Александр Коробко-Стефанов
ЗВУК ЗА РАБОТОЙ
ЗАГАДКА АТМОСФЕРЫ
Упрямый колодец
Много лет тому назад на одной из улиц итальянского города Флоренции, заняв всю проезжую часть, строители рыли колодец.
Внимание всех жителей Флоренции было приковано к строительству. По городу было объявлено, что по завершении работ состоится торжественное открытие, к которому тщательно подготавливались жители улиц, лежащих вблизи нового колодца.
Больше всех радовался новому колодцу маленький Доменико, по кличке Лохматый. Это прозвище ему дали мальчишки. Его волосы были вечно растрепаны. Да и как им не быть растрепанными. Хозяин лавки, у которого он работал, — жилистый старик старьевщик, высохшая шея которого, казалось, вот-вот оборвется, когда он вскидывал голову и тряс бородой, — по любому поводу таскал Доменико за вихры. Может быть, поэтому Доменико не удавалось даже в праздники причесать голову так гладко, как это делали другие ежедневно.
А радовался он потому, что колодец строили на его улице, против лавки старьевщика. «Как близко будет ходить по воду!» — мечтал Доменико, прислонившись к тяжелой двери у входа в лавку. А воды для стирки всякого хлама старьевщику требовалось очень много.
Чего только не приносили в лавку в течение дня! Поношенные куртки бедняков, которым не на что купить хлеба, костюмы бродячих артистов, издержавшихся в утомительных переходах из города в город, и вообще тряпье, которое годилось только для заплаток.
Купленный старьевщиком хлам стирала пятнадцатилетняя Лючия — сестра Доменико. Стирка продолжалась с утра до вечера. Стирала Лючия тщательно, перетирая в руках каждую тряпку. А после стирки несколько раз полоскала. Колодец, из которого Доменико носил воду, находился на самом конце улицы. Но нередко приходилось идти на соседнюю улицу, так как насос часто портился.
«Когда же окончатся работы?..» — вздохнул Доменико и посмотрел на строителей колодца.
В это время из лавки донесся знакомый голос: «Доменико, неси воды!» Загремели ведра, и сутулая фигурка мальчика поплелась вдоль улицы к колодцу.
Строители колодца полагали встретить воду на глубине 10–15 метров. Такая глубина колодца не могла кого-либо удивить. Флорентийцы сооружали более глубокие ямы, которыми опоясывали родной город, защищая его от непрошеных гостей. Что же могло служить поводом для торжественного открытия колодца? Ведь глубина его была пустяковой — около 15 метров. Причиной торжества мог быть только насос. До этого времени еще никто не поднимал воду с такой глубины при помощи насоса.
Насос был известен еще с глубокой древности, с незапамятных времен. Ученые объясняли его всасывающее действие тем, что «природа боится пустоты». В учении о закономерностях природы, созданном великим мыслителем древней Греции Аристотелем, это утверждение занимает основное положение.
Долгое время никому не приходило в голову сомневаться в правильности этого утверждения. Повседневные опыты, казалось бы, не противоречат ему. Если, например, в сосуд налить воду, то воздух, который там находился, уступит место воде. Но стоит опустить в воду камень, как он сразу же займет место воды. А когда высасывают ртом воздух из трубки, его место занимает вода.
В практике строительства насосов, при помощи которых поднимали воду из колодцев, не было случая, чтобы природа отступила от этого правила.
Все они исправно работали!
Возвратимся теперь на улицу Флоренции, где насос уже установили в глубокую яму, на дне которой скопилась прозрачная, хорошо освежающая в жаркие дни вода.
Толпа горожан кольцом окружила колодец, ожидая появления воды. Впереди всех был, конечно, Доменико с сестрой. Вдали от толпы стояла группа мужчин, и среди них находился Эванджелиста Торричелли — ученик великого итальянского ученого Галилео Галилея.
Торричелли родился 15 октября 1608 года в итальянском городе Фаонце. Первым учителем Торричелли, который познакомил его с математикой, был Кастелли, друг Галилео Галилея. Завершив образование, Торричелли выполнил целый ряд исследований по истечению жидкости из сосуда; руководил его исследованиями Г алилей.
Однако научное общение ученика с учителем было вскоре прервано из-за гонений, которым подвергся Галилей со стороны инквизиторов папской церкви. Последним местом заключения Галилея было селение близ Флоренции, куда в 1641 году, в октябре, было дозволено прибыть его любимому ученику. Вскоре после приезда Торричелли, в январе 1642 года, Галилео Галилей умер.
После смерти Галилея Эванджелиста Торричелли получил место придворного математика во Флоренции.
Эванджелиста Торричелли
И вот он стоит и внимательно смотрит, как, обливаясь потом, качают насос строители колодца.
Нам не придется описывать торжественную церемонию — открытие колодца не состоялось.
Вода поднялась немного, но потом, словно взбунтовавшись, отказалась следовать за поршнем.
Присутствующих охватил трепет. Это противоречило учению великого Аристотеля, которое так свято поддерживала церковь. Поэтому все обвинения посыпались на голову механиков. Насос подвергли тщательному осмотру, но придраться к его изготовлению не удалось.
Флорентийский колодец явно обладал какой-то странностью. Ведь в десятках колодцев точно такими же, даже худшими, насосами поднимали воду. Изумленные флорентийцы расходились. Но Доменико, которому было некуда идти, опустился на порог лавки, обхватил голову руками и горько плакал.
Атмосферное давление
Загадка колодца взволновала Торричелли. Возвращаясь с несостоявшегося торжества, он думал о происшедшем. Многое пришлось ему перебрать в памяти. И все-таки ученику Галилея удалось разгадать тайну флорентийского колодца. Торричелли рассуждал таким образом: «Собственно, что произошло? Колодец был глубок, узкая, длинная труба насоса была значительно больше 10 метров, а вода поднималась за поршнем только на высоту 10 метров с небольшим и не желала следовать выше этого уровня. Она отрывалась от поршня».
Так устроен колодец
Перебирая в памяти различные опыты, Торричелли вспомнил опыты Галилея, которые он производил с различными жидкостями, поднимая их поршнем в трубках. И у него жидкости, следуя за поршнем, всегда поднимались на различную, но вполне определенную высоту, а затем отрывались от него. Галилей объяснил это явление, полагая, что столб жидкости разрывается от собственной тяжести, как оборвался бы очень длинный, тяжелый канат, если его поднимать за один конец вверх. И он установил, что высота подъема жидкости зависит от веса единицы ее объема — от удельного веса. Чем меньше удельный вес жидкости, тем выше она поднимается за поршнем, но обязательно на определенной, всегда одной и той же высоте от него оторвется.
Размышляя об опытах Галилео Галилея, Торричелли пришел к заключению, что столб жидкости перестает следовать вверх за поршнем и отрывается от него не потому, что он достиг некоторого определенного веса. Если бы это было так, то в тонкой трубе можно было бы поднять жидкость выше, чем в широкой, чего, однако, не наблюдалось. Видимо, полагал Торричелли, столб жидкости перестает следовать вверх за поршнем и отрывается от него тогда, когда давление этого столба не уравновешивается давлением жидкости снизу. Но откуда возьмется давление жидкости снизу трубки? Если оно существует, то это может происходить лишь потому, что жидкость передает давление воздуха, находящегося над ее поверхностью. Ведь воздух, как доказал Галилео Галилей, обладает тяжестью — имеет вес. Он даже определил, что воздух в четыреста раз легче воды.
Воздух, заключил Торричелли, давит на поверхность воды, благодаря чему она и может подниматься вверх по трубе вслед за поршнем, который создает разреженное пространство над поверхностью жидкости.
Вода следует за поршнем при его подъеме только до тех пор, пока давление столба воды не уравновесит давление воздуха. После этого между столбом воды и поршнем, если его продолжать поднимать, остается пустота. И эту пустоту вода не может заполнить: ведь наступило равенство давления воздуха и поднявшегося столба воды.
Вот, оказывается, в чем заключалась странность флорентийского колодца. И Торричелли задумал опыт, который должен был доказать, что он прав.
Этот опыт спустя три года после неудачи с колодцем осуществил Вивиани — друг Торричелли. Длинная стеклянная трубка, запаянная с одной стороны, была наполнена ртутью и поставлена вертикально в сосуд с ртутью открытым концом. Для того чтобы предотвратить вытекание ртути из трубки при ее опрокидывании, открытый конец закрывался пальцем и открывался после погружения в ртуть, находящуюся в сосуде.
