Жизнь под давлением

Николай Волков

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.