Основные законы гидростатики

«Эврика!» («Нашел!») — такое восклицание вырвалось у древнегреческого ученого Архимеда в связи с открытием, что если какой-либо предмет опустить в жидкость или поместить в газообразное вещество, то его вытолкнет с такой силой, которую можно приравнять к весу вытесненной субстанции. Закон получил имя великого ученого и статус основы гидростатики. А между тем Архимед (287—212 до н. э.) пришел к нему совершенно случайно.

Однажды придворный ювелир по заказу своего государя — правителя Сиракуз Гиерона — смастерил венец из золота. Монарх заподозрил умельца в обмане: мол, не смошенничал ли ты, голубчик, изготовив венец не из чистого золота, а из сплава с серебром? Проверить это, не повредив изделия, мог только Архимед. Дни и ночи корпел он над венцом, пытаясь выяснить, из чего же сделано украшение, но все было впустую. Озарение снизошло на ученого лишь в купальне. Погружаясь в воду, он увидел, как вода выплескивается через край, и, осененный гениальной догадкой, с возгласом «Нашел!» помчался домой — проверять свою догадку.

На следующий день он явился ко двору и потребовал у царя емкость, до краев наполненную водой, а также золотой и медный слитки, которые по весу не отличались бы от венца. Гиерон предоставил Архимеду все необходимое, и тот начал свой эксперимент. Опустил в емкость серебро, затем вытащил слиток и измерил, какой объем жидкости вытек. После долил воды и повторил то же самое с золотом и венцом. Золотой слиток вытеснил гораздо меньше жидкости по сравнению с серебряным, а готовое изделие заняло промежуточную позицию. Так и стало ясно, что венец не чисто золотой, а с примесью.

Таким образом, Архимед не только открыл важный физический закон, но еще и придумал, как определить все элементы и их соотношение в составе изделия, не испортив последнее.

После этого прошло немало веков, и только в XVII в. с подачи французского физика и математика Блеза Паскаля (1623—1662) изыскания в области гидростатики, изучающей поведение жидкостей и газов в покое, продолжились. Именно Паскаль поставил знаменитый опыт, в ходе которого вода, льющаяся в бочку с большой высоты, попросту разорвала сосуд.

Как это произошло? Под собственным балконом ученый поставил деревянную бочку, налил в нее воды и плотно закрыл. Затем проделал в крышке дыру и через нее вставил в сосуд длинную, 4-метровую трубку. Потом поднялся на балкон и залил в трубку кружку воды. Как только вода достигла бочки — та разлетелась на дощечки: давление жидкости оказалось слишком мощным, и крепления не выдержали. Несмотря на то, что сама вода в кружке весила всего ничего, попав в трубку, она мгновенно в разы повысила давление на дно сосуда. Поток жидкости плотностью 1 г/см3 низвергся с высоты 4 м с ускорением 9,8 м/с2 — произведение этих трех величин и дало избыточное давление 0,4 атм. Зная данный показатель и учитывая метровый диаметр бочки, можно вычислить, что дно сосуда испытало натиск воды в 30 килоньютонов, а это эквивалентно весу слона. Конечно, воздух давит на воду в открытой бочке с большей силой, однако этот натиск уравновешивается давлением извне, потому сосуд не распадается.

Чуть позже Паскаль провел еще один эксперимент: надел на стеклянную трубку шарик с отверстиями, залил внутрь воду и, разместив полученную конструкцию широкой частью вниз, нажал на вставленный внутрь поршень. В тот же миг из отверстий брызнули струи воды, и ученый, измерив их напор и длину ровных отрезков, сделал вывод: раз жидкость льется одинаково из всех отверстий, то и давление в сосуде распределяется одинаково во все стороны. Для подтверждения Паскаль перевернул конструкцию вверх тормашками и повторил эксперимент. Результат оказался тот же, только вода, выпрыскиваясь, закруглялась резче, чем в предыдущем опыте, и ровная часть ее струек была короче (сказывалось действие земного тяготения). В завершение ученый поэкспериментировал с паром — и убедился, что газы ведут себя так же, как жидкости, а значит, правило равномерной передачи давления распространяется и на них.

Дальнейшие наблюдения, которые Паскаль проводил уже с барометром Э. Торричелли, взбираясь на разные возвышенности (гору, лестницу собора, башню) и фиксируя изменения уровня ртутного столба, показали: чем выше мы поднимаемся, тем меньше на нас давит воздух. Впоследствии на башне Сен-Жак, где проходил одни из этапов исследования, возвели памятник его автору.

Вот так Блез Паскаль окончательно доказал несостоятельность аристотелевской идеи «страха пустоты», которая долгое время служила единственным объяснением работы насоса и ртутного барометра. Только Паскалю удалось доказать: ртуть и вода поднимаются по трубке не потому, что пустота засасывает их, а под воздействием давления атмосферы. Более того, сформулировав основной закон гидростатики, ученый разработал гидравлический пресс, который до сих пор используется в металлургии и машиностроении.