Це перемир’я між надзвичайно могутніми силами не завжди є справою рук людини. Згадайте дерева. Спокійні, мовчазні, непорушні, повільні, покірливі, вони використовують десятки біологічних стратегій у боротьбі із силою тяжіння та гідростатичним тиском. Це таке досягнення — щороку випускати нові гілки і нарощувати нові кільця на стовбурі, стаючи міцнішим, хоча сила гравітаційного притягання між деревом і Землею теж зростає. І все одно воно жене сік аж до найвищих своїх гілок. Хіба не дивовижно, що дерева виростають вище за 10 метрів? Адже в моїй соломинці вода піднімається лише на 10 метрів і не більше. Чому (і як) вода може підніматися у деревах значно вище? Секвої сягають у висоту до 100 метрів, і вони якось постачають воду аж до самої верхівки.
Тому мені невимовно шкода велике дерево, повалене буревієм. Шалений вітер або іній і сніг, що налипли на його гілках, змогли порушити хитку рівновагу сил, яку воно підтримувало. Розмірковуючи над цією нескінченною битвою, я мимоволі ще більше усвідомлюю значення того далекого дня, коли наші предки стали із чотирьох кінцівок на дві і виявилися на висоті становища.
Бернуллі та інші
Мабуть, жодне досягнення людства, яке дозволило кинути виклик силі тяжіння та приборкати непостійні вітри й атмосферний тиск, не викликає такого захвату, як польоти. Як літак тримається в повітрі? Ви, можливо, чули, що це пов’язано із законом Бернуллі й повітряними потоками під крилами і над ними. Цей закон названо на честь математика Даніеля Бернуллі, який 1738 року у своїй праці «Гідродинаміка» опублікував рівняння, сьогодні відоме як рівняння Бернуллі. Згідно із цим законом, якщо швидкість руху потоку рідин й газу збільшується, тиск у потоці зменшується. Це важко збагнути, але ви можете побачити закон Бернуллі в дії.
Піднесіть до рота аркуш паперу, наприклад формату А4, коротшою стороною до себе. Аркуш загнеться вниз через силу тяжіння. Тепер з усіх сил дміть над аркушем і подивіться, що станеться. Ви побачите, як він підніметься. І якщо дмухати досить сильно, аркуш може просто злетіти. Ви щойно продемонстрували закон Бернуллі, і це просте явище також допомагає пояснити, чому літаки тримаються в повітрі. Можливо, більшість із нас уже звикла бачити, як злітає Боїнг 747, або сидіти пристебнутими в кріслі його салону — насправді це вельми дивний досвід. Просто подивіться на захват дітей, які вперше в житті спостерігають за зльотом літака. Максимальна злітна вага Боїнга 747-8 — 448 тонн. Як же він може триматися в повітрі?
Крило літака сконструйовано так, щоб повітря над ним прискорювалося відносно повітря під ним. Згідно із законом Бернуллі, швидший потік повітря зверху від крила зменшує тиск над ним, внаслідок чого виникає різниця між цим низьким тиском і вищим тиском під крилом, яка й забезпечує підіймання літака. Назвімо це піднімальною силою Бернуллі. У багатьох книжках із фізики ви прочитаєте, що піднімальна сила Бернуллі — це єдине пояснення, чому літак злітає в повітря. Власне, так пишуть майже всюди. А втім, якщо ви трохи над цим подумаєте, то зрозумієте, що це не може бути правдою. Бо інакше як тоді літаки могли б літати догори дриґом?
Тому очевидно, що піднімальну силу не можна пояснити лише законом Бернуллі. Крім піднімальної сили Бернуллі існує також так звана піднімальна сила протидії. Це докладно описує Б. Джонсон у чудовій статті «Аеродинамічна піднімальна сила, ефект Бернуллі, піднімальна сила протидії» (Aerodynamic Lift, Bernoulli Effect, Reaction Lift, mb-soft.com/public2/lift.html). Піднімальна сила протидії (назва походить від третього закону Ньютона: на кожну дію існує рівна й протилежна протидія) виникає, коли повітря проходить під крилом літака під кутом до потоку. Це повітря, рухаючись від переднього до заднього краю крила, виштовхується ним униз. Це дія. У відповідь на неї має виникнути рівна протидія повітря, спрямована вгору, тому на крило діє піднімальна сила. Для Боїнга 747 (що летить зі швидкістю 880 кілометрів за годину на висоті приблизно 10 кілометрів) піднімальна сила більш як на 80 відсотків забезпечується за рахунок піднімальної сили протидії і менш як на 20 відсотків — за рахунок закону Бернуллі.
Ви можете досить легко продемонструвати піднімальну силу протидії, коли наступного разу їхатимете машиною. Цілком можливо, що ви вже робили це в дитинстві. На ходу опустіть вікно і висуньте руку, тримаючи долоню в напрямку руху, а потім трохи підніміть її, щоб пальці вказували вгору. Ви відчуєте, як вашу руку повітря виштовхує вгору. Будь ласка! Піднімальна сила протидії.
Тепер ви, можливо, думаєте, що збагнули, як деякі літаки можуть літати догори дриґом. Проте чи розумієте ви, що коли літак перевертається на 180 градусів, то і сила Бернуллі, і піднімальна сила протидії буде спрямована вниз? Пригадайте: під час польоту в нормальному положенні піднімальна сила спрямована вгору, тому що крила спрямовані вгору, але після перевертання на 180 градусів вони будуть нахилені вниз.
Повторіть ще раз експеримент із висунутою з вікна машини рукою. Коли ваші пальці вказують угору, ви відчуваєте силу, спрямовану вгору. Тепер нахиліть долоню: ви відчуєте, як руку тягне вниз.
Як тоді літаки можуть літати догори шасі? Піднімальна сила повинна якимось чином виникати зі спрямованої вгору сили протидії повітря, адже інших варіантів тут немає. Це можливо, якщо пілот (під час польоту в перевернутому положенні) так піднімає передню частину літака, щоб крила знову опинилися під кутом, спрямованим угору. Це складний маневр, який до снаги тільки дуже досвідченим пілотам. Крім того, покладатися лише на піднімальну силу протидії досить небезпечно, тому що вона за своєю природою не дуже стабільна. Ви можете відчути цю нестабільність під час експерименту з рукою, висунутою з вікна автівки. Вашу руку трохи бовтає. По суті, це й пояснює, чому більшість авіакатастроф стаються під час зльоту чи посадки — бо силу протидії складно контролювати. А під час зльоту й посадки її частка в піднімальній силі більша, ніж під час польоту на нормальній висоті. Саме тому, коли сідає великий авіалайнер, ви інколи відчуваєте, як його хитає.
Лимонадний злодій
Таємниці тиску, мабуть, і далі нас спантеличуватимуть. Наприклад, повернімося до фізики пиття крізь соломинку. Ось вам остання загадка — чудова головоломка.
Якось удома на вихідних я подумав: «Цікаво, яка найбільша довжина соломинки, крізь яку можна пити сік?». Ми всі бачили довжелезні і вигадливо закручені соломинки, які так обожнюють діти.
Як ми переконалися раніше, втягуючи повітря, ми можемо змістити сік не більше ніж на метр — і то лише на кілька секунд — отже, я не зможу пити сік із соломинки, вищої за метр. Тому я вирішив відрізати від тонкої пластикової трубки метровий шматок і перевірити, що із цього вийде. Жодних проблем: я спокійнісінько міг пити сік. Тоді я відрізав триметровий шматок трубки, поставив на підлогу відро з водою, а сам заліз на кухонний стілець, і знову напився з такої відстані. Дивовижно! І я подумав: якби я, перебуваючи на другому поверсі свого будинку, побачив, як хтось сидить унизу, скажімо на терасі, з великою склянкою соку, келихом вина чи ще чогось такого, приміром з гігантським бокалом журавлинного соку з горілкою. Чи зміг би я викрасти в нього цей напій, висмоктавши його згори через довжезну соломинку? Я вирішив з’ясувати це, що стало одним з моїх найулюбленіших демонстраційних дослідів, з якого студенти і досі дивуються.
Я дістаю довгий шматок прозорої пластикової трубки, змотаної в кільце, і прошу когось, хто сидить у передніх рядах, допомогти мені. На підлозі на видноті стоїть велика лабораторна склянка із журавлинним соком — ніякої горілки. Я беру моток трубки й починаю підніматися високою драбиною: майже на 5 метрів.
«Що ж, от моя соломинка», — кажу я, кидаючи студентці один кінець трубки. Вона притримує його у склянці, і я відчуваю, що студенти в очікуванні дива. Вони і досі не вірять, що я заліз так високо. Пам’ятаєте: раніше мені вдалося змістити сік у трубці лише на метр. А тепер я піднявся приблизно на 5 метрів. На що я взагалі розраховую?
