт XX века Поль Валери характеризовал методологию «философского эготиста» Декарта, «единственным Богом которого было его собственное Я», как «пробуждение гордости и смелости разума», как «волю к могуществу».
15
В 1651 — 1653 годах Блез продолжал работать над обобщением и объяснением полученных им результатов. Опыт на Пюи-де-Дом был назван «великим экспериментом равновесия жидкостей», хотя основная суть его заключалась в проверке давления воздуха. Дело в том, писал Паскаль, что следствия, вызываемые давлением воздуха, являются лишь частным случаем общего положения о равновесии жидкостей и давлении внутри них. Паскаль устанавливает очень важный принцип, отождествляющий явления, связанные с атмосферным давлением и давлением жидкости. Исследования, обусловленные опытом Торричелли, естественно привели его к гидростатике. От отдельного эксперимента Блез перешел к целому разделу физики: продолжая начатое Архимедом, Стевином, Галилеем, он построил строгую логическую систему основополагающих принципов гидростатики.
Для характеристики вклада Паскаля в гидростатику важно подчеркнуть достижения, сделанные в этой области Стевином и Галилеем. Стевину, как пишет А. Н. Долгов в «Кратком очерке истории гидростатики», «удалось в весьма ясной и доказательной форме установить законы давления жидкости на дно и боковые стенки сосуда и дать обоснование закону равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах...». Однако Стевин «не усмотрел, что закон давления жидкости на стенки включает свойства плавающих или погруженных тел; он сначала установил эти свойства прямым путем, не связывая их с фундаментальным законом гидростатики и не связывая последний с принципом статики». Галилей дополнил исследования Стевина и связал свойства плавающих тел и давления жидкостей с общими законами статики, использовав принцип возможных перемещений (принцип возможных перемещений — один из основных принципов механики, устанавливающий общее условие равновесия механической системы: для равновесия механической системы необходимо, чтобы сумма работ всех приложенных к системе сил на любом из возможных перемещений системы была равна нулю). Но, по словам известного французского историка науки Дюгема, Галилей не извлек из общих законов равновесия «величину давления, оказываемого жидкостью на стенки содержащего ее сосуда».
Паскаль систематизировал результаты своих предшественников и обогатил гидростатику рядом оригинальных доказательств и положений. В 1653 году он написал (опубликованный лишь посмертно в 1663 году) «Трактат о равновесии жидкостей», в котором подходил к установлению закона распределения давления в жидкостям следующим образом: если прикрепить к стене несколько сосудов разной формы (обычный, наклонный, узкий, широкий и т. д.) с одинаковыми отверстиями на их дне и наполнить эти сосуды водой до одной высоты, то давление воды на дно будет во всех сосудах одинаковым, и для удержания пробок необходима равная сила, несмотря на разное количество и вес воды в сосудах. Причина явления состоит в том, что «вода имеет одинаковую высоту во всех сосудах, и мерой указанной силы является вес воды, содержащейся в первом сосуде, однородном по своей форме. И если это количество воды весит сто фунтов, то нужна сила в сто фунтов, чтобы удержать каждую из пробок, даже и у пятого сосуда, хотя вода, заключенная в нем, не весит и одной унции».
Для проверки данного утверждения Паскаль проводит очень эффектный опыт, поражавший его современников и до сих пор удивляющий как детей, так и взрослых. Он закрывает отверстие пятого сосуда соответствующим куском дерева, «обернутым прядью, как поршень насоса» (поршень входит в отверстие и проходит через него, не застревая и в то же время не препятствуя выходу воды). Затем к середине поршня прикрепляется нитка, которая проходит через узкую трубку и привязывается к одному плечу коромысла весов (на другое плечо вешается груз в сто фунтов). «Тогда мы увидим полное равновесие этого груза в сто фунтов с водой в узкой трубке, которая весит одну унцию. Если же хоть немного уменьшить груз в сто фунтов, то вода опустит поршень, а следовательно, и то плечо коромысла весов, к которому он прикреплен, и поднимет то, на котором висит груз немного менее ста фунтов. Если же эта вода замерзнет, а лед не пристынет к сосуду, то, чтобы удержать его в равновесии, достаточно будет иметь на другом плече коромысла весов всего лишь одну унцию. Если же приблизить к сосуду огонь и растопить лед, то понадобятся уже сто фунтов, чтобы Уравновесить тяжесть этого льда, расплавленного в воду, хотя мы располагаем всего только одной унцией ее».
То же самое, писал Паскаль, наблюдается и тогда, когда отверстия, закрываемые пробками, находятся сбоку или в верхней части сосуда. При повышении или понижении уровня воды сила, действующая на пробку, соответственно пропорционально увеличивается или уменьшается. «Отсюда видно, — подытоживал Блез первую главу, — что сила, нужная для того, чтобы воспрепятствовать воде вытекать из отверстия, пропорциональна высоте стояния воды, а не ширине сосуда, и что мерой этой силы всегда является вес воды, заключающейся в колонке ее, с высотой, равной высоте стояния воды, и основанием, равным величине отверстия. То, что я сказал о воде, относится и ко всем другим видам жидкостей».
Во второй главе трактата, названной «Почему жидкости имеют вес, соответствующий высоте их стояния», Паскаль стремится более всесторонне объяснить приводимые им примеры и показать причину того, как «тонкий столбик воды может удерживать в равновесии большой груз». Если, писал он, наполненный водой сосуд имеет два отверстия (одно из них в сто раз больше другого), закрытые точно пригнанными поршнями, то один человек, давящий на малый поршень, уравновешивает силу ста человек, давящих на большой поршень. Поэтому силы, приложенные к поршням, будут всегда уравновешивать друг друга, если они будут относиться между собой, как площади этих поршней или закрываемых ими отверстий. «Отсюда следует, что сосуд, наполненный водою, является новым принципом механики и новой машиной для увеличения сил в желаемой степени, потому что с помощью этого средства человек сможет поднять любую предложенную ему тяжесть». Так оформилась идея гидравлического пресса.
Постепенно переходя ко все большим обобщениям, Паскаль связал действие этой новой гидравлической машины, предназначенной для увеличения сил, с законами, проявляющимися в работе известных машин и механизмов и с общемеханическим принципом возможных перемещений. «Надо признать, — писал он, — что в этой новой машине проявляется тот же постоянный закон, который наблюдается и во всех прежних, как-то: рычаге, блоке, бесконечном винте и т. д., и который заключается в том, что путь увеличивается в той же пропорции, как и сила. Ибо очевидно, что если одно из этих отверстий в сто раз больше другого, то человек, давящий на малый поршень и опускающий его на дюйм, вытолкнет другой поршень лишь на одну сотую часть дюйма. В самом деле, этот толчок происходит вследствие непрерывности воды, соединяющей один поршень с другим и обусловливающей то, что один поршень не может двигаться, не толкая другого; поэтому, когда малый поршень продвинется на один дюйм, то вода, которую он вытеснит, встретит, толкая другой поршень, отверстие в сто раз большее и займет по высоте лишь сотую часть дюйма. Таким образом, путь относится к пути, как сила к силе».
В результате своих исследований и обобщений Паскаль установил один из основных законов гидростатики, который носит его имя и заключается в том, что при действии поверхностных сил давление во всех точках внутри жидкости одинаково. Этот закон вот уже три столетия известен каждому человеку, знакомому со школьным учебником элементарной физики. «Трактат о равновесии жидкостей» по ясности изложения, способу постановки и убедительности приводимых опытов является классическим среди физических сочинений XVII века. С этим трактатом, пишет известный французский философ Бруншвиг, «гидростатика достигает самой высокой степени совершенства, на которую может претендовать в науке точный разум».
