Глибина, на яку занурюються сучасні бойові субмарини, військова таємниця, але вважають, що це приблизно 1000 метрів, де гідростатичний тиск становить 100 атмосфер, тобто мільйон кілограмів (1000 тонн) на квадратний метр. Не дивно, що корпуси американських підводних човнів виготовлено із високоміцної сталі, а російські підводні човни із ще міцнішого титану, тому вони можуть занурюватися ще глибше.
Можна легко продемонструвати, що сталося б із підводним човном, якби його корпус був недостатньо міцним або він занурився на занадто велику глибину. Для цього я приєдную вакуумний насос до чотирилітрової каністри з-під фарби і повільно відкачую з неї повітря. Різниця між тиском повітря ззовні та зсередини не може перевищувати 1 атмосферу (порівняйте із тиском на підводний човен!). Металеві каністри, як ми знаємо, досить міцні, але через різницю тиску ця зминається просто на наших очах, наче тонесенька алюмінієва бляшанка з-під пива. Таке враження, що невидимий велетень схопив її та стиснув у кулаку. Напевно, ми всі колись робили щось подібне із пластиковою пляшкою для води, висмоктуючи з неї значну частину повітря, від чого вона зминалася. На інтуїтивному рівні можна подумати, що пляшку пожмакало через зусилля, з яким ви висмоктали з неї повітря. Але насправді це відбувається тому, що коли я повністю відкачую повітря з каністри або ви висмоктуєте його частину з пляшки, тиск повітря зсередини більше не може компенсувати тиск повітря ззовні. Це те, що в будь-яку мить готовий зробити тиск нашої атмосфери. Абсолютно в будь-яку мить.
Каністра з-під фарби, пластикова пляшка цілком буденні речі, чи не так? Але якщо поглянути на них очима фізика, можна побачити щось зовсім інше рівновагу фантастично потужних сил. Наше життя було б неможливе без цієї рівноваги здебільшого невидимих сил, що виникають унаслідок атмосферного та гідростатичного тиску, а також невблаганної сили тяжіння. Ці сили такі могутні, що коли їхня рівновага хоч трохи порушується, це може призвести до катастрофи. Що, як у літака, який летить зі швидкістю 880 кілометрів за годину на висоті 10 кілометрів (де атмосферний тиск 0,25 атмосфери), розгерметизується шов фюзеляжу? Або якщо на даху тунелю Балтиморської гавані, що пролягає нижче поверхні річки Патапско на 1530 метрів, зявиться тонюсінька тріщинка?
Наступного разу, йдучи містом, спробуйте
думати як фізик. Що ви бачите насправді? Перед вами результат запеклих битв, що вирують у кожній будівлі, і я маю на увазі не офісні інтриги. По один бік поля бою земна гравітація тягне все донизу не тільки стіни, підлогу і стелю, а й столи, кондиціонери, поштові скриньки, ліфти, секретарів, топ-менеджерів і навіть ранкову каву з круасанами. По інший бік діють обєднані сили сталі, цегли й бетону, і зрештою самої земної поверхні, що виштовхують будівлю доверху.
Якщо так, то можна розглядати архітектуру й будівництво як різні способи зупинити силу тяжіння. Нам може здатися, що деякі невагомі хмарочоси подолали гравітацію. Аж ніяк просто битва переходить на вищий рівень. Якщо трохи над цим замислитися, стане зрозуміло, що ця зупинка тимчасова. Будівельні матеріали іржавіють, зношуються та руйнуються, тоді як сили природи невблаганні. Це лише питання часу.
Таке балансування може бути неабиякою загрозою у великих містах. Згадайте жахливу аварію 2007 року в Нью-Йорку, коли 83-річна підземна труба діаметром більше ніж півметра зненацька не витримала тиску пари, яку вона подавала. Гейзер пари пробив в асфальті на Лексінгтон-авеню величезну шестиметрову яму, яка проковтнула евакуатор, і вистрілив вище за розташований неподалік 77-поверховий Крайслер-білдинг. Якби ми майже весь час не утримували такі потенційно руйнівні сили в довершеній рівновазі, було б неможливо ходити по вулицях.
Це перемиря між надзвичайно могутніми силами не завжди є справою рук людини. Згадайте дерева. Спокійні, мовчазні, непорушні, повільні, покірливі, вони використовують десятки біологічних стратегій у боротьбі із силою тяжіння та гідростатичним тиском. Це таке досягнення щороку випускати нові гілки і нарощувати нові кільця на стовбурі, стаючи міцнішим, хоча сила гравітаційного притягання між деревом і Землею теж зростає. І все одно воно жене сік аж до найвищих своїх гілок. Хіба не дивовижно, що дерева виростають вище за 10 метрів? Адже в моїй соломинці вода піднімається лише на 10 метрів і не більше. Чому (і як) вода може підніматися у деревах значно вище? Секвої сягають у висоту до 100 метрів, і вони якось постачають воду аж до самої верхівки.
Тому мені невимовно шкода велике дерево, повалене буревієм. Шалений вітер або іній і сніг, що налипли на його гілках, змогли порушити хитку рівновагу сил, яку воно підтримувало. Розмірковуючи над цією нескінченною битвою, я мимоволі ще більше усвідомлюю значення того далекого дня, коли наші предки стали із чотирьох кінцівок на дві і виявилися на висоті становища.
Бернуллі та інші
Мабуть, жодне досягнення людства, яке дозволило кинути виклик силі тяжіння та приборкати непостійні вітри й атмосферний тиск, не викликає такого захвату, як польоти. Як літак тримається в повітрі? Ви, можливо, чули, що це повязано із законом Бернуллі й повітряними потоками під крилами і над ними. Цей закон названо на честь математика Даніеля Бернуллі, який 1738 року у своїй праці «Гідродинаміка» опублікував рівняння, сьогодні відоме як рівняння Бернуллі. Згідно із цим законом, якщо швидкість руху потоку рідин й газу збільшується, тиск у потоці зменшується. Це важко збагнути, але ви можете побачити закон Бернуллі в дії.