Я нахиляюся, максимально видихаю, глибоко вдихаю, підношу до рота правий кінець трубки і щосили дму в неї. Щоки западають, очі викочуються, а сік у лівій частині трубки поволі повзе вгору, ледь піднявшись на — хто б міг подумати? — 50 сантиметрів. Це вимагає від мене надзвичайних зусиль, і я можу протриматися так не більше кількох секунд. Таким чином, я проштовхнув сік з лівого боку на 50 сантиметрів угору, а отже, я на стільки само проштовхнув його вниз із правого боку, тобто загалом я перемістив стовп рідини по вертикалі приблизно на метр. Звісно, коли ми дихаємо крізь трубку під водою, то втягуємо повітря, а не видуваємо. То, можливо, втягувати його легше? Отже, я повторюю експеримент, але цього разу намагаюся щосили всмоктати сік, щоб він якомога вище піднявся у трубці. Утім результат приблизно такий само: сік піднімається приблизно на 50 сантиметрів з того боку, де я втягував повітря, — і відповідно на стільки само опускається з іншого. А я геть виснажений.
Це була імітація плавання з трубкою на метровій глибині, що відповідає тиску в одну десяту атмосфери. Експеримент незмінно дивує студентів, і вони вважають, що в них вийде краще, ніж у їхнього немолодого викладача. Тому я запрошую одного здорованя підійти і спробувати. Він старається щосили — його обличчя розчервонілося — але результат шокує студента. У нього вийшло не набагато краще, ніж у мене — лише на кілька сантиметрів більше.
Це, як виявляється, і є приблизна максимальна глибина, на якій ми ще можемо дихати крізь трубку, — один нещасний метр. І робитимемо ми це впродовж кількох секунд. Саме тому більшість трубок для підводного плавання значно коротші за метр, зазвичай їхня довжина становить приблизно 30 сантиметрів. Спробуйте поплавати з довшою трубкою (для цього згодиться шматок будь-якої трубки) і подивіться, що станеться.
Вам, мабуть, цікаво, яка сила тисне на вашу грудну клітку, коли ви занурюєтеся, щоб трохи поплавати із трубкою. На глибині 1 метр гідростатичний тиск становить приблизно одну десяту атмосфери, або, інакше кажучи, одну десяту кілограма на квадратний сантиметр. Площа поверхні грудної клітки — десь 1000 квадратних сантиметрів. Таким чином, сила, що тисне ззовні на груди, становитиме 1100 кілограмів, а сила, що діє на внутрішню стінку грудної клітки внаслідок тиску повітря в легенях, — приблизно 1000 кілограмів. Отже, різниця в тиску на одну десяту атмосфери дає додаткові 100 кілограмів ваги. З такого погляду плавання із трубкою здається набагато важчим, чи не так? А на глибині 10 метрів гідростатичний тиск дорівнюватиме 1 атмосфері, тобто 1 кілограму на квадратний сантиметр поверхні, і сила, що тиснутиме на вашу бідолашну грудну клітку, буде приблизно на тонну більша за спрямовану зовні силу, що створює тиск у легенях.
Саме тому азійські шукачі перлів — дехто з них регулярно пірнав на 30 метрів — ризикують своїм життям. Вони не можуть скористатися трубкою, тому їм доводиться затримувати дихання і за кілька хвилин, що в них є, швидко робити свою справу.
Тільки зараз ви можете по-справжньому оцінити, яким технічним досягненням є підводний човен. Візьмімо підводний човен, занурений на глибину 10 метрів, і припустімо, що тиск повітря усередині — 1 атмосфера. Гідростатичний тиск (який буде різницею між тиском на підводний човен ззовні та зсередини) становить приблизно 10 тонн на квадратний метр, тому, як ви бачите, навіть дуже маленький підводний човен має бути надзвичайно міцним, щоб зануритися на глибину лише 10 метрів.
Зважаючи на це, успіх, якого досяг на початку XVII століття винахідник підводного човна Корнеліс ван Дреббель — я особливо пишаюсь тим, що він також голландець, — просто вражає. Човен занурювався на глибину лише 5 метрів, але навіть у цьому випадку мав витримати гідростатичний тиск у піватмосфери, а це, на хвилиночку, конструкція з дерева і шкіри! Як повідомляють тогочасні джерела, ван Дреббелю вдалося пропливти одним зі своїх суден на цій глибині під час випробувань на Темзі в Англії. За описами, човен, якому надавали рух шість веслярів, був розрахований на 16 пасажирів і міг перебувати під водою кілька годин. «Дихальні трубки» над поверхнею води утримували спеціальні поплавки. Винахідник сподівався вразити короля Якоба І, щоб той замовив у нього кілька таких суден для флоту, але, на жаль, монарха та його адміралів новація не здивувала, і підводний човен так і не використали в бою. Як таємна зброя, можливо, підводний човен ван Дреббеля не годився, але з технічного погляду це було дивовижне досягнення. Більше про ван Дреббеля та перші підводні човни ви можете дізнатися на цьому сайті: dutchsubmarines.com/specials/special_drebbel.htm.
Глибина, на яку занурюються сучасні бойові субмарини, — військова таємниця, але вважають, що це приблизно 1000 метрів, де гідростатичний тиск становить 100 атмосфер, тобто мільйон кілограмів (1000 тонн) на квадратний метр. Не дивно, що корпуси американських підводних човнів виготовлено із високоміцної сталі, а російські підводні човни — із ще міцнішого титану, тому вони можуть занурюватися ще глибше.
Можна легко продемонструвати, що сталося б із підводним човном, якби його корпус був недостатньо міцним або він занурився на занадто велику глибину. Для цього я приєдную вакуумний насос до чотирилітрової каністри з-під фарби і повільно відкачую з неї повітря. Різниця між тиском повітря ззовні та зсередини не може перевищувати 1 атмосферу (порівняйте із тиском на підводний човен!). Металеві каністри, як ми знаємо, досить міцні, але через різницю тиску ця зминається просто на наших очах, наче тонесенька алюмінієва бляшанка з-під пива. Таке враження, що невидимий велетень схопив її та стиснув у кулаку. Напевно, ми всі колись робили щось подібне із пластиковою пляшкою для води, висмоктуючи з неї значну частину повітря, від чого вона зминалася. На інтуїтивному рівні можна подумати, що пляшку пожмакало через зусилля, з яким ви висмоктали з неї повітря. Але насправді це відбувається тому, що коли я повністю відкачую повітря з каністри або ви висмоктуєте його частину з пляшки, тиск повітря зсередини більше не може компенсувати тиск повітря ззовні. Це те, що в будь-яку мить готовий зробити тиск нашої атмосфери. Абсолютно в будь-яку мить.
Каністра з-під фарби, пластикова пляшка — цілком буденні речі, чи не так? Але якщо поглянути на них очима фізика, можна побачити щось зовсім інше — рівновагу фантастично потужних сил. Наше життя було б неможливе без цієї рівноваги здебільшого невидимих сил, що виникають унаслідок атмосферного та гідростатичного тиску, а також невблаганної сили тяжіння. Ці сили такі могутні, що коли їхня рівновага хоч трохи порушується, це може призвести до катастрофи. Що, як у літака, який летить зі швидкістю 880 кілометрів за годину на висоті 10 кілометрів (де атмосферний тиск 0,25 атмосфери), розгерметизується шов фюзеляжу? Або якщо на даху тунелю Балтиморської гавані, що пролягає нижче поверхні річки Патапско на 15‒30 метрів, з’явиться тонюсінька тріщинка?
Наступного разу, йдучи містом, спробуйте думати як фізик. Що ви бачите насправді? Перед вами — результат запеклих битв, що вирують у кожній будівлі, і я маю на увазі не офісні інтриги. По один бік поля бою земна гравітація тягне все донизу — не тільки стіни, підлогу і стелю, а й столи, кондиціонери, поштові скриньки, ліфти, секретарів, топ-менеджерів і навіть ранкову каву з круасанами. По інший бік діють об’єднані сили сталі, цегли й бетону, і зрештою самої земної поверхні, що виштовхують будівлю доверху.
Якщо так, то можна розглядати архітектуру й будівництво як різні способи зупинити силу тяжіння. Нам може здатися, що деякі невагомі хмарочоси подолали гравітацію. Аж ніяк — просто битва переходить на вищий рівень. Якщо трохи над цим замислитися, стане зрозуміло, що ця зупинка тимчасова. Будівельні матеріали іржавіють, зношуються та руйнуються, тоді як сили природи невблаганні. Це лише питання часу.
Таке балансування може бути неабиякою загрозою у великих містах. Згадайте жахливу аварію 2007 року в Нью-Йорку, коли 83-річна підземна труба діаметром більше ніж півметра зненацька не витримала тиску пари, яку вона подавала. Гейзер пари пробив в асфальті на Лексінгтон-авеню величезну шестиметрову яму, яка проковтнула евакуатор, і вистрілив вище за розташований неподалік 77-поверховий Крайслер-білдинг. Якби ми майже весь час не утримували такі потенційно руйнівні сили в довершеній рівновазі, було б неможливо ходити по вулицях.
