«Физика вокруг нас». Глава из книги

Закон Паскаля: как поднять слона

Почему иголкой можно проткнуть толстую ткань, а пальцем — нельзя? Это же очевидно: потому что иголка острая, а палец — нет! Но что значит «острый» с точки зрения физики? Вся сила, которую мы прикладываем к иголке, сосредотачивается на очень маленькой площади её острия. То есть сила может быть и небольшой, но приложенная к крошечному кусочку поверхности, она создаёт огромное давление, которое позволяет иголкам протыкать, а острым ножам разрезать.

Давление — это сила, отнесённая к площади приложения этой силы

Значит, если мы хотим сжать сильнее, не увеличивая при этом силу, нужно уменьшить площадь давления. А если, наоборот, хотим максимально снизить давление, площадь придётся увеличить. Например, мы хотим расколоть лёд на замёрзшей луже. Если он не совсем тонкий, то просто топать ногой может быть недостаточно. А если взять лом с острым концом, то дело пойдёт значительно лучше. Но вот, продолжая зимнюю прогулку, мы пришли на пруд. Вдруг лёд затрещал и вокруг появились трещины. Необходимо немедленно снизить давление, чтобы лёд дальше не растрескивался. Сбросить свой вес в одну секунду мы не можем, но можем увеличить площадь своего соприкосновения со льдом: лечь, раскинув руки, и медленно ползти к берегу. Возможно, снизив таким образом давление на лёд, мы избежим купания в полынье.

Давление можно прилагать не только к твёрдым предметам, но также к газам и жидкостям. При этом вступает в действие закон Паскаля:

Давление, производимое на жидкость или газ, передаётся в любую точку без изменений во всех направлениях.

Чтобы понять, почему так важно, что давление передаётся во всех направлениях, проведём мысленный эксперимент. Вот перед нами два цилиндра, наполненные водой. Радиус одного в 20 раз больше, чем другого. Какого веса должен быть слон, чтобы уравновесить десятикилограммовую гирю в малом цилиндре?

Ответ неожиданный: чтобы уровни жидкости в цилиндрах были равны, слон должен весить 4 тонны. Получается, стоит чуть-чуть увеличить вес гири в малом цилиндре (или слегка надавить поршнем), и мы сможем поднять четырёхтонный груз! Всё потому, что давление, которое создаёт небольшой вес в малом цилиндре, по закону Паскаля без изменений передаётся в большой цилиндр, там действует на большую площадь, и требуется огромная сила (или тяжёлый слон), чтобы его удержать на том же уровне.

Такая конструкция была изобретена в конце XVIII века англичанином Джозефом Брамой и называется гидравлический пресс. С его помощью можно, приложив сравнительно небольшое усилие, поднимать огромные тяжести или сильно сдавливать предметы. Ну а самое распространённое применение изобретения Брамы — это гидравлические тормоза, которые стоят в любом автомобиле и на многих велосипедах.

Слегка надавив на педаль, водитель через систему трубок с жидкостью передаёт давление на широкие поршни, сжимающие диски тормозов с многократно увеличенным усилием.

Представь, что ты ныряешь в воду. Если погрузиться на 2 метра, то тело, особенно уши, начнёт ощутимо сдавливать. А на большие глубины опускаться можно только в специальных камерах-батискафах, иначе столб воды просто раздавит человека в лепёшку. Но что, если мы поместим аквалангиста не в море, а в специальный аквариум с длинной трубкой? Столб сверху, конечно, останется такой же высоты, но воды-то будет существенно меньше: вся она поместится в тонкой трубке. Как будет ощущать себя аквалангист?

Здравый смысл говорит нам, что раз воды на него давит меньше, то и давление он будет ощущать меньше. Однако в физике здравый смысл часто подсказывает неверный ответ.

Давление в жидкости зависит ТОЛЬКО от высоты столба (то есть от того, сколько метров жидкости над аквалангистом), а вовсе не от массы воды. Поэтому неважно, насколько узка трубка в нашем мысленном опыте с аквалангистом, важна лишь её высота.

Это явление называется гидростатическим парадоксом, и его наглядно демонстрировал французский математик XVII века Блез Паскаль. Он вставлял в прочную бочку, заполненную водой, высокую трубку, поднимался на второй этаж и лил в трубку воду из стакана. Давление высокого водяного столба разрывало бочку, вызывая восторг у публики.

Вскоре такие фокусы наскучили Паскалю, он пережил религиозное откровение, забросил науки и стал писать философские труды на нравственные темы. В историю он вошёл не только законом своего имени, но и как автор знаменитых «Мыслей» — сочинения, отвечающего на вопрос, как надо жить.