Удивительная физика - Нурбей Гулиа

Наблюдая день за днем за высотой ртутного столба в трубке, Торричелли обнаружил, что эта высота меняется: то увеличивается, то уменьшается. Отсюда он заключил, что атмосферное давление не постоянно, оно может меняться. Торричелли заметил также, что изменения атмосферного давления как-то связаны с изменением погоды.

Прикрепив к трубке со ртутью вертикальную шкалу, Торричелли получил простейший ртутный барометр – прибор для измерения атмосферного давления. Слово «барометр» происходит от «барос» – тяжесть и «метрео» – измеряю.

В 1646 г. Б. Паскаль в городе Руане повторил опыт Торричелли (рис. 197), но уже с очень высокой трубкой, опущенной в бадью с водой, а затем и с вином (вино во Франции дешевле воды!).

Рис. 197. Опыт Паскаля в Руане с «винным» барометром, 1646 г. (со старинного рисунка)

Трубка была высотой 46 футов (14 м), а вода остановилась на высоте 32 фута. Трудно поверить этому, но и вино, говорят, тоже остановилось точно на той же отметке. Недоверие к опыту состоит не только в том, что сухое (почти без остаточного сахара) вино обычно легче воды за счет 10—13 % спирта. Дело в том, что в верхней части трубки образуется пустота, называемая торричеллиевой, и жидкость – ртуть, вода, вино – начинает интенсивно испаряться, заполняя эту пустоту. Таким образом, торричеллиева пустота у самого Торричелли была заполнена ртутными парами, а у Паскаля, простите, винными. Винные, а правильнее спиртовые, пары образуются гораздо легче и создают в пустоте больше давления, чем пары водяные, а тем более ртутные. Так что равенство водяного и винного столбов можно объяснить разве только случайностью или плохим качеством вина, употребленного Паскалем (разумеется, для опыта!). Но так или иначе, столб воздуха атмосферы весит примерно столько же, сколько 10 м воды или вина и 760 мм ртути.

Стараясь определить точность барометра, ученые переносили прибор на высоту – то в Клермонский монастырь, то на башню св. Якова в Париже (рис. 198), и везде барометр точно отслеживал падение давления с высотой.

Рис. 198. Барометрический опыт Паскаля на башне церкви св. Якова в Париже (со старинного рисунка)

Так и было определено атмосферное давление. А вот с высотой атмосферы дело посложнее. Плотность воздуха уменьшается с высотой. Так, на высоте 5,4 км над уровнем океана плотность воздуха падает вдвое, на высоте 11 км – вчетверо и т. д. (рис. 199). Поэтому верхняя граница атмосферы размыта, а чтобы ее нагляднее можно было представить, здесь помещен рис. 200 из старинной книги [49].

Рис. 199. Высота столба ртути в барометре на различных высотах Рис. 200. Примерная форма атмосферы Земли (видно, что на экваторе она выше – опять же следствие инерции)

Надо сказать, еще великий Аристотель подозревал, что воздух есть тело «весомое». Желая проверить это, ученый взвешивал бурдюки – пустой и заполненный воздухом. И оказалось, конечно, что эти бурдюки весили одинаково. Вот, казалось бы, мудрец, а маху-то дал – ведь он взвешивал воздух в воздухе! Неужели не мог опустить в воду (море-то близко в Греции!) и взвесить там бурдюк с водой и без нее. Ответ был бы тот же – вода не имеет веса! Или хотя бы взвешивал на точных весах, тогда полный воздухом бурдюк, будучи хоть под каким-то давлением, оказался бы большего веса, чем пустой! Даже повышенное содержание углекислого газа (бурдюк-то ртом надували!) могло дать эту разницу. Но фатальное невезение – и на тысячи лет воздух принято было считать невесомым. А вес-то у него немалый – почти 1,3 кг · м3.

Автор на лекциях всегда спрашивает своих студентов, смогли бы они поднять воздух в этой аудитории одной рукой, на что в ответ – громкий смех. Но смех этот становится еще громче, когда студенты узнают, сколько этот воздух действительно весит – обычно свыше 100 кг!

В заключение опишем простой опыт, который одним махом подтверждает наличие атмосферного давления. Этот опыт производит потрясающее впечатление на окружающих, хотя каждый если не видел, то хотя бы слышал о нем.

Рис. 201. «Потрясающий» опыт со стаканом

Надо наполнить стакан водой, лучше до краев, прикрыть его листком гладкой писчей (не газетной!) бумаги и, придерживая листок рукой, перевернуть. Затем отпустить листок (рис. 201). Вода не выльется из стакана, так как на листок снизу давит атмосферное давление! Если бы стакан был высотой более 10 м, то атмосферного давления не хватило бы и листок отпал. А на обычном стакане держится, даже внутрь прогибается, если стакан неполный.

Особенно эффектно выглядит этот опыт, когда стакан заполняют красным вином (а-ля Паскаль!) и незаметно прикрывают его прозрачным листком чертежной или другой жесткой пленки. Вино как бы висит в стакане, ничем не удерживаемое!

Рис. 202. Магдебургские полушария

Нормальное давление атмосферы примерно 101,3 кПа. Опыт бургомистра города Магдебурга Отто фон Герике в 1654 г. со знаменитыми Магдебургскими полушариями (рис. 202) показал, что при их диаметре в 65 см сила атмосферного давления, сжимающая их, достигала 35 кН и их не могли растащить даже восемь пар лошадей (рис. 203)! Хитер был бургомистр Магдебурга – он мог вполне обойтись лишь одной восьмеркой лошадей, прикрепив другой крюк к стене. Сила-то, разрывающая полушария, была бы той же! Хотя бы по третьему закону Ньютона. Но восемь пар лошадей эффектнее, и кто-кто, а сам бургомистр мог это себе позволить!

Рис. 203. Опыт Отто фон Герике с магдебургскими полушариями

Точны ли часы в Форте Байяр?

Если читатель помнит знаменитые телепередачи из Форта Байяр, время там измеряют исключительно водяными часами – клепсидрами, или в переводе с греческого «воровками воды». В глаза бросается то, что при перевертывании часов время начинает бежать очень уж быстро, а в конце, когда «синей жидкости» остается совсем мало и все вокруг кричат: «Скорее, время кончается…», оно как бы замедляет свой шаг. В чем тут дело?

Тут нам поможет детская задача, предложенная Я. И. Перельманом:

«Самовар, вмещающий 30 стаканов, полон воды. Вы подставляете стакан под его кран и с часами в руках следите по секундной стрелке, за какое время стакан наполняется до краев. Допустим, что за полминуты. Теперь зададим вопрос: за какое время опорожнится весь самовар, если оставить кран открытым?

Казалось бы, здесь детски простая арифметическая задача: один стакан вытекает за полминуты, – значит, 30 стаканов выльются за 15 минут.

Но сделайте опыт. Окажется, что самовар опорожняется не в четверть часа, как вы ожидали, а в полчаса».

А дело здесь в том, что скорость вытекания воды меняется в зависимости от ее уровня. Чем выше уровень, тем быстрее будет наполняться стакан, и чем он ниже, тем дольше нам нужно ждать его заполнения.

Уже известный нам Э. Торричелли вывел зависимость скорости вытекания жидкости V от высоты уровня ее над отверстием h:

Позвольте, позвольте, но это же хорошо известная формула скорости свободного падения груза с высоты! Неужели и жидкость вытекает с такой же скоростью? Да, можно так сказать, если пренебречь гидравлическими сопротивлениями в трубке и кранике, вихревыми процессами и искривлениями потоков в струе, а также если считать жидкость идеальной. Точно так же, как при падении груза мы не учитываем сопротивления воздуха, увеличения (или уменьшения?) ускорения свободного падения g и, наконец, пресловутого движения Земли навстречу грузу (если V – это скорость груза относительно Земли).

Рис. 204. Что скорее выльется – ртуть или эфир?

Возникает вопрос: что, скорость вытекания жидкости не зависит от ее плотности? Что, ртуть из сосуда выльется одновременно со спиртом или эфиром (рис. 204)? Да, одновременно, как это ни удивительно, с той же точностью, с которой падают отпущенные вместе тяжелые и легкие тела, т. е. практически одновременно, ибо в формуле Торричелли нет упоминания о плотности жидкостей.

Однако если мы попробуем выливать эту жидкость на большой высоте, да, чего доброго, еще и на Луне, то вытекать она будет медленнее, так как меньше ускорение свободного падения g. На Луне, например, где ускорение силы тяжести в 6 раз меньше, чем на Земле, жидкость будет вытекать в V6, т. е. в 2,5 раза медленнее. Но опять же, почему время опорожнения самовара увеличилось лишь вдвое, если формула отнюдь не так проста?

Подсчитаем: если уровень воды в самоваре понизился в 4 раза, то скорость истекания понизится всего вдвое. Если уровень понизился в 9 раз, то время наполнения очередного стакана увеличится в 3 раза и т. д.

А в результате интегральное (или суммарное) время опорожнения сосуда будет вдвое больше, чем если бы сохранялось первоначальное давление.