Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

В этой главе мы рассмотрели, как устроено вещество, предполагая, что составляющие его атомы являются притягивающимися друг к другу твердыми шариками, что должно бы обеспечить их компактную упаковку. Оказалось, что это предположение может совершенно не соответствовать истине, а кристаллический или аморфный материал часто совсем не компактен. Когда Кеплер хотел объяснить форму кристаллов снега, предполагая существование компактной упаковки, он был весьма далек от истины! На самом деле структура льда в атомном масштабе похожа на структуру двуокиси кремния (илл. 10), где кремний заменен кислородом, а кислород – водородом. Каждая молекула воды, как правило, окружена четырьмя другими такими же молекулами, подобно тому как атомы кремния в кремнеземе, как правило, окружены четырьмя атомами кислорода. Таким образом, как структура двуокиси кремния, так и структура льда далеко не компактны, вопреки предположению Кеплера. Тем не менее благодаря этой ошибочной гипотезе великого ученого другие исследователи, такие как Роберт Гук (1635–1703) и Михаил Ломоносов (1711–1765), в дальнейшем продолжили идти по непростому пути познания и продвинули физику далеко вперед. Прогресс часто строится на ошибках, которые ученые пытаются исправить с течением времени.

Читатель, вероятно, осознает, сколь важное значение физика имеет в современном мире: используемые нами гаджеты становятся все более сложными и разнообразными и потребляют все большее количество энергии. Но, быть может, он редко замечает присутствие физики во многих явлениях повседневной жизни, например во время еды. Почему пастис [9] Пастис (Pastis) – французская настойка на спирте крепостью 38–45 %, в состав которой входят анис и лакрица. – Прим. ред. становится непрозрачным, когда его смешивают с водой? Откуда берутся пузырьки, устремляющиеся на волю при открытии бутылки игристого вина? Почему хрустальный бокал поет, если по нему провести пальцем? Ответы на эти и многие другие вопросы вы найдете в этой части.

Путешествуя поездом, мы узнаем, что скачок давления, который ощущают пассажиры при прохождении поезда через туннель, объясняется явлением, открытым швейцарским ученым в XVIII веке. Как вы думаете, это давление избыточное или, наоборот, пониженное? Ответ вы найдете на следующих страницах…

Что общего между поездом, который въезжает в туннель, и потоком жидкости в сужающейся трубе? Ответ – зависимость давления в среде от скорости, неважно – поезда в туннеле или жидкости в трубке. Учение о динамике жидкостей и газов, которое появилось в XVIII веке, в том числе благодаря трудам Даниила Бернулли, находит множество примеров применения в нашей повседневной жизни.

Много лет назад, когда еще не было сверхскоростных поездов, вместе с другими физиками мы отправились из Парижа в Лион на скором поезде (илл. 1). Спустя полчаса с момента, как мы покинули станцию, поезд внезапно вошел в туннель. В момент вхождения в туннель все почувствовали неприятное ощущение в ушах – такое бывает, когда мы быстро спускаемся с горы.

– Казалось бы, в поезде мы должны быть защищены от воздействия избыточного давления, – отметил Пол, исследователь Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН).

– Это не избыточное давление, – поправил его сидящий напротив коллега, – а, наоборот, область пониженного давления.

Мы были обескуражены. Разве поезд, двигаясь по туннелю, не сжимает воздух перед собой? Наш коллега удивился, что мы забыли об открытиях, сделанных швейцарским ученым Бернулли в XVIII веке, и вкратце напомнил, о чем речь. В 1738 году Бернулли опубликовал книгу «Гидродинамика», в которой представил фундаментальные законы движения жидкостей. Уточним, что речь идет о Данииле Бернулли (1700–1782), так как и другие члены этой семьи проявили себя в различных областях науки (его дядя Якоб и отец Иоганн также известны своими работами по математике и физике). По забавному совпадению, нашего эксперта по гидродинамике, который устроил для нас это импровизированное занятие, звали очень похоже – Дэниелом.

1. Въезд скорого поезда в туннель сопровождается неприятным ощущением в ушах пассажиров, которое вызвано понижением давления воздуха в вагоне