високого тиску зазвичай приносить хороші ясні дні, а низький тиск означає, що наближається грозовий фронт. Отже, вміння визначати атмосферний тиск нам би не завадило, але як це зробити, якщо ми його не відчуваємо? Ви, можливо, знаєте, що тиск вимірюють за допомогою барометра, але від цього, звісно, зрозуміліше не стає.
Магія соломинок
Почнімо з невеличкого фокуса, який ви, певно, робили десятки разів. Якщо поставити соломинку в склянку з водою або як я полюбляю унаочнювати на лекції із журавлинним соком, рідина заходить усередину неї. Потім, якщо затулити пальцем отвір у соломинці й почати витягати її зі склянки, сік залишиться в соломинці. Майже магія. Чому так відбувається? Пояснити не так просто.
Щоб розтлумачити суть цього явища (а також збагнути принцип дії барометра), нам потрібно зрозуміти, що таке тиск у рідинах. Тиск, що створюється тільки рідиною, називають гідростатичним (латиною це означає «рідина у стані спокою»). Зазначмо, що загальний тиск у товщі рідини наприклад, в океані це сума атмосферного тиску над поверхнею води (як у випадку з витягнутою рукою) та гідростатичного тиску. А тепер головний принцип: у будь-якій нерухомій рідині тиск на одному рівні однаковий. Таким чином, тиск однаковий у всіх точках горизонтальної площини.
А отже, якщо в басейні ви занурите руку в воду на 1 метр з мілкішого боку, загальний тиск на неї, який є сумою атмосферного (1 атмосфера) та гідростатичного тиску, буде таким само, як тиск на долоню вашого друга, також на глибині 1 метр під водою, але з глибшого боку басейну. Але якщо ви опустите руку на глибину 2 метри, гідростатичний тиск на неї зросте вдвічі. Що більше рідини над певним рівнем, то сильніший на цьому рівні гідростатичний тиск.
До речі, це правило стосується й атмосферного тиску. Часом ми порівнюємо атмосферу з повітряним океаном, на дні якого, тобто над більшою частиною земної поверхні, тиск становить приблизно 1 атмосферу. Але на вершині височезної гори над нами менше повітря, тому атмосферний тиск теж нижчий. На вершині Евересту він становить лише одну третю атмосфери.
І от, якщо з якихось причин тиск на одному рівні неоднаковий, рідина перетікатиме доти, доки він не вирівняється. Знову-таки, те саме відбувається з повітрям, і нам цей ефект знайомий як вітер: його спричинює рух повітря із зони високого тиску в зону низького, щоб зменшити їхню різницю. Коли вітер вщухає, тиск вирівнюється.
То що відбувається із соломинкою? Коли ви опускаєте її в рідину поки що з відкритим верхнім отвором, вона заходить усередину, поки не досягне одного рівня з рідиною у склянці поза соломинкою. Тиск повітря і там і там однаковий: 1 атмосфера.
Тепер уявімо, що я починаю втягувати сік крізь соломинку. Я висмоктую з неї трохи повітря, унаслідок чого зменшується тиск повітряного стовпа над рідиною всередині соломинки. Якби рідина в соломинці залишилася на місці, тиск на її поверхні був би меншим за 1 атмосферу, тому що тиск повітря над рідиною зменшився б. А отже, тиск на дві поверхні, всередині та за межами соломинки, що перебувають на одному рівні (в одній горизонтальній площині), відрізнятиметься, що просто неможливо. У результаті рідина в соломинці піднімається доти, доки тиск рідини в ній на одному рівні з тиском рідини у склянці знову не стане однаковим: 1 атмосфера. Якщо я, почавши пити сік через соломинку, зменшу тиск повітря в ній на 1 відсоток (тобто з 1 атмосфери до 0,99 атмосфери), тоді будь-який напій, який тільки можна собі уявити, вода, журавлинний сік, лимонад, пиво, вино підніметься приблизно на 10 сантиметрів. Звідки це число?
Отже, рідина в соломинці повинна компенсувати зниження тиску повітря на 0,01 атмосфери. І з формули для обчислення гідростатичного тиску, якої я тут не наводитиму, мені відомо, що гідростатичний тиск в 0,01 атмосфери для води (чи для будь-якої рідини зі схожою густиною) утворюється стовпом заввишки 10 сантиметрів.
Якщо ваша соломинка завдовжки 20 сантиметрів, вам доведеться сильніше втягувати повітря, щоб його тиск знизився до 0,98 атмосфери і сік піднявся на 20 сантиметрів до вашого рота. Ми до цього ще повернемося. Тепер, коли ви знаєте про невагомість у космічному кораблі (див. розділ 3) і принцип дії соломинок для пиття (цей розділ), пропоную вам цікаву задачу. У космічному кораблі в повітрі плаває кулька соку. Склянка не потрібна через невагомість. Астронавт обережно вставляє соломинку в кульку соку і починає втягувати повітря крізь неї. Чи зможе він випити сік? Вважатимемо, що тиск повітря в кораблі приблизно 1 атмосфера.
А тепер повернімося до ситуації, коли ви затуляєте пальцем верхній отвір соломинки. Якщо ви її повільно піднімете, скажімо на 5
сантиметрів, щоб другий кінець залишався зануреним, сік не витече з неї. По суті, він залишиться майже (не зовсім) на тому самому рівні, що й раніше. Ви можете це перевірити, поставивши мітку, перш ніж витягати соломинку. Рівень соку в ній тепер буде приблизно на 5 сантиметрів вище рівня соку у склянці.
Але як таке можливо, враховуючи наш непорушний принцип, що тиск у соломинці та у склянці на одному рівні має бути однаковим? Хіба це не суперечить правилу? А от і ні! Природа дуже розумна. Повітря в соломинці між соком і вашим пальцем розшириться рівно настільки, щоб його тиск зменшився на потрібну величину (приблизно на 0,005 атмосфери), а тиск рідини в соломинці встановився на одному рівні з тиском рідини у склянці: 1 атмосфера. Саме тому сік підніметься не точно на 5 сантиметрів, а трохи менше, може, лише на 1 міліметр цього достатньо, щоб повітря розширилось і його тиск знизився до бажаного значення.