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

Найцінніший скарб, який кашалот несе із собою в глибочінь, – це кисень, необхідний для підтримання хімічних реакцій з наснаження його плавальних м’язів і всіляких життєвих процесів. Але газоподібний кисень, отриманий з атмосфери, у водній глибочіні стає киту на заваді: щойно гігант зникає під поверхнею океану, повітря в легенях, фактично, перетворюється на важку ношу. З кожним наступним метром занурення вага води щораз сильніше тисне на кашалота. Молекули азоту та кисню відбиваються одні від одних, а також від стінок легень кита, і кожне таке зіткнення спричиняється до крихітного поштовху. На поверхні зовнішні та внутрішні поштовхи врівноважуються. Але під час занурення кашалота величезна вага води над тілом його буквально розчавлює, і сила, що тисне ззовні, переважає силу, що тисне зсередини. Тому стінки легень піддаються зовнішньому тиску аж до урівноваження зовнішніх і внутрішніх сил. Рівновага сил досягається завдяки стисканню легень кита; кожна з молекул тепер має менше місця для руху, тому зіткнення відбуваються дедалі частіше. А це означає, що об кожен клаптик стінок легень тепер б’ється більше молекул, тиск останніх усередині зростає доти, доки не врівноважується натиском молекул зовні. Десятиметрової глибини вистачає для отримання тиску ще однієї додаткової атмосфери. Навіть на такій глибині, коли кит може бачити поверхню (ну раптом гляне вгору), його легені вже менші наполовину від початкового об’єму. Тобто відбувається вдвічі більше зіткнень молекул зі стінками легень, що відповідає подвійному тиску ззовні. Але кальмар може перебувати на глибині навіть одного кілометра, і тпм величезний тиск води зумовлює надзвичайне зменшення легень – навіть до 1 % об’єму, який вони мали на поверхні.

І ось нарешті кашалот чує, як одне з його гучних клацань таки відбивається. З «усохлими» легенями, керуючись гідролокатором, кит готується до битви у водній темряві. А велетенський кальмар – добре озброєний, тому якщо він у підсумку навіть і здасться, то кит все одно може зазнати серйозних ушкоджень і виплисти на поверхню зі страшенними шрамами. Але звідки в нього береться енергія для боротьби без кисню в легенях?

Клопіт зі стисненими легенями полягає в тому, що при одній сотій того об’єму, який був на поверхні, тиск газу всередині них у сто разів більший від атмосферного. В альвеолах легень – кінцевих частинках легень, через стінку яких здійснюється газообмін кисню та вуглекислого газу у кров і з крові, – такий тиск впхав би в кров і розчинив в ній і додатковий азот, і кисень. Це призвело б до крайньої форми того, що пірнальники називають «кесонном», або декомпресійною хворобою, – коли під час спливання на поверхню додатковий азот пузириться в крові і завдає непоправної шкоди організму. Еволюційним розв’язанням стало цілковите закриття альвеол, від моменту занурення кита. Іншого виходу просто немає. Але кит і під водою має доступ до запасів енергії, оскільки здатний накопичувати велику кількість кисню в м’язах і крові. У кашалота вдвічі більше гемоглобіну, ніж у людини, і вдесятеро більше міоглобіну (білку, що використовується для накопичення енергії у м’язах). Ці потужні резерви кити поповнюють на морській поверхні. Коли кашалоти пірнають глибоко під воду, то ніколи не використовують кисень, що лишається в легенях. Це небезпечно. Також під водою вони користуються не лише повітрям зі свого останнього вдиху. Вони живуть і борються, споживаючи додаткову енергію, накопичену у м’язах, а також із прихованих запасів, які поновлюються під час перебування на поверхні океану.

Ще ніхто не бачив боротьби між кашалотом і велетенським кальмаром. Але в шлунках мертвих кашалотів можна знайти цілу колекцію дзьобів – єдиної частини тіла кальмара, яка не перетравлюється. Тож кожен кит тягає у собі чималеньку кількість трофеїв – свідчень переможних битв. Коли кашалот-переможець спливає до сонячного світла, його легені поступово розправляються і знову з’єднуються з кровоносною системою. Коли тиск знижується, об’єм легень поволі збільшується, аж поки не набуває початкової форми.

Як не дивно, поєднання складної поведінки молекул зі статистикою (остання також не асоціюються з простотою) дає на практиці відносно простий результат. Так, дійсно дуже багато молекул і дуже багато зіткнень, а також дуже багато різних швидкостей, проте існує лишень два важливих чинники – діапазон швидкостей, з якими рухаються молекули, і середня кількість зіткнень молекул зі стінками посудини. Рівень тиску визначається кількістю зіткнень і силою кожного зіткнення (залежно від швидкості та маси молекули). Сумарний напір всього цього зсередини, протиставлений напору ззовні, є визначальним для об’єму. Тут додається ще й вплив температури.