В оточенні тиску повітря
На лекціях про тиск я демонструю багато цікавинок, а тиск повітря особливо привабливий, тому що з ним пов’язано багато такого, що суперечить інтуїції. Зазвичай ми навіть не замислюємося, що перебуваємо під тиском повітря, але коли беремося його шукати, нам аж перехоплює подих. Щойно ми усвідомлюємо, що він є (і приймаємо цей факт), ми починаємо бачити його вияви всюди: від повітряних кульок до барометрів; у тому, як п’ємо через соломинку, і тому, як глибоко можемо пірнути і плавати з маскою і трубкою.
Виявляється, що явища, яких ми одразу не помічаємо і які сприймаємо як належне, наприклад сила тяжіння чи атмосферний тиск, чи не найбільш захопливі в природі. Це нагадує анекдот про двох риб, які весело собі пливуть річкою. Одна риба повертається до другої і скептично запитує: «Що це останнім часом за балачки про якусь “воду”?».
У нашому випадку ми сприймаємо як належне вагу і щільність нашої невидимої атмосфери. Взагалі-то, ми живемо на дні безмежного повітряного океану, який щосекунди і щодня чинить на нас значний тиск. Тепер уявіть у мене в руці довжелезну трубу квадратного перерізу завтовшки 1 сантиметр, яка балансує на моїй долоні та піднімається вгору аж до верхніх шарів атмосфери. Це більше ніж 100 кілометрів. Тільки повітря в трубі — забудьте про саму трубу — важитиме приблизно 1 кілограм9. Це один зі способів вимірювання атмосферного тиску: тиск 1,03 кілограма на квадратний сантиметр називають стандартною атмосферою.
Інший спосіб визначити атмосферний тиск — і будь-який інший, — скористатися досить простою формулою, такою простою, що її достатньо описати словами. Тиск — це сила, поділена на площу: P = F⁄A. Отже, атмосферний тиск на рівні моря становить приблизно 1 кілограм на квадратний сантиметр. Ось ще один спосіб наочно продемонструвати зв’язок між силою, тиском і площею.
Уявімо, що ви катаєтеся на ковзанах на озері, і хтось провалюється під кригу. Як ви наближатиметеся до проломини — підете по кризі? Ні, ляжете на живіт і почнете повільно підповзати, розподіляючи вагу свого тіла на більшу площу, щоб послабити тиск на кригу, значно зменшивши ризик того, що вона трісне під вами. Різниця в тиску людини на кригу стоячи і лежачи вражає.
Скажімо, ви важите 70 кілограмів і стоїте на кризі на двох ногах. Якщо дві ваші ступні мають площу приблизно 500 квадратних сантиметрів (0,05 квадратного метра), ви чините на кригу тиск 70⁄0,05 кілограма на квадратний метр, або 1400 кілограмів на квадратний метр. Якщо ви піднімете одну ногу, то тиск подвоїться до 2800 кілограмів на квадратний метр. Якщо ваш зріст, як і в мене, метр вісімдесят і ви ляжете на кригу, то що станеться? Ви розподілите 70 кілограмів на площу приблизно 8000 квадратних сантиметрів, або 0,8 квадратного метра, і ваше тіло тиснутиме на кожен квадратний метр лише 87,5 кілограма, що десь у 32 рази менше, ніж коли ви стояли на одній нозі. Що більша площа, то менший тиск, і навпаки — що менша площа, то більший тиск. Із тиском також виникає багато суперечностей.
Наприклад, тиск не має напрямку. Проте сила, яку створює тиск, його має: вона перпендикулярна поверхні, на яку діє тиск. Тепер витягніть руку долонею догори і подумайте про силу, що діє на неї, — цього разу без труби. Площа моєї долоні приблизно 150 квадратних сантиметрів, а отже, на неї згори повинна тиснути вага 150 кілограмів. То як я без зусиль тримаю руку? Зрештою я аж ніяк не важкоатлет. Справді, якби це була єдина сила, ви б не змогли утримувати на руці таку вагу. Але є ще й інші сили. Повітря тисне на нас з усіх боків, тому на тильний бік кисті також діє сила 150 кілограмів, але спрямована вгору. У результаті рівнодійна сил, що діють на руку, дорівнює нулю.
Але чому вашу руку не розчавлює під таким значним тиском? Кістки вашої руки явно достатньо міцні, щоб їх не розчавило. Візьміть шматок дерева завбільшки з вашу долоню: він витримає тиск атмосфери.
Але як щодо грудної клітки? Її площа приблизно 1000 квадратних сантиметрів. Отже, внаслідок тиску атмосфери на неї діє рівнодійна сила приблизно 1000 кілограмів, тобто 1 тонна. До спини буде прикладено таку само силу — близько тонни. Тоді чому легені не спадаються? Через те що тиск усередині легенів також становить 1 атмосферу, а отже, відсутній перепад тиску між повітрям у легенях і зовнішнім повітрям, що тисне на грудну клітку. Тому ми можемо легко дихати. Візьміть коробку або дерев’яний чи металевий ящик із такими само розмірами, як ваша грудна клітка. Закрийте ящик. Повітря всередині — це повітря, яке ви вдихаєте, — 1 атмосфера. Ящик не сплющується з тієї само причини, чому легені не спадаються. Будинки не завалюються під дією атмосферного тиску, тому що тиск повітря всередині та зовні однаковий. Це явище має назву рівновага тиску. Якби тиск повітря всередині ящика (або будинку) був значно нижчим, ніж 1 атмосфера, усе було б зовсім інакше: цілком можливо, що тоді б ящик не витримав, і я демонструю це явище на лекції. Більше про це далі.
Те, що ми зазвичай не помічаємо атмосферного тиску, не означає, що він для нас не важливий. Недарма в прогнозах погоди постійно згадують про зони високого й низького тиску. І всім нам відомо, що зона високого тиску зазвичай приносить хороші ясні дні, а низький тиск означає, що наближається грозовий фронт. Отже, вміння визначати атмосферний тиск нам би не завадило, але як це зробити, якщо ми його не відчуваємо? Ви, можливо, знаєте, що тиск вимірюють за допомогою барометра, але від цього, звісно, зрозуміліше не стає.
Магія соломинок
Почнімо з невеличкого фокуса, який ви, певно, робили десятки разів. Якщо поставити соломинку в склянку з водою або — як я полюбляю унаочнювати на лекції — із журавлинним соком, рідина заходить усередину неї. Потім, якщо затулити пальцем отвір у соломинці й почати витягати її зі склянки, сік залишиться в соломинці. Майже магія. Чому так відбувається? Пояснити не так просто.
Щоб розтлумачити суть цього явища (а також збагнути принцип дії барометра), нам потрібно зрозуміти, що таке тиск у рідинах. Тиск, що створюється тільки рідиною, називають гідростатичним (латиною це означає «рідина у стані спокою»). Зазначмо, що загальний тиск у товщі рідини — наприклад, в океані — це сума атмосферного тиску над поверхнею води (як у випадку з витягнутою рукою) та гідростатичного тиску. А тепер головний принцип: у будь-якій нерухомій рідині тиск на одному рівні однаковий. Таким чином, тиск однаковий у всіх точках горизонтальної площини.
А отже, якщо в басейні ви занурите руку в воду на 1 метр з мілкішого боку, загальний тиск на неї, який є сумою атмосферного (1 атмосфера) та гідростатичного тиску, буде таким само, як тиск на долоню вашого друга, також на глибині 1 метр під водою, але з глибшого боку басейну. Але якщо ви опустите руку на глибину 2 метри, гідростатичний тиск на неї зросте вдвічі. Що більше рідини над певним рівнем, то сильніший на цьому рівні гідростатичний тиск.
До речі, це правило стосується й атмосферного тиску. Часом ми порівнюємо атмосферу з повітряним океаном, на дні якого, тобто над більшою частиною земної поверхні, тиск становить приблизно 1 атмосферу. Але на вершині височезної гори над нами менше повітря, тому атмосферний тиск теж нижчий. На вершині Евересту він становить лише одну третю атмосфери.
І от, якщо з якихось причин тиск на одному рівні неоднаковий, рідина перетікатиме доти, доки він не вирівняється. Знову-таки, те саме відбувається з повітрям, і нам цей ефект знайомий як вітер: його спричинює рух повітря із зони високого тиску в зону низького, щоб зменшити їхню різницю. Коли вітер вщухає, тиск вирівнюється.
То що відбувається із соломинкою? Коли ви опускаєте її в рідину — поки що з відкритим верхнім отвором, — вона заходить усередину, поки не досягне одного рівня з рідиною у склянці поза соломинкою. Тиск повітря і там і там однаковий: 1 атмосфера.
Тепер уявімо, що я починаю втягувати сік крізь соломинку. Я висмоктую з неї трохи повітря, унаслідок чого зменшується тиск повітряного стовпа над рідиною всередині соломинки. Якби рідина в соломинці залишилася на місці, тиск на її поверхні був би меншим за 1 атмосферу, тому що тиск повітря над рідиною зменшився б. А отже, тиск на дві поверхні, всередині та за межами соломинки, що перебувають на одному рівні (в одній горизонтальній площині), відрізнятиметься, що просто неможливо. У результаті рідина в соломинці піднімається доти, доки тиск рідини в ній на одному рівні з тиском рідини у склянці знову не стане однаковим: 1 атмосфера. Якщо я, почавши пити сік через соломинку, зменшу тиск повітря в ній на 1 відсоток (тобто з 1 атмосфери до 0,99 атмосфери), тоді будь-який напій, який тільки можна собі уявити, — вода, журавлинний сік, лимонад, пиво, вино — підніметься приблизно на 10 сантиметрів. Звідки це число?
