Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Когда бейсбольный мяч или мяч для гольфа летит, вращаясь, сквозь воздух, то одна сторона его вращается вместе с движением воздуха, текущего мимо мяча во время движения; другая же сторона мяча вращается против этого движения. Сторона, которая крутится против движения, имеет большую скорость относительно воздуха, и сопротивление воздуха в этом направлении, меньше. Шар бросают в направлении более низкого давления, так чтобы бейсбольный мяч «изогнулся» во время своего полета (чего обычно и добивается питчер[46], бросающий мяч), в то время как мяч для гольфа «идет крюком» или «мажет» (что обычно нежелательно).

В тех случаях, когда нам необходимо поддерживать высокую скорость движения сквозь воздух с использованием минимума силы, большое значение приобретает обтекаемость тела. Важность этого увеличивается одновременно с увеличением скорости, потому что сопротивление воздуха также увеличивается. Таким образом, лошадь и фургон не требуют никакой обтекаемости, автомобили же требуют ее в малой степени. (Тенденция к созданию автомобиля с абсолютно обтекаемой формой, появившаяся в конце 1930-х годов, была скорее вопросом подачи формы, а не предметом необходимости и вскоре была оставлена.)

Эффект Бернулли в газах

Однако когда разговор касается самолетов, вопрос об обтекаемости приобретает первостепенное значение, а при достижении сверхзвуковых скоростей в первую очередь происходит развитие не столько мощности тяги, сколько надлежащего изменения формы для уменьшения сопротивления воздуха. Больше того, крылья самолета (в свою очередь, обтекаемые) разработаны таким образом, чтобы воздух проходил большее расстояние над верхней частью крыла, чем под нижней, и поэтому скорость его движения над крылом больше, чем под крылом. В соответствии с принципом Бернулли это означает, что над крылом самолета получается меньшее давление воздуха, чем под ним, а это вызывает возникновение «подъемной силы», которая помогает поддержать самолет в воздухе.

Свойства газов имеют принципиальную важность при рассмотрении возможной атомистической природы материи. Если материя неатомна, то вариации в плотности должны быть вызваны непосредственно свойственными только ей различиями в самой материи. Однако каждая частица этой материи, сколь малой бы она ни была, должна быть столь же плотной, как и любая другая частица. В материи не может существовать ни пустот, ни отверстий, как это будет в случае, если материя состоит из атомов.

Если материя состоит из атомов, то между ними имелось бы пространство, содержащее только вакуум. Материю можно было бы сделать менее плотной, если каким-либо образом растянуть атомы в разные стороны, чтобы увеличить пропорциональное содержание пустот в пределах данного объема. И наоборот, материю можно было бы сделать более плотной, сдвигая атомы вместе и, таким образом, уменьшая пропорциональное содержание в ней пустот.

Действительно, могло бы показаться, что плотность данной некоторой материи можно изменить таким образом при помощи нагрева или охлаждения. Плотность обычно уменьшается при нагревании и увеличивается при охлаждении. Действительно, хотя плотность холодной воды равна 1 г/см3, плотность такой же, но горячей воды равна всего лишь приблизительно 0,96 г/см3.

Опять же твердые тела, если их достаточно нагреть, в расплавленном виде превращаются в жидкости, а жидкости снова становятся твердыми телами, будучи охлаждены. Это изменение в «состоянии материи» сопровождается внезапным изменением в плотности. Таким образом, лед имеет плотность 0,92 г/см3, но, как только мы расплавим его, он превращается в воду с резким увеличением плотности — до 1,00 г/см3. И снова твердое железо имеет плотность 7,8 г/см3, но она резко уменьшается, когда железо расплавлено и перешло в жидкую форму, которая имеет плотность всего лишь 6,9 г/см3. Ученый-атомист мог бы указать на то, что существует готовое объяснение этого эффекта — в одном состоянии вещества, составляющие его атомы, являются более компактными, чем в другом. (Согласитесь, обычно твердое тело обладает большей плотностью, вода являет собой довольно любопытное исключение.)

Однако во всех таких изменениях плотность меняется только на несколько процентов, а это не слишком убедительно. Против атомиста работает и тот факт, что жидкости и твердые тела являются относительно несжимаемыми. Требуется большое увеличение давления (достижимое только при помощи специального оборудования), чтобы вызвать даже маленькое уменьшение в объеме. По этой причине в обычной материи не может существовать значимого количества пустот между атомами, и даже атомисты вынуждены признать, что в жидкостях и твердых телах атомы, если они существуют, находятся в непосредственном контакте. Так как жидкости и твердые тела остаются несжимаемыми при любой температуре, то мнение о том, что атомы находятся на больших расстояниях в горячей воде по сравнению с холодной или в жидком железе по сравнению с твердым, скорее всего, неправильное. Если бы оно не было неправильно, то горячая вода и жидкое железо были бы, по крайней мере, умеренно сжимаемы, а они не ведут себя таким образом.

Однако совсем другое дело получается, когда разговор переходит от жидкостей и твердых тел к газам. Когда жидкая вода закипает и формируется газообразный пар, изменение в плотности — разительное и радикальное. В то время как вода в точке кипения имеет плотность 0,96 г/см3, пар при той же самой температуре имеет плотность не более чем 0,0006 г/см3. То есть пар имеет плотность, равную всего лишь 1/1700 плотности воды.

Этому можно найти разумное объяснение с точки зрения атомистического представления о материи. Можно предположить, что составляющие воду атомы (или группы атомов) отдаляются на значительное расстояние при переходе воды из жидкого состояния в газообразный пар, и пар имеет столь низкую плотность, так как состоит главным образом из пустот между атомами. Мы могли бы обобщить это представление и сказать: принимая во внимание, что в жидкостях и твердых телах атомы находятся фактически в тесном контакте, то в газах они находятся далеко друг от друга. Такое расположение атомов частиц газа объяснило бы не только чрезвычайно низкую плотность газов, но также и их низкое давление, небольшие силы трения и так далее.

Если это атомистическое представление верно и если частицы газа широко распространены, то газы должны быть легко сжимаемы. То есть если приложить к данному объему газа давление, то этот объем должен значительно уменьшиться. Это действительно так, и этот факт был впервые представлен научному сообществу английским физиком Робертом Бойлем (1627–1691) в 1660 году.

Он налил ртуть в открытый длинный конец J-образной трубки и запер некоторое количество воздуха в закрытом коротком конце. Добавляя дополнительное количество ртути, он повышал давление на запертый воздух на величину, которую мог измерить через разность между высотой ртути в открытом и закрытом концах. Он обнаружил, что удвоение давления на запертый газ вдвое уменьшало его объем, утраивание давления приводило к тройному уменьшению объема и так далее.