Текст книги "Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса"

Трудность задачи заключалась в том, что для определения силы давления воздуха на тот или иной предмет следовало полностью исключить воздействие воздуха на другую сторону этого предмета, то есть создать по эту другую сторону вакуум. В четвертом столетии до нашей эры Аристотель заявил, что «природа не терпит пустоты», и эта точка зрения преобладала почти тысячелетие. Создать вакуум казалось невозможным. Но где-то около 1650 года немецкий физик Отто фон Герике изобрел первый в мире вакуумный насос. Вместо того чтобы написать научную статью на эту тему и заняться изучением других физических явлений, ученый решил устроить настоящее представление, призванное продемонстрировать его изобретение[3]3
  В наши дни не рекомендуется организовывать публичные демонстрации тех или иных научных открытий.


[Закрыть]. Возможно, этому способствовало и то, что Отто фон Герике был не только физиком, но и известным политиком и дипломатом; к тому же он был в хороших отношениях с правителями того времени.

Фердинанд III – император Священной Римской империи и король части Венгерского и Чешского королевств – прибыл 8 мая 1654 года, окруженный своей многочисленной свитой, к зданию Рейхстага в Баварии. Отто фон Герике предъявил почтенной публике полую медную сферу 50 сантиметров в диаметре. Сфера состояла из двух отдельных полусфер, соприкасающихся между собой идеально отшлифованными, ровными поверхностями. Снаружи к каждой из полусфер было приварено по кольцу для крепления двух канатов, за которые можно было тянуть с двух сторон, чтобы разделить полусферы. Отто фон Герике смазал места соприкосновения двух полусфер и плотно сжал их друг с другом, а для откачки воздуха изнутри образовавшейся сферы воспользовался своим вакуумным насосом. Казалось, ничто не должно удерживать вместе две половины сферы, однако после удаления из нее воздуха они вели себя так, словно были намертво склеены друг с другом. Отто понимал, что вакуумный насос позволяет ему оценить силу воздействия атмосферы на те или иные объекты. Миллиарды крошечных молекул воздуха бомбардируют наружную поверхность сферы, заставляя ее половины прочно держаться друг друга, а внутри сферы нет ничего, что бы противодействовало силам, давящим на нее снаружи[4]4
  Мы не знаем точно, какую часть воздуха изнутри сферы удавалось откачивать с помощью вакуумного насоса Отто фон Герике. Весь воздух он, конечно, не мог удалить, но большую часть воздуха ему, несомненно, удалось откачать.


[Закрыть]. Две полусферы можно было разъединить, только отрывая друг от друга с силой, превышающей ту, которая удерживает их вместе.

Затем в действие вступили лошади. Каждую полусферу тянули изо всех сил в противоположные стороны по 8 лошадей (всего 16 лошадей). Император и свита с изумлением наблюдали за тем, как лошади безуспешно пытались преодолеть силу невидимого воздуха, сжимавшего две полусферы. Единственным, что удерживало их вместе, была сила молекул воздуха, бомбардирующих сферу величиной с внушительный пляжный мяч. Но даже усилий стольких лошадей оказалось недостаточно, чтобы разъединить полусферы. Когда сражение закончилось в пользу молекул воздуха, Отто фон Герике с торжествующим видом открыл клапан, чтобы впустить воздух внутрь сферы, – и две полусферы рассоединились сами собой. Вопрос о победителе в этом соревновании также отпал сам собой. Давление воздуха оказалось гораздо сильнее, чем кто-либо мог предположить. Если взять весь воздух, откачанный из сферы примерно такого же размера, как в эксперименте Отто фон Герике, и составить из него воображаемый вертикальный столб, то он мог бы (теоретически) выдержать (за счет направленного вверх давления воздуха) нагрузку порядка 2000 килограммов, что примерно соответствует весу крупного взрослого носорога. Это означает, что если вы нарисуете на полу окружность диаметром 50 сантиметров, то давление воздуха на ограниченную ею площадку также равняется весу 2000-килограммового носорога. Крошечные невидимые молекулы воздуха действительно бомбардируют нас с большой силой. Отто провел множество таких представлений для разных аудиторий, а его знаменитая сфера получила известность как магдебургские полушария (Магдебург – родной город ученого).

Эксперименты Отто фон Герике отчасти стали знамениты еще и потому, что о них многие писали. Идеи ученого вошли составной частью научной мысли в книгу Гаспара Шотта, опубликованную в 1657 году. Сведения о вакуумном насосе Отто фон Герике вдохновили Роберта Бойля и Роберта Хука на проведение экспериментов по изучению давления газов.

Вы можете самостоятельно провести подобный эксперимент – без участия лошадей и императора. Найдите кусок толстого, ровного картона, достаточно большой, чтобы полностью закрыть отверстие стакана. Эксперимент лучше проводить над раковиной, на всякий случай. Наполните стакан водой – до ободка и положите сверху кусок картона. Прижмите его параллельно поверхности воды к ободку так, чтобы между ней и картоном не оставалось воздуха. Затем переверните стакан вверх дном – и уберите руку. Картон, на который оказывает давление вся вода в стакане, тем не менее не отпадает. Этому препятствуют молекулы воздуха, которые бомбардируют картон снизу, подталкивая вверх. Давления молекул воздуха вполне достаточно для удержания воды в стакане.

Давление молекул воздуха годится не только для удерживания тех или иных объектов. Его также можно использовать для перемещения объектов, причем пальма первенства в этом деле принадлежит не человеку. Обратите внимание на слона – одного из самых выдающихся специалистов на планете в деле воздействия на свое окружение с помощью воздуха.

Африканский саванный слон – величественный гигант, по обыкновению мирно разгуливающий по пыльной и жаркой африканской саванне. В жизни семьи слонов главную роль играют самки. Самая старшая из них, мать семейства, возглавляет группу слонов, которая бродит по саванне в поисках пищи и воды. Эта группа полагается на мать семейства, поскольку она запоминает окружающий ландшафт и самостоятельно принимает решения. Однако выживание этих животных и их способность противостоять врагам зависит не только от массы тела. У каждого слона оно может быть тяжелым и неуклюжим, но правильно распоряжаться им животному помогает весьма изысканный и чувствительный орган – хобот. Когда семейство слонов перемещается по саванне, они постоянно исследуют окружающий мир посредством этого странного придатка, используя его для сигнализации, обнюхивания, добывания пищи и фырканья.

Хобот слона – инструмент, замечательный во многих отношениях. Он представляет собой сеть взаимосвязанных мышц, способных сгибаться, подниматься и с невероятной ловкостью подбирать с поверхности земли те или иные объекты. Даже если бы возможности хобота исчерпывались только этим, его уже следовало бы считать чрезвычайно полезным органом, однако у хобота есть еще одна важная особенность: две ноздри, которые тянутся по всей его длине. Они представляют собой гибкие трубки, соединяющие кончик вдыхательного канала с легкими слона. Именно здесь начинается самое удивительное.

Когда слониха и ее семейство приближаются к водному источнику, окружающий их «неподвижный» воздух воздействует на них, как и во всех других местах: молекулы воздуха бомбардируют морщинистую серую кожу слонов, поверхность земли и водную поверхность. Мать семейства слегка опережает остальных слонов, раскачивая хоботом, когда она заходит в воду, создавая рябь на ее поверхности. Слониха погружает хобот в воду, закрывает рот, а мощные мышцы на ее груди вздымаются и расширяют грудную клетку. Во время расширения легких молекулы воздуха в них торопятся занять вновь образовавшееся пространство. Но это означает, что на самом кончике вдыхательного канала, где холодная вода соприкасается с воздухом в ноздрях слонихи, остается меньшее количество молекул воздуха, бомбардирующих водную поверхность. То есть они движутся с той же скоростью, но число соударений уменьшается. В результате давление внутри легких слонихи снижается. В итоге в соревновании «кто кого перетолкает» (между молекулами воздуха, бомбардирующими водную поверхность, и молекулами воздуха внутри слонихи) побеждает атмосферный воздух. Давление изнутри уже не в состоянии уравновесить давление снаружи; и вода – единственное, что остается между соревнующимися сторонами. Таким образом, атмосферный воздух проталкивает воду вверх по хоботу слонихи, поскольку воздух внутри животного не может протолкнуть воду обратно. Как только вода займет какое-то дополнительное пространство, плотность молекул воздуха внутри слонихи окажется такой же, какой была изначально, и вода перестанет продвигаться дальше.

Слоны не могут пить воду хоботом: если бы они попытались сделать это, то поперхнулись бы и закашлялись (как и вы, если бы попробовали пить воду носом). Поэтому, как только слониха наберет в хобот примерно 8 литров воды, ее грудная клетка перестает расширяться. Скручивая хобот вверх и вниз, слониха направляет его кончик в рот, а затем с помощью грудных мышц сдавливает грудную клетку, сокращая размер легких. В результате молекулы воздуха внутри слонихи сближаются и поверхность воды, остановившейся на полпути в ее хоботе, бомбардируется ими гораздо сильнее. Сражение между воздухом внутри и снаружи склоняется в пользу первого, и вода выдавливается из хобота в рот слонихи. Она управляет объемом своих легких, контролируя таким образом давление, которое воздух внутри нее оказывает на воздух снаружи. Когда слониха закрывает рот, единственным местом, где может перемещаться что-либо, остается ее хобот и все, что находится у его кончика, будет втягиваться или выталкиваться. Сочетание хобота и легких слона – универсальный инструмент управления воздухом, так что силой, которая втягивает или выталкивает воду, является давление воздуха, а не усилия слона как такового.

Мы делаем, по сути, то же самое, втягивая какую-либо жидкость через соломинку[5]5
  То же самое происходит, и когда мы дышим. Каждый совершаемый вами вдох попадает в легкие потому, что он заталкивается туда атмосферным давлением.


[Закрыть]. Когда мы расширяем свои легкие, плотность молекул воздуха в них снижается (количество молекул воздуха не меняется, а объем легких увеличивается). Внутри соломинки остается меньше молекул воздуха, оказывающих давление на поверхность воды. В результате атмосферное давление, воздействующее на оставшуюся жидкость, проталкивает ее вверх по соломинке. Мы называем это всасыванием, однако мы не втягиваем жидкость. Атмосферное давление, толкающее ее вверх, выполняет за нас всю работу. Даже такое тяжелое вещество, как вода, можно перемещать, когда бомбардировка молекулами воздуха с одной стороны сильнее, чем с другой.

Однако всасывание воздуха через хобот или соломинку имеет свои пределы. Чем больше разность давлений между двумя концами, тем сильнее выталкивание. Но максимальная разность, которой вы можете достичь при всасывании, равна разности между атмосферным давлением и нулем. Даже если бы вместо легких вы использовали идеальный вакуумный насос, то не смогли бы всасывать воду через соломинку длиною более 10,2 м, поскольку наша атмосфера не может проталкивать воду на большую высоту. Поэтому, чтобы на все сто процентов использовать «толкательную» способность молекул газа, нужно заставить их работать при более высоких давлениях, чем атмосферное. Атмосфера оказывает довольно высокое давление, но если какой-либо другой газ нагреть до высокой температуры и приложить к нему большее давление, его «толкательная» способность повысится. Возьмите достаточное количество крошечных молекул газа и заставьте их бомбардировать некий объект с достаточными частотой и скоростью – и вы придадите мощный импульс развитию цивилизации.

Паровоз – это железный дракон, шипящее, дышащее жаром могучее чудовище. Менее столетия тому назад эти драконы расплодились повсеместно, транспортируя промышленную продукцию в пределах одной страны и между разными странами и удовлетворяя потребности общества в перевозках большого количества пассажиров на дальние расстояния. Эти транспортные средства создавали сильный шум и загрязняли окружающую среду, но для своего времени были чудом инженерной мысли. Когда они устарели с моральной и технической точки зрения, общество не торопилось списывать их со счетов. Любители старины сохранили у себя немало экземпляров паровых локомотивов, которые не лишены своеобразной строгой красоты и изящества. Я выросла на севере Англии, поэтому в детские годы была буквально погружена в историю промышленной революции: фабрики, каналы, металлургические заводы, но главное – пар. Но сейчас я живу в Лондоне, и многие из детских воспоминаний уже стерлись из моей памяти. Однако прогулка вместе с сестрой по железной дороге Bluebell («Голубой колокольчик»), где курсируют поезда, приводимые в движение старинными паровозами, заставила вспомнить многое.

Тот промозглый зимний день был абсолютно идеальным для поездки на таком поезде, тем более что по ее окончании нам обещали горячий чай с булочками. На станции отправления мы ждали совсем недолго, а по прибытии в пункт назначения, Шеффилд-Парк, оказались в самом центре неторопливой, но весьма разнообразной деятельности. Вокруг паровозов непрерывно сновали, сменяя друг друга, какие-то люди, которые казались крошечными на фоне этих железных монстров. Тех, кто их обслуживал, было легко распознать: темно-синие комбинезоны, такого же цвета фуражки, добродушно-деловое настроение, наличие бороды (правда, не у всех). Время от времени они наклонялись над тем или иным узлом паровоза, исследовали его, что-то подкручивали, поправляли и настраивали. Как заметила моя сестра, многих из них почему-то звали Дейв. Прелесть парового двигателя в том, что принцип его действия фантастически прост, но исходную энергию пара нужно укрощать, регулировать и направлять. Паровой двигатель и обслуживающие его люди – настоящая команда.

Стоя на земле и глядя на огромный черный паровой двигатель, трудно было представить, что он по своей сути – не что иное, как печь на колесах, нагревающая гигантский котел. Один из Дейвов пригласил нас в кабину машиниста паровоза. Мы взобрались по крутой лесенке непосредственно позади двигателя и оказались внутри пещеры, изобилующей медными рычажками, манометрами и трубками. Здесь были также две белые эмалированные кружки и бутерброд, засунутый за одну из трубок. Однако самым замечательным оказалось то, что мы смогли заглянуть в самую пасть огнедышащего монстра – паровозную топку, которая является сердцем парового двигателя и работает на угле. Он накаляется до ярко-желтого цвета и хорошо виден, если заглянуть в топку. Кочегар вручил мне совковую лопату и предложил «подбросить уголька». Я послушно взяла лопату, зачерпнула ею порцию угля из тендера, расположенного позади меня, и отправила в жерло топки. Паровой двигатель – весьма прожорливая тварь. Чтобы преодолеть путь длиной 18 километров, необходимо сжечь примерно 500 килограммов угля. Эти полтонны «черного золота» превращаются в газ: двуокись углерода и воду. В результате сжигания угля высвобождается огромное количество энергии, поэтому газы нагреваются до очень высокой температуры. Это лишь начало преобразования энергии, приводящей в движение поезд.

Основной узел парового двигателя – длинный цилиндр, который тянется от кабины машиниста до паровозной трубы. Я никогда всерьез не задумывалась о его внутреннем содержимом, но в нем наверняка полно всевозможных трубок. По ним горячий газ передается от паровозной топки к собственно двигателю. Это и есть паровой котел. Большую часть пространства вокруг труб занимает вода: получается нечто наподобие гигантской ванны, наполненной кипящей, булькающей жидкостью. В результате нагревания труб до высокой температуры образуется пар: молекулы горячей воды, движущиеся с очень высокими скоростями в верхней части парового двигателя. В этом и состоит принцип работы парового двигателя: топка и паровой котел, создающие клубы горячего водяного пара. Дракон извергает из пасти не огонь, а миллиарды миллиардов молекул, обладающих высокой энергией. Эти молекулы, заключенные внутри парового котла, движутся с гигантскими скоростями. Температура такого газа составляет примерно 180 ℃, а давление в верхней части котла приблизительно в десять раз больше атмосферного. Молекулы газа с высокой скоростью ударяют о стенки двигателя, но выход своей энергии они могут дать, лишь совершая полезную работу.

Мы выбрались из кабины машиниста и подошли к передней части паровоза. Возвышающийся над нами двигатель, полтонны угля, гигантский паровой котел и бригада обслуживающего персонала – вот что мы там увидели. Ремонтники колдовали над двумя цилиндрами с поршнями, каждый примерно 50 сантиметров в диаметре и длиной около 70 сантиметров. Именно здесь происходит самое главное – преобразование энергии пара в механическую энергию. Горячий пар, находящийся под высоким давлением, подается поочередно то в один, то в другой цилиндр. Атмосферное давление с одной стороны поршня, разумеется, неспособно уравновесить десять атмосфер, выдыхаемых драконом. Молекулы горячего пара, бомбардирующие поршень с другой стороны, толкают его вдоль цилиндра, пока в конце не будут выпущены в атмосферу с характерным звуком «чуф-ф-ф». Именно такие звуки вы слышите, когда к вам приближается паровоз: «чуф-чуф, чуф-чуф, чуф-чуф». Их издает выпускаемая в атмосферу порция водяного пара, после того как выполнит свою часть работы. Поршень приводит в движение колеса, а колеса цепляются за рельсы и тащат вагоны. Нам известно, что паровые двигатели потребляют огромное количество угля, но почти никто не вспоминает о количестве используемой ими воды. Пятьсот килограммов угля, которые нужно сжечь в топке паровоза, чтобы преодолеть 18 километров пути, служат для превращения 4500 литров воды в пар. Этот пар толкает поршень и выбрасывается в атмосферу, по одному «чуфу» за раз[6]6
  Если вас интересует, чем объясняется столь необычная форма паровоза Thomas the Tank Engine (см. книги Реверенда У. Одри Railway Series), то спешим вам сообщить, что тут все дело в воде. Воду можно хранить в отдельном вагоне с углем (тендер) или в специальной цистерне, закрепленной рядом с двигателем. В паровозе Thomas the Tank Engine используется второй вариант. Именно этим объясняется его необычный внешний вид: характерные прямоугольные цистерны, расположенные по бокам парового котла.


[Закрыть].

Наконец пришло время расстаться с паровозом и возвратиться в один из вагонов, в котором нам предстояло отправиться домой. Обратная дорога вызвала у нас другие чувства. Клубы пара, проносившиеся мимо окон вагона, вносили свой вклад в путешествие. Паровоз, кативший наш вагон по рельсам, уже казался нам не шумным и назойливым, а довольно тихим и мирным – особенно если принять во внимание происходящее внутри него. Было бы замечательно, если бы кто-нибудь создал действующую стеклянную копию паровоза, чтобы все желающие могли наблюдать его в работе.

Революция пара начала XIX века сводилась к использованию давления молекул газа, которое бы приводило в действие механизмы, необходимые человеку. Все, что для этого нужно, – поверхность, одну сторону которой молекулы газа бомбардируют сильнее, чем другую. Сила давления пара может поднять крышку кастрюли с супом или использоваться для транспортировки продуктов питания, топлива и людей на дальние расстояния. В любом случае базовые принципы остаются теми же. Сейчас паровые двигатели уже не применяются, но базовые принципы, положенные в их основу, по-прежнему имеют сферы приложения. С технической точки зрения, паровой двигатель представляет собой «двигатель внешнего сгорания», поскольку топка отделена от парового котла. В автомобильном двигателе сгорание топлива происходит в цилиндре: бензин сгорает рядом с поршнем, а само сгорание порождает горячий газ, толкающий поршень вдоль цилиндра. Такой двигатель называется двигателем внутреннего сгорания. Каждый раз, усаживаясь в автомобиль или автобус, помните, что вы перемещаетесь за счет давления, создаваемого молекулами газа.

Проводить эксперименты с давлением и объемом довольно легко, особенно если у вас есть бутылка с широким горлышком и сваренное вкрутую очищенное от скорлупы яйцо. Горлышко бутылки должно быть капельку шире яйца, чтобы яйцо, уложенное на него, не проваливалось внутрь. Возьмите кусок бумаги, подожгите его, опустите внутрь бутылки, дайте ему погореть несколько секунд, а затем положите яйцо на горлышко бутылки. Вскоре вы увидите, как яйцо слегка сожмется и провалится внутрь бутылки. Итак, как же его теперь достать? Есть несколько способов это сделать. Один из них – перевернуть бутылку вверх дном так, чтобы яйцо «уселось» в горлышко изнутри бутылки, а затем поднести бутылку под водопроводный кран с горячей водой. Через какое-то время яйцо выскочит из бутылки.

Секрет этого «фокуса» – в наличии фиксированной массы газа (в бутылке) и возможности регулировать разность давлений внутри бутылки и снаружи, где действует атмосферное давление. Если яйцо перекрывает горлышко бутылки снаружи, объем газа внутри бутылки будет фиксированным. При повышении температуры внутри бутылки давление в ней тоже повышается и горячий воздух начинает проникать наружу, просачиваясь вдоль боков яйца (если вы уложили его сверху на горлышко). Когда яйцо снова охладится, давление внутри бутылки снизится (так как объем воздуха остается фиксированным) и яйцо провалится внутрь, поскольку давление снаружи теперь выше, чем внутри бутылки. Вы можете заставить яйцо проваливаться в бутылку и вываливаться из нее, просто нагревая и охлаждая воздух в бутылке с фиксированным объемом.

Высокие давления в паровом двигателе управляемы и стабильны, что идеально подходит для толкания поршней и вращения колес. Но это еще не все. Зачем транжирить энергию на промежуточных стадиях между газом и колесами? Почему не предоставить возможность горячим газам, находящимся под высоким давлением, приводить в движение ваше транспортное средство непосредственно? Именно по такому принципу всегда работали ружья, пушки и фейерверки, хотя ранние их образцы были весьма ненадежны. Но к началу XX столетия появились новые технологии и родились новые честолюбивые замыслы. Были разработаны первые ракеты – самый совершенный двигатель прямого действия среди когда-либо придуманных человеком.

Технологии, необходимые для создания ракетных двигателей, достигли более или менее приемлемой степени надежности только после Первой мировой войны, но лишь к 1930-м годам вы могли запустить ракету, которая, скорее всего, полетит в нужном направлении и не упадет кому-нибудь на голову. В большинстве случаев. Подобно многим другим новым технологиям, изобретатели ракетных двигателей научились запускать ракеты еще до того, как кто-либо смог предложить идеи относительно их практического применения. А из питательного бульона естественной человеческой изобретательности возникло нечто совершенно новое, очень современно звучащее и заведомо бесперспективное: ракетная почта.

В Европе идея ракетной почты и ее практическая реализация стали возможны исключительно благодаря стараниям одного человека – Герхарда Цукера. В то время ракетами занимались несколько изобретателей, но Цукер выделялся среди них редкостным упорством и неиссякаемым оптимизмом, которые помогли ему пережить бесконечную череду неудач и разочарований. Этот молодой немецкий изобретатель был буквально одержим ракетами, а поскольку военные не заинтересовались его изобретением, он постарался найти ему применение в гражданском секторе. Ему казалось, что человечество отчаянно нуждается в доставке почты ракетами: действительно, на то время более быстрый способ трудно было представить, к тому же он должен был понравиться людям своей новизной и необычностью. Поначалу в Германии терпимо относились к неудачам ранних экспериментов Цукера, но потом терпение немцев лопнуло и ученому пришлось перебраться в Великобританию. Здесь он нашел единомышленников и поддержку среди филателистов, которым идея ракетной почты понравилась не только своей оригинальностью, но и перспективой появления множества новых почтовых марок, посвященных данному способу доставки почты. Одним словом, будущее казалось Цукеру обнадеживающим. После испытания, проведенного в Гэмпшире, в июле 1934 года Цукер отправился в Шотландию, чтобы проверить возможность пересылки почты с помощью ракеты между двумя островами, Скарп и Харрис.

Ракета, сконструированная Цукером, не отличалась особой сложностью: ее корпус представлял собой большой металлический цилиндр длиной около метра, внутри которого находилась узкая медная трубка с соплом на конце, заполненным плотно упакованным порошкообразным взрывчатым веществом. В пространстве между внутренней трубкой и наружным цилиндром размещались письма. Передняя часть ракеты имела конусообразную форму и была снабжена пружиной, вероятно, призванной обеспечить мягкое приземление ракеты. На схематическом изображении ракеты тонкий слой между трубкой, из которой должны были вырываться раскаленные газы, и отделением, где находились легко воспламеняющиеся письма, был обозначен как «асбестовый защитный слой, предотвращающий возгорание почтовых отправлений». Ракета укладывалась на специальную наклонную опору (стартовый стол). В момент запуска электрическая батарея должна была обеспечить поджигание взрывчатого вещества в ракете, сгорание которого приводило бы к образованию большого количества раскаленного газа, находящегося под высоким давлением. Молекулы этого раскаленного газа, движущиеся с высокими скоростями, бомбардировали бы изнутри передний конец ракеты, увлекая ее вперед, при этом на задний конец ракеты эквивалентное давление не оказывалось бы: раскаленный газ просто вырывался бы через сопло в атмосферу. Такой дисбаланс давлений мог обеспечивать очень быстрое движение ракеты вперед. Горение взрывчатого вещества продолжалось бы не более нескольких секунд, которых вполне бы хватило для перелета ракеты с одного острова на другой. Где и как именно приземлится ракета, было делом второстепенной важности. Тем не менее это стало одной из причин проведения испытания в относительно безлюдной местности Шотландии.

Цукер собрал 1200 писем, которые предстояло переслать в ходе испытательного полета. На каждом из них красовалась специальная марка, которая гласила: Western Isles Rocket Post («Ракетная почта западных островов»). Цукер упаковал в ракету столько писем, сколько поместилось, установил ее на стартовый стол, обвел взглядом возбужденную толпу местных жителей и одну из первых телевизионных камер BBC. Торжественный момент наступил.

После нажатия кнопки «Пуск» батарея обеспечила поджигание взрывчатого вещества. Быстрое сгорание создало внутри медной трубки ожидаемую смесь раскаленных газов, молекулы которых начали с огромными скоростями бомбардировать переднюю часть ракеты, сдвигая ее со стартового стола и отправляя в полет. Но буквально через пару секунд послышался громкий звук удара и ракета исчезла в облаке дыма. Когда дым рассеялся, зрители увидели сотни писем, разбросанных по земле и трепещущих под порывами ветра. Асбестовая защитная оболочка справилась со своей задачей, а ракета – нет. Поведением раскаленного газа, находящегося под большим давлением, очень трудно управлять, и его молекулы разорвали корпус ракеты. Цукер объяснил неудачу эксперимента недостаточной прочностью кассеты со взрывчатым веществом, после чего занялся сбором второй порции писем и подготовкой ко второму испытанию.

Через несколько дней 793 уцелевших после первого испытания письма и 142 новых были помещены во вторую ракету, которую решили запустить с другого острова, Харрис, в направлении острова Скарп. Но удача отвернулась от Цукера. Вторая ракета также взорвалась на стартовом столе, причем на этот раз взрыв оказался еще мощнее. Уцелевшие письма были снова собраны и отправлены получателям обычной почтой; они, с их обожженными краями стали чем-то вроде сувениров. От проведения дальнейших испытаний Цукер после этого отказался. В течение следующих нескольких лет он безуспешно искал причины своих неудач и улучшал конструкцию ракеты. Он упорно убеждал себя и других, что в следующий раз у него наверняка получится. Увы, не получилось[7]7
  Примерно в то же время Indian Airmail Society (Индийское общество авиапочты) также экспериментировало с ракетной почтой. Им удалось выполнить 270 полетов, пересылая посылки и письма, однако такой способ доставки почты не прижился. В конечном счете ракетная почта не смогла конкурировать с обычными, «наземными» системами ее доставки в плане надежности и стоимости.


[Закрыть]. По крайней мере, с почтовой ракетой. Цукер пытался совершить прорыв в непознанное, но, как теперь стало понятно, возможно, выбрал не самые подходящие время, место или идею. Если бы были выполнены все три условия, мы бы назвали Цукера гением. Но «малая ракетная техника», к которой относится почтовая ракета Цукера, была слишком хлопотным, дорогостоящим и ненадежным способом быстрой доставки почты. Она не выдержала конкуренции с моторизованным транспортом и телеграфом. Тем не менее Цукер был прав: использование раскаленного, находящегося под большим давлением газа в качестве движущей силы обладает огромным потенциалом в деле доставки объектов из пункта A в пункт B. Однако раскрытием такого потенциала занялись другие люди, которые воспользовались этим принципом, нашли для него подходящее применение и решили практические проблемы, что привело их в конечном счете к успеху. Конструирование ракет стало уделом военных: немецкие ракеты «Фау-1» и «Фау-2», использовавшиеся в годы Второй мировой войны, указали направление, в котором должны вестись разработки ракетной техники. В послевоенное время начали интенсивно развиваться гражданские программы освоения космического пространства.

В наши дни всем хорошо знакомы фотографии гигантских ракет, доставляющих на Международную космическую станцию людей и огромные грузы или выводящих на околоземную орбиту спутники. Современные ракеты поражают воображение своими масштабами, а современные системы управления делают их вполне безопасными и надежными, и это огромное достижение человеческой мысли. Однако базовый механизм, положенный в основу каждой ракеты – «Союз», Saturn V, Arianne или Falcon 9, – остается тем же, что и в почтовой ракете Герхарда Цукера. Если вам удастся достаточно быстро выработать соответствующее количество раскаленного газа под высоким давлением, то вы сможете использовать огромную кумулятивную силу, исходящую от миллиардов отдельных молекул, бомбардирующих определенную поверхность. Давление, создаваемое на первой стадии полета ракеты «Союз», приблизительно в шестьдесят раз превышает атмосферное давление, в результате чего сила тяги в шестьдесят раз больше обычной силы давления воздуха. Но в том и другом случае природа силы та же: бомбардировка молекулами газа той или иной поверхности. Огромные количества таких молекул, соударяющихся с достаточными частотой и скоростью, могут даже обеспечить полет человека на Луну. Никогда не следует недооценивать возможности частиц, столь ничтожных по своим размерам, что их нельзя увидеть невооруженным глазом!

Молекулы газа всегда с нами. Земная атмосфера окружает нас, воздействует на нас, оказывает на нас давление и обеспечивает нам жизнь. Замечательное свойство земной атмосферы – это то, что она нестатична и пребывает в постоянном движении и изменении. Окружающий нас воздух невидим, но если бы мы могли его видеть, то увидели бы, как его огромные массы поднимаются в результате нагрева и опускаются вследствие охлаждения, как он расширяется и сжимается, находясь в непрерывном движении. Процессы, происходящие в атмосфере, как и в любой другой совокупности молекул газа, подчиняются газовым законам, которые мы рассматриваем в этой главе. Хотя окружающий нас воздух на первый взгляд не имеет ничего общего с тем, что содержится в легких кашалота или паровом двигателе, он оказывает на нас физическое воздействие. Но поскольку он также находится в окружении воздуха, это означает, что он воздействует сам на себя, приспосабливаясь к изменяющимся условиям. Мы не можем видеть подробностей процессов, происходящих в окружающем нас воздухе, но у нас есть название их последствий: погода.