Жизнь под давлением

Учебники физики называют давлением распределение силы по поверхности. Воздух давит на поверхность Земли - и мы говорим об атмосферном давлении. Его единица называется 1 бар (это давление столба воздуха весом 1 килограмм на квадратный сантиметр земной тверди). Опускаясь в морские глубины, мы испытываем давление воды. В земных недрах тоже есть давление. В центре планеты оно равно 3,5 мегабарам. Действуя со всех сторон, давление позволяет расплавленному земному ядру сохранять форму. На глубине 300 километров давление равно 60 килобарам. Под его воздействием атомы углерода теснее прижимаются друг к другу, спрессовываются - и образуются алмазы.

И за пределами Земли существует давление. Газ внутри Солнца сжат с силой 300 миллиардов бар. Такое давление преобразуется в колоссальную тепловую энергию. Температура в центре Солнца достигает 16 миллионов градусов, а на его поверхности - 6 тысяч. Поэтому мы получаем от Солнца много тепла и света. В прогнозах погоды мы постоянно слышим о циклонах. Они образуются благодаря давлению. Расстояние между молекулами в теплом воздухе больше, чем в холодном. А значит, давление в холодном воздухе выше. Когда в атмосфере встречаются теплая и холодная воздушные массы, молекулы из области с высоким давлением устремляются в область с низким давлением. Возникает атмосферный вихрь - это и есть циклон.

Полезное явление

Давление есть повсюду. Некоторые живые организмы извлекают из его существования пользу. У летучих мышей есть внутренний измеритель давления. Биологи полагают, что он находится в слуховом аппарате мышей. Животные покидают свои жилища, когда атмосферное давление падает. Ведь чем ниже давление, тем активнее ведут себя насекомые - добыча летучих мышей.

Благодаря атмосферному давлению мухи могут ползать по потолку. На их лапках есть присоски. Между присоской и поверхностью потолка образуется вакуум. Давление воздуха воздействует на присоску только снаружи, и муха не падает.

Под большим давлением древесные соки добираются до макушек гигантских секвой. И чем выше ствол дерева, тем выше должно быть давление. Биологи выяснили, что давление, которое обеспечивает деревья питанием, в то же время мешает им расти «до бесконечности». Когда давление становится слишком высоким, в стволе дерева образуются «тромбы». Они преграждают сокам путь наверх, и верхушка дерева не получает достаточно питания. Рост прекращается.

Кругом вода

Под водой давление увеличивается на 1 бар каждые 10 метров. То есть на глубине 40 метров оно равно уже 5 барам. Почему некоторые рыбы могут существовать на большой глубине - до 5 тысяч метров, а иногда и глубже? Ведь там на каждый квадратный сантиметр их тела приходится вес, равный весу вагона пассажирского поезда! Дело в том, что ткани и кости глубоководных рыб пропитаны водой. Поэтому рыбы испытывают одинаковое давление изнутри и снаружи. Но если глубоководную рыбу вытащить на поверхность, баланс внешнего и внутреннего давления нарушится. Рыба раздуется, ее внутренности вылезут через рот наружу, и она погибнет. Некоторые бактерии, живущие в воде, способны выдержать давление в 16 тысяч раз большее, чем нормальное атмосферное. Но как им  это удается, ученые пока объяснить не могут.

Человек, оказавшийся под водой, естественно, тоже испытывает ее давление. При погружении в воду без акваланга легкие сильно сжимаются. Действует так называемый закон Бойля: если увеличивается давление среды, окружающей газ (воздух в легких), то газ сжимается. На глубине 162 метров - это мировой рекорд погружения без акваланга - легкие уменьшаются до размеров яблока. На каждый квадратный сантиметр тела здесь давит вес в 17 килограммов. Казалось бы, у ныряльщика должны сломаться все кости. Но скелет справляется с этой нагрузкой, так как давление воды воздействует на него равномерно со всех сторон. Человек может выдержать и больше. Испанские ученые смоделировали подводное погружение в барокамере. Испытуемые выдержали давление, соответствующее глубине 705 метров. А ведь это 70 килограммов на квадратный сантиметр!

Воздушное море

Давление воздушных масс человек не ощущает, хоть и живет на дне «воздушного моря». Ведь воздух, как и вода, давит не только сверху, а со всех сторон. Но даже оставаясь неощутимым, давление влияет на нашу жизнь. Кости в суставах, например, плотно «подогнаны» друг к другу благодаря атмосферному давлению. Высоко в горах, где давление воздуха ниже, связь между костями слабее. Конечности плохо слушаются, часто случаются вывихи.

Пока люди не знали о существовании давления, многие загадки казались неразрешимыми. Почему так тяжело вытащить поршень из насоса с закрытым отверстием? Сейчас мы знаем: мешает давление воздуха. Простой насос - это цилиндр с поршнем. Когда отверстие насоса открыто, поршень испытывает одинаковое давление изнутри и снаружи. Стоит закрыть отверстие, и баланс нарушается. На поршень действует только давление извне. Наших сил не хватает, чтобы его преодолеть.

Великое открытие

Существование атмосферного давления доказал итальянец Эванжелиста Торичелли. Суть опыта, поставленного им в 1643 году, такова. Торричелли наполнил ртутью запаянную снизу стеклянную трубку высотой 1 метр. Затем закрыл верхний конец трубки пальцем, перевернул ее и погрузил в сосуд с ртутью. Когда ученый убрал палец, ртуть из трубки вытекла в емкость, но не полностью. Ртутный столб остановился на высоте 760 миллиметров. Торричелли предположил, что вес ртутного столба равен весу воздуха над поверхностью Земли. Воздух давит на ртуть в сосуде, поэтому ртуть из трубки не может вытечь до конца.

Опыт Торричелли произвел своего рода революцию. В трубке над ртутным столбом образовалось безвоздушное пространство. А ведь в существование вакуума никто тогда не верил. С античных времен ученые и философы утверждали, что природа не знает пустоты.

Высота ртутного столба в трубке ежедневно менялась. Поэтому Торричелли предположил, что атмосферное давление непостоянно. Ртутный столб со шкалой - это простейший ртутный барометр, незаменимый при наблюдениях за погодой. До сих пор атмосферное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).

На благо человека

Узнав о существовании давления, человек научился его эксплуатировать. Свисток чайника - результат работы давления. Нагреваясь, частицы воды двигаются быстрее. Часть из них переходит в газообразное состояние. Давление возрастает, и чайник свистит.

Чтобы очищать вакуумные туалеты в самолетах и поездах, создали специальную установку. По сути это насос, встроенный в емкость с чистящим раствором. По шлангам раствор под давлением подается в накопительный бак туалета. Уборщики не нужны: грязную работу делает струя моющего средства.

Мощное давление выбрасывает вверх струи фонтанов. Самый большой фонтан находится в Женеве. Когда-то на его месте была водозаборная станция, подававшая воду в ремесленные мастерские. Вечерами потребление воды уменьшалось. Ее избыток струей изливался в Женевское озеро. В 1891 году водопровод старой водозаборной станции превратили в декоративный фонтан.

Большие планы

Ученые ищут для давления новую работу. Сто лет назад производство паровых машин признали слишком дорогим. Сейчас инженеры вернулись к идее создания моторов, работающих благодаря давлению. Их поршни делаются из углерода и керамики. Они практически не подвержены трению, а значит, им не нужно смазочное масло. Кроме того, паровые машины не выбрасывают в атмосферу продукты сгорания.

Специалисты космического агентства NASA хотят отправлять на орбиту грузы, используя давление. Новая ракетная установка - это труба, куда заправляется смесь метана и воздуха.

Взрыв смеси приводит в движение поршень, и он выталкивает ракету на орбиту. Почему «газовые» ракеты лучше обычных? Обычные ракеты очень много весят, так как им нужен большой запас топлива. Затраты энергии при запуске таковы, что килограмм груза обходится в 20 тысяч долларов. При использовании «газовых» ракет килограмм груза стоил бы всего 600 долларов.

Николай Волков