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

Настала черга коней. До кожної півкулі прив’язали по запрягу, які щосили тягли свою линву в протилежний бік, і все це нагадувало грандіозне перетягування канатів. Імператор і його почет спостерігали, як тварини змагаються з невидимим повітрям. Єдине, що утримувало півкулі разом, – сила молекул повітря, які вдарялися об поверхню півкуль, завбільшки з великий пляжний м’яч. Але сили тридцятьох коней таки не вистачило для розділення сфери на половинки. Коли перетягування канату закінчилося, Отто відкрив клапан, впустив у кулю повітря, і дві її половинки відпали самі по собі. Не було жодного питання щодо переможця. Тиск повітря виявився сильнішим, ніж хтось міг собі уявити. Якщо викачати все повітря з кулі такого розміру і підвісити її вертикально, то тиск газу теоретично може втримати 2000 кілограмів, а це маса великого дорослого носорога. Крихітні невидимі молекули вдаряються об нас насправді дуже сильно. Отто здійснював показ багато разів для різної публіки, а сфера стала відомою як Магдебурзька, названа на честь рідного міста дослідника.

Експерименти Отто стали відомими почасти завдяки тому, що про нього писали інші. Його ідеї вперше потрапили до наукового обігу в книзі Ґаспара Скотта, опублікованій 1657 року. У ній ішлося про поршневий насос, який надихнув Роберта Бойля і Роберта Гука на власні досліди щодо тиску газів.

Можна й собі поставити схожий експеримент, ну, зрозуміло, вам не потрібно буде імператорів або коней. Знайдіть квадратний товстий плаский шматок картону, достатньо великий, щоб закрити отвір склянки. Найкраще проводити дослід над раковиною, про всяк випадок. Наповніть водою склянку аж по вінця і покладіть картон зверху. Притисніть картон до вінець склянки так, щоб між поверхнею води і картоном не залишилося повітря. А тоді переверніть склянку догори дном і заберіть знизу руку. Картон, що підтримує всю масу води, залишиться на місці. А тримається він тому, що молекули повітря вдаряються в нього знизу, штовхаючи картон вгору. Того натиску досить для утримування води в склянці.

Бомбардування молекул повітря можна використати не тільки для втримування чогось на місці. Також процес можна застосувати для переміщення речей, і люди були не першими, хто до цього додумався. Візьмемо, наприклад, слона – одного з найбільших спеціалістів на Землі в маніпулюванні речами за допомогою повітря.

Африканський слон – чудовий велетень, який мирно походжає собі саваною в сухій пилюці. Сімейне життя слонів обертається навколо гурту самиць. Старша монархиня в матріархальному стаді веде кожен гурт на пошуки води та їжі, покладаючись на свою пам’ять щодо навколишніх місць. Щоб вижити, ці тварини сподіваються не тільки на свою вагу. Кожний слон має громіздке неповоротке тіло, зате його хобот – найделікатніший і найчутливіший інструмент у царстві звірів. Коли сімейний гурт мандрує, слони безперервно досліджують світ тим своїм дивним відростком: дають ним сигнали, нюхають, їдять і пирхають.

Хобот слона – незвичайний орган із багатьох причин. Це мережа переплетених між собою м’язів, здатних згинатися, підіймати та зривати предмети з небаченою спритністю. Навіть цього достатньо, щоб упевнено почуватися в савані, але тим краще, що дві ніздрі збігають хоботом до самого його низу. Ніздрі слона – це гнучкі трубки, які з’єднують кінчик хобота, що пихкає, з легенями тварини, і тут починається найцікавіше.

Коли наша слониха та її сімейний гурт наближаються до водопою, молекули нерухомого «повітря» навколо них ударяються одна об одну та штовхаються між собою, як і всюди, бомбардуючи слонячу зморщену сіру шкуру, землю та водну поверхню. Монархиня – дещо попереду гурту – хитає хоботом, повільно входить у калюжу і робить брижі на своєму відображенні у воді. Вона занурює хобот у воду, закриває рот, і велетенські м’язи навколо її грудей підносять і розширюють слонячу грудну клітку. Коли легені розширюються, молекули повітря всередині розлітаються, знайшовши новий простір. Але це означає, що всередині в самісінькому кінчику хобота, де холодна вода торкається повітря з його ніздрів, міститься менше молекул повітря, що вдаряються об воду. Ті, що залишилися, далі рухаються з такою самою швидкістю, але зіткнень між ними значно менше. Як наслідок, тиск усередині легень слонихи різко падає. Тепер атмосфера з молекулами повітря, які стукають об поверхню водойми, перемагає молекули газу всередині слонихи. Натиск зсередини більше не стримує натиск ззовні, а вода – це те, що перебуває посередині двох сил. Тож атмосфера штовхає воду вгору хоботом слона, оскільки всередині немає сили для протидії. Щойно вода зайняла трохи вільного місця, молекули води всередині легень знову розташовуються настільки ж близько одна від одної, як це було спочатку, тому вода далі не просувається.