Елен Черскі - Буря в склянці води. Захоплива фізика повсякденного життя

Там, на високому плоскогір’ї, пустельне повітря охололо, стало щільнішим і сповзало схилами, як ті вітри, на які Скотт наразився в Антарктиді. Але до лісових пожеж спричинилася не лишень сухість повітря, але й також його гарячість. А чому б повітрю ставати щораз гарячішим, коли воно спускалося з пагорбів? Звідки взялася енергія? І тут знов діє закон ідеального газу – повітря мало визначену масу й рухалося настільки швидко, що не встигало обмінятися енергією зі своїм оточенням. Коли потік щільного повітря ринув униз схилами, атмосфера в підніжжі пагорбів почала напирати на нього, бо там тиск вищий. А напирання чогось на щось – це завжди передавання енергії від чогось отому «щось». Можна уявити собі, як окремі молекули повітря вдаряються об стінки повітряної кулі, що рухаються в їхньому напрямку. Після зіткнення вони рухаються з більшою енергією, бо відбилися від рухомої поверхні. Об’єм повітря у вітрі Санта-Анна зменшується, бо він стискається під впливом довколишньої атмосфери. І стискання надає молекулам, що переміщаються, додаткової енергії, тому й температура вітру збільшується. Таке явище називається адіабатичним процесом. Щороку, коли приходить вітер Санта-Анна, усі в Каліфорнії уважно пильнують, щоб десь не залишити непогашене джерело відкритого вогню. По кількох днях вітру, коли спекотне, сухе повітря висушить усю вологу з довкілля, для виникнення лісової пожежі вистачить навіть іскри. І тепло надходить не лише від каліфорнійського сонця, але також є результатом додаткової енергії, отриманої молекулами мірою їхнього стискання під дією щільнішого повітря ближче до океану. Усе, що змінює середню швидкість молекул повітря, змінює температуру.

Те саме, тільки навпаки, відбувається, коли порскати збитими вершками з банки. Повітря, що виходить із вершків, раптом розширяється і розштовхує навколишнє середовище, тому віддає свою енергію й охолоджується. Ось чому випускний отвір балона вершків на дотик стає холодним – газ, що виходить крізь нього, у навколишній атмосфері віддає свою енергію. У банці залишається менше енергії, тому вона й стає на дотик холодною.

Повітряний тиск – це тільки міра того, як сильно всі ці крихітні молекули стукають об поверхню. Звичайно, ми його не дуже помічаємо, бо такий самий вплив чиниться з обох боків, – коли тримаємо в повітрі аркуш паперу, то він не рухається, бо натиск відбувається з обох боків. Усі ми весь час зазнаємо натиску повітря, але цього майже не помічаємо. І людям знадобилося чимало часу, щоб визначити, наскільки сильним є такий натиск. А коли відповідь стала відомою, виявилося, що вона направду приголомшлива. Величину відкриття легко було оцінити з огляду на дуже пам’ятну демонстрацію. Нечасто важливий науковий експеримент постає у формі театрального дійства, але демонстрація цього експерименту мала усі необхідні складові: коні, тривожне очікування, дивовижний результат, та й ще за всім спостерігав імператор.

Складність демонстрації того, наскільки сильним є тиск повітря на якусь річ, полягає в тому, що потрібно із другого боку тієї речі забрати все повітря, залишивши там тільки вакуум. У IV сторіччі до нашої ери Аристотель оголосив, що «природа не переносить вакууму», і такий погляд залишався панівним упродовж тисячі років. Створення вакууму видавалося неможливим. Але близько 1650 року Отто фон Ґеріке винайшов поршневу помпу. Замість того щоб писати про свій винахід якийсь технічний звіт, про який дуже швидко забули б, він обрав інший шлях – показати відкриття, перетворивши його на видовище [5] Таке перетворення тепер не вітається в науці. ( Прим. авт. ) . Допомогло йому, певно, те, що він був відомими політиком і дипломатом, тому мав дружні стосунки з тогочасними правителями.

Восьмого травня 1654 року Фердинанд ІІІ, імператор Священної Римської імперії і володар великої частини Європи, приєднався до придворних під рейхстаґом у Баварії. Отто приніс порожнисту товстостінну мідну кулю, що мала 50 сантиметрів у діаметрі. Складалася куля з двох окремих половинок, які припасовувалися одна до одної гладкими, пласкими поверхнями. Кожна половинка ззовні мала кільця, і до них можна було прив’язати дві міцні линви, щоб тягти в протилежні боки. Фон Ґеріке змастив пласкі поверхні жиром, з’єднав половинки і за допомогою щойно винайденої поршневої помпи відкачав з кулі повітря. Ззовні ніщо їх не притискало докупи, але після викачування повітря половинки немовби приклеїлися одна до одної. Отто усвідомлював, що завдяки поршневій помпі може переконатися, наскільки сильний тиск чинить атмосфера. Мільярди крихітних молекул ударялися об зовнішню поверхню кулі, притискаючи половинки докупи. Але всередині не було нічого, що могло б напирало б із внутрішнього боку [6] Ми не знаємо, скільки повітря вдалося Отто відкачати. Він не міг відкачати все, але, видно, йому таки вдалося відкачати зачну його частину. ( Прим. авт. ) . Дві півкулі можна відірвати одна від одної, якщо потягнути їх, доклавши силу, більшу, ніж та, що їх стискає докупи, тобто сила напору повітря.