Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

То, как глубоко могут погружаться современные субмарины, – военная тайна, но принято считать, что они способны опускаться на глубину тысяча метров, где гидростатическое давление составляет около 100 атмосфер, то есть миллион килограммов (тысяча тонн) на квадратный метр. Неудивительно, что американские подлодки изготавливаются из высококачественной стали, а российские – из еще более прочного титана, потому могут погружаться еще глубже.

Продемонстрировать, что произойдет с подводной лодкой, если ее стенки окажутся недостаточно крепкими или если она погрузится слишком глубоко, легко. Для этого я подключаю вакуумный насос к банке из-под краски объемом в галлон и медленно выкачиваю из нее воздух. Разница давлений между воздухом снаружи и внутри не может превысить одну атмосферу (сравните с подводной лодкой!). Мы знаем, что банки для краски изготавливают из довольно крепкого материала, но прямо на наших глазах из-за разницы давлений банка сминается, словно алюминиевая жестянка из-под пива. Такое впечатление, будто невидимый великан схватил ее и сжал в кулаке. Многие из нас, в сущности, делали то же самое с пластиковой бутылкой из-под воды, высасывая из нее воздух, в результате чего она несколько сплющивалась. На интуитивном уровне вы можете подумать, что бутылка сминается из-за силы, с которой вы к ней присосались. Но на самом деле причина в том, что, когда я высасываю воздух из банки из-под краски или вы из пластиковой бутылки, давление наружного воздуха перестает испытывать достаточное противодействие внутреннего давления. Вот на что в любой момент готово давление нашей атмосферы. Буквально в любой момент.

Металлическая банка из-под краски, пластиковая бутылка на редкость банальные вещи, не так ли? Но если посмотреть на них глазами физика, можно увидеть нечто совершенно иное: баланс фантастически мощных сил. Наша жизнь была бы невозможна без таких балансов зачастую невидимых сил, возникающих вследствие атмосферного и гидростатического давления, и неумолимой силы тяготения. Эти силы настолько мощные, что даже незначительное нарушение их равновесия способно привести к настоящей катастрофе. Представляете, что будет в случае утечки воздуха через шов в фюзеляже самолета, летящего на высоте больше 7,5 километра (где атмосферное давление составляет всего около 0,25 атмосферы) со скоростью около 900 километров в час? Или если в крыше Балтиморского тоннеля, расположенного в 15–30 метрах ниже уровня реки Патапско, появится хотя бы тонюсенькая трещинка?

В следующий раз, идя по улице большого города, попробуйте думать как физик. Что вы на самом деле видите вокруг? Прежде всего результат яростных битв, бушующих внутри каждого здания, и я имею в виду отнюдь не войны в рамках офисной политики. По одну линию фронта находится сила земного притяжения, которая стремится притянуть всех и вся вниз – не только стены, полы и потолки, но и столы, кондиционеры, почтовые желоба, лифты, секретарей и исполнительных директоров и даже утренний кофе с круассанами. По другую действуют объединенные силы стали, кирпича и бетона и в конечном счете самой Земли, толкающие здания вверх.

Получается, что об архитектуре и строительстве можно думать как об искусстве борьбы с направленной вниз силой до ее полной остановки. Некоторые особенно воздушные небоскребы кажутся нам не подверженными воздействию гравитации. На самом деле ничего подобного – они просто перенесли битву на новую высоту в буквальном смысле слова. И если задуматься, вы поймете, что это лишь затишье перед бурей, которое носит временный характер. Строительные материалы подвержены коррозии, портятся и распадаются, а силы нашего природного мира вечны, безжалостны и неумолимы. И их победа – всего лишь вопрос времени.

Такая эквилибристика наиболее опасна в больших городах. Вспомним ужасную трагедию, произошедшую в Нью-Йорке в 2007 году, когда 83-летняя труба полуметровой ширины, проходящая под улицей, перестала сдерживать передаваемый по ней пар под высоким давлением, в результате чего возникший гейзер проделал в Лексингтон-авеню огромную дыру, куда провалился целый эвакуатор, и поднялся выше расположенного неподалеку 77-этажного небоскреба Крайслер-билдинг. Если бы столь потенциально разрушительные силы большую часть времени не находились в состоянии сложнейшего баланса, никто из нас ни за что не согласился бы ходить по улицам мегаполисов.

И эти временные балансы в битве чрезвычайно мощных сил касаются не только творений рук человеческих. Возьмем, например, деревья. Спокойные, тихие, неподвижные, медленно растущие и безропотные, они используют десятки биологических стратегий для борьбы с силой тяготения и гидростатическим давлением. Какой же это подвиг – каждый год выпускать новые ветки, продолжать наращивать на стволе новые кольца, становясь еще крепче и сильнее, хотя при этом и земное притяжение, действующее на дерево, тоже усиливается. А еще дерево доносит соки до своих самых высоких ветвей. Разве не удивительно, что они вообще умудряются вырастать выше десяти метров? В моей соломинке вода смогла подняться только на 10 метров, так почему (и как) она поднимается в деревьях гораздо выше? Самые высокие секвойи достигают ста метров в высоту и все равно снабжают водой все верхние листья.

Вот почему я испытываю невероятное сожаление, видя большое дерево, сломанное бурей. Свирепым ветрам, а также льду и снегу, налипшему на его ветви, удается нарушить хрупкий баланс сил, которым это дерево до сих пор вполне успешно управляло. Думая об этом бесконечном сражении, я понимаю, что все больше ценю тот неимоверно далекий день, когда наши предки встали с четверенек на две ноги и начали укреплять свое положение в этом мире.

Бернулли и не только

Возможно, самым впечатляющим достижением человечества, позволившим преодолеть неумолимое земное притяжение и научиться управлять ветрами и давлением воздуха, является полет. Как это работает? Вероятно, вы слышали, что это имеет какое-то отношение к принципу Бернулли и потокам воздуха под и над крыльями. Принцип назван в честь математика Даниила Бернулли, опубликовавшего то, что теперь все называют уравнением Бернулли, в своей книге «Гидродинамика» в далеком 1738 году. Согласно данному принципу, если скорость движения потока жидкостей или газа увеличивается, давление в потоке уменьшается. Чтобы было понятнее, вы можете увидеть принцип Бернулли в действии.

Приложите лист бумаги, скажем стандартный писчий лист, ко рту (но не в рот) коротким краем. Лист будет скручиваться вниз под действием силы тяготения. Теперь сильно дуньте в верхнюю часть бумаги и посмотрите, что произойдет. Вы увидите, что лист поднимается вверх. Если дуть действительно очень сильно, он буквально подпрыгивает вверх. Вы только что наглядно продемонстрировали принцип Бернулли, и это простое на первый взгляд явление помогает объяснить, как летают самолеты. Хотя многие из нас и привыкли к виду взлетающего ввысь самолета или к пребыванию в громадине, взмывающей в воздух, на самом деле это весьма странный опыт. Просто посмотрите, с каким восторгом маленький ребенок смотрит на свой первый в жизни взлетающий самолет. Что, в общем, понятно, ведь максимальный взлетный вес «Боинга 747-8» равен 447 тысяч килограммов[15]. Ну как, скажите на милость, такая махина держится в воздухе?

Крыло самолета спроектировано таким образом, чтобы воздух, который проходит над ним, ускорялся по отношению к воздушному потоку, проходящему снизу. Согласно принципу Бернулли более быстрый поток воздуха сверху от крыла снижает давление воздуха над крылом, и полученная в результате разница между этим низким давлением и более высоким давлением под крылом обеспечивает подъем самолета. Назовем это подъемной силой Бернулли. Многие книги по физике скажут вам, что именно она несет полную ответственность за взлет – по сути, эта идея повсеместна. А между тем, если задуматься хотя бы на пару минут, вы поймете, что это просто не может быть правдой. Потому что иначе ни один самолет не мог бы летать вверх ногами, а ведь некоторые могут!

Таким образом, получается, что принцип Бернулли не может в одиночку служить объяснением подъема. В дополнение к подъемной силе Бернулли существует так называемая реактивная подъемная сила. Б. Джонсон подробно описывает ее в восхитительной статье «Аэродинамическая сила, эффект Бернулли, реактивная сила» (http://mb-soft.com/public2/lift.html). Реактивная сила (ее еще называют силой противодействия – в честь третьего закона Ньютона, который гласит, что на каждое действие есть равное ему противодействие) возникает, когда воздух проходит под крылом самолета под углом, направленным вверх. Этот воздух, двигаясь от передней части крыла к задней, толкается крылом вниз. Это действие. И на него непременно должно быть равное противодействие воздуха, толкающего по направлению вверх, так, что крыло поднимается вверх. В случае с «Боингом 747» (он летает со скоростью около 900 километров в час на высоте около 10 тысяч метров) более 80 процентов подъемной силы обеспечиваются реактивной подъемной силой и лишь менее 20 процентов – силой Бернулли.