Физика на каждом шагу

Наполните бутылку водой, приложите к ее отверстию плотно пальцы, переверните ее, погрузите горлышко под воду в чашке и отнимите пальцы от отверстия. Казалось бы, вода из бутылки может свободно вылиться – отверстие открыто. Однако она не выливается. Даже если бы для этого опыта, вы взяли гораздо большую бутыль, вода выливаться из нее не будет.

Таков простейший опыт, доказывающий, что воздух имеет вес, потому что водяной столб в бутылке поддерживается не чем иным, как давлением окружающего воздуха на воду: атмосферное давление вгоняет воду в бутылку.

Рис. 55. Как проще всего удостовериться, что воздух имеет вес

Как ни просто это объяснение, оно долго ускользало от исследователей, и только лет 300 назад было постигнуто итальянским ученым Торичелли, даровитым учеником и последователем Галилея. Торичелли желал измерить величину атмосферного давления и рассуждал так: атмосфера не простирается беспредельно, вес ее ограничен; следовательно, должен иметь границы и тот водяной столб, который ее уравновешивает. Если бы можно было сделать опыт с очень высокой бутылкой, то вода не заполнила бы ее всю: высота водяного столба в такой бутылке послужила бы мерой давления атмосферы. Однако можно добиться того же самого и другим путем, не употребляя огромных сосудов: нужно только вместо воды взять более тяжелую жидкость.

Рис. 56. Паскаль более трехсот лет назад устроил винный барометр высотою 10 ¹/₂ метров

Торичелли сделал опыт с ртутью, которая тяжелее воды в 13 ¹/₂ раз. Соответственно своему большему весу ртутный столб, уравновешивающий воздушное давление, должен быть в 13 ¹/₂ раз ниже водяного. Значит, можно надеяться увидеть его свободный верхний уровень уже в сосуде обычных размеров. Послушайте, как Торичелли сам рассказывает о своем опыте:

«Мы живем, – писал он, – на дне воздушного океана, и опыт с несомненностью показывает, что воздух имеет вес.

«Мною было изготовлено много стеклянных пузырьков с длинной трубкой в 2 локтя; я наполнял их ртутью, придерживая отверстие пальцем; когда затем я их опрокидывал в чашку с ртутью, они опоражнивались, но трубка оставалась наполненной до высоты локтя и одного пальца. Желая доказать, что пузырек совершенно пуст, я подставленную чашку доливал водой, – тогда, при постепенном подъеме трубки можно было видеть, что, едва ее отверстие оказывалось в воде, из трубки выливалась ртуть, и весь пузырек стремительно наполняла вода до самого верха.

«Итак, сосуд пуст, ртуть же держится в трубке. До сих пор принимали, что сила, удерживающая ртуть от естественного стремления опускаться, находится внутри верхней части сосуда – в виде пустоты или весьма разреженной материи. Я же утверждаю, что причина лежит вне сосуда, приходит извне: на поверхность жидкости в чашке давит воздушный столб высотою в 50 x 3000 шагов [10] . Неудивительно, что жидкость входит внутрь стеклянной трубки, к которой она не имеет ни влечения, ни отталкивания, и поднимается так высоко, пока она не уравновесится внешним воздухом. Ясно, что именно ее толкает. Вода же поднимается в подобной, по гораздо более длинной трубке почти до 18 локтей, т. е. во столько раз выше, во сколько раз ртуть тяжелее воды».

10

Торичелли принимал высоту атмосферы равной 60 милям (а в старинной миле было 3 000 шагов).

Самые высокие барометры

Трубка Торичелли была в сущности первым барометром – прибором для измерения атмосферного давления [11] . Если вместо ртути взять воду, то высота столба воды в таком барометре была бы не 76 см, а в 13 ¹/₂ раз больше, т. е. около 10 м.

Рис. 57. Барометр-памятник в итальянском городе Фаэнца, родине Торичелли. Труба барометра наполнена оливковым маслом. Высота барометра 11 метров. Фонтан внизу иллюстрирует также одно из открытий Торичелли

11

Неправильно считать барометр прибором, предсказывающим погоду.

Паскаль – старинный французский ученый, о котором мы уже имели случай говорить, – сделал опыт с еще большим барометром, так как жидкостью для него служило вино. Он наполнил красным вином стеклянную трубу высотою около 14 м, закупорил ее, погрузил одним концом в бадью с вином и вынул под жидкостью пробку от трубы. Винный столб имел в высоту – от уровня вина в бадье до верхушки – 10 м 40 см. Рис. 56 изображает этот старинный опыт. Само собою разумеется, что такого рода опыты приходится делать не в комнате, а прямо на улице. Еще выше тот масляный барометр, который сооружен на родине Торичелли в виде памятника (рис. 57).

Сколько весит весь воздух на Земле?

Опыты, сейчас описанные, показывают, что столб воды в 10 м высоты весит столько же, сколько столб воздуха от Земли до верхней границы атмосферы, – оттого они и уравновешивают друг друга. Нетрудно вычислить поэтому, сколько весит воздушный столб, опирающийся на каждый квадратный сантиметр земной поверхности: столько же, сколько весит 10-метровый столб воды с основанием в сантиметровый квадратик. В таком столбе 1 тыс. сантиметровых кубиков; а так как каждый кубик весит, мы знаем, 1 г, то целый водяной столб весит 1 тыс. г, т. е. 1 кг. Это есть в то же время и вес воздушного столба такой же толщины, высотой от земли до границы атмосферы. Значит, атмосфера давит на каждый квадратный сантиметр Земли (или вещей на ней) с силою 1 кг.

Узнав это, нетрудно уже рассчитать, сколько весит весь воздух, окружающий нашу планету: столько килограммов, сколько квадратных сантиметров заключает вся земная поверхность. Поверхность земного шара равна, круглым счетом, 600 млн. км². Кто не боится вычислений с длинными числами, тот сам рассчитает, что вся атмосфера весит 5 000 000 000 000 000 т – пять тысяч биллионов тонн! Вес поистине чудовищный, но по сравнению с еще более огромным весом самого земного шара все же довольно скромный. Вычислено, что атмосфера весит примерно столько, сколько одна гора Эверест: в миллион раз меньше земного шара.

Как высока земная атмосфера?

Если определить вес атмосферы сравнительно просто, то гораздо труднее узнать, как она высока. Воздух, чем выше, тем становится все разреженнее, и это мешает человеку подняться высоко вверх. Уже на высоте 1 500 м разреженность воздуха сказывается в том, что человек начинает испытывать болезненные явления, несмотря на то, что на такой высоте воздух совершенно свободен от бактерий. Начиная с 3 тыс. м, где количество кислорода на ¹/₄ меньше нормального, появляются признаки «горной болезни»: головокружение, тошнота, учащенные пульс и дыхание. На высоте 4 тыс. м число дыханий вместо 18 в минуту доходит до 40, а пульс вместо нормальных 80 – до 140. На высоте 5 тыс. м число красных кровяных телец человека (при продолжительном там пребывании) увеличивается с обычных 5 млн. в кубическом миллиметре до 8 млн. К этому, впрочем, можно привыкнуть: в Тибете существуют постоянные человеческие поселения почти на такой высоте (4 860 м), а в Перу на высоте 4 870 м устроена железнодорожная станция – высочайшая в мире.

На высоте 6 500 м воздух примерно вдвое реже, чем на уровне океана. Тем не менее еще на высоте 7 тыс. м наблюдали нередко полет кондоров; выше их не проникает ни одно животное. Но человек поднимался выше, беря с собой специальные аппараты для дыхания: без них существовать на такой высоте человек не может. Спутник Тиссандье погиб на высоте 8 600 м, так как смельчаки (в 1875 г.) отважились залететь в эту зону без аппаратов с искусственным воздухом. До 8 850 м поднимает свою вершину высочайшая гора земного шара – Эверест; человеку не удалось ступить ногой на ее вершину: пришлось прекратить восхождение, не доходя нескольких десятков метров [12] . Однако на аэроплане человек поднимался выше. 11 апреля 1934 г. итальянский летчик Донати взлетел на самолете до высоты 14 ¹/₂ километров. Но на воздушных шарах люди забирались значительно выше. Для этого употребляют шары огромного размера, люди же помещаются не в открытой корзине, а внутри наглухо закрытой кабины, чтобы не задохнуться на тех высотах, где воздух очень редок. Такой воздушный шар, предназначенный для весьма высокого подъема, называется стратостатом.

12

К настоящему времени на Эверест совершили восхождение уже около 1,5 тыс. чел.

В 1934 г. всех выше поднялись на стратостате «Осоавиахим» три советских воздухоплавателя: Федосеенко, Васенко и Усыскин, заплатившие жизнью за свой научный подвиг. 30 января они достигли высоты 22 километра. Воздух там почти в 20 раз менее густой, чем вокруг нас у земли. В нем совсем нет водяных паров, а потому и небо там всегда безоблачно; оно не голубое, как у нас, а почти черное. Там всегда полное безветрие и ничем не нарушаемая тишина.

В столь высокие области атмосферы запускали лишь небольшие шары без пассажира; эти шары-зонды, несущие самозаписывающие измерительные приборы (термограф – термометр-самописец, барограф – барометр-самописец), достигали высоты 35 км, где воздух разрежен примерно в полтораста раз против плотности его у поверхности земли.