Читать книгу "Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…"

Мы привыкли считать железо крепким материалом, но на самом деле чистое железо достаточно хрупкое. На молекулярном уровне атомы железа образуют гладкие слои, которые выглядят красиво, но под давлением легко скользят относительно друг друга. Поэтому чистое железо (так называемое сварочное железо) очень податливо и идеально подходит для декоративного применения и инженерных работ с пластичными материалами. Но по той же причине оно не годится в качестве опорного материала.

В XIX в. альтернативой чистому железу был чугун. Чугун содержит примеси, главным образом атомы углерода, которые разрушают ровную укладку атомов железа и препятствуют скольжению слоев. Благодаря такому строению чугун прочен и прекрасно подходит для изготовления опор мостов и крупных зданий. К сожалению, вкрапления углерода делают чугун негибким и хрупким. Подобно керамике, чугун прочен в определенных условиях, но не выдерживает изгиба и рушится при слишком сильном напряжении.

Для реализации крупных проектов инженерам нужна сталь (железо с 1 или 2 % углерода), которая одновременно достаточно прочна и достаточно пластична. Однако сто лет назад производство стали было чрезвычайно трудоемким процессом.

Все начиналось с добычи железной руды. С момента кислородной катастрофы, случившейся несколько миллиардов лет назад, бо́льшая часть железа на Земле содержится в виде руд, таких как гематит (Fe₂O₃) или магнетит (Fe₃O₄). Для получения железа руду нужно расплавить, то есть разогреть с коксом (богатым углеродом твердым продуктом, получаемым из каменного угля) в присутствии воздуха. В воздухе содержится кислород, который взаимодействует с углеродом из кокса с образованием монооксида углерода (CO)*. Это вещество проникает в руду, где захватывает атомы кислорода, образуя диоксид углерода (CO₂). В результате этого процесса углерод из кокса встраивается в железо. Таким образом, первичным продуктом плавления железа является богатый углеродом чугун.

Для получения чистого железа приходится предпринимать дальнейшие шаги. Сначала нужно расплавить чугун, а это дорогой процесс, требующий больших затрат топлива. А затем в расплав нужно добавить новую порцию железной руды. В результате углерод из расплавленного чугуна и кислород из расплавленной руды взаимодействуют между собой, вновь образуя монооксид углерода, который улетучивается, а в расплаве остается чистое железо. Но поскольку в этой реакции участвуют жидкости, а не газы, это процесс длительный, занимающий несколько дней. И кто-то должен постоянно за ним следить, вручную перемешивая огненную смесь.

На этом этапе большинство плавильщиков останавливались. Очень немногие предпринимали следующие шаги, чтобы изготовить сталь, поскольку это требовало дополнительных усилий. Сначала нужно было добавить к чистому железу еще кокса, чтобы вернуть углерод, а затем варить всю эту смесь на протяжении нескольких недель. Из-за сложности процесса плавильщики изготавливали сталь лишь в небольших объемах – для производства инструментов или лезвий. Никто даже не мечтал о том, чтобы построить из стали целый дом, для этих целей использовалось железо.

Таким было положение дел в металлургии, пока производством металла не занялся англичанин Генри Бессемер. У Бессемера были пушистые, расширяющиеся книзу бакенбарды, как у генералов времен Гражданской войны в Америке. Он был автором 117 патентов на самые разные изобретения: микроскопы, вельвет, лак, производство сахара и многое другое. В начале карьеры в 1850-х гг. он изобрел снаряд удлиненной формы с замечательными аэродинамическими свойствами. Он считал, что с помощью таких снарядов Британия сможет выиграть Крымскую войну, но, к сожалению, его снаряды разрывали хрупкие чугунные пушки. Бессемера это рассердило, но и заинтриговало, и он решил заняться производством железа и стали.

Стальной магнат Генри Бессемер (Репродукция портрета любезно предоставлена фондом Wellcome Trust)

История открытий Бессемера в области металлургии не является ни короткой, ни простой, и для изложения всех подробностей у нас не хватит места. Кроме того, в этой истории принимали участие и другие химики и инженеры, вклад которых Бессемер позднее отказывался признавать. Скажем только, что благодаря счастливой случайности и сообразительности Бессемер нашел два приема, позволявших получить сталь кратчайшим путем.

Он начал с плавки чугуна, как и большинство плавильщиков. А затем добавил в расплав кислород, чтобы связать углерод. Но вместо железной руды в качестве источника кислорода использовал воздух, что было и дешевле, и быстрее. Второй прием был еще важнее. Вместо того чтобы вводить все больше и больше кислорода для связывания всего углерода, содержащегося в расплавленном чугуне, он решил в определенный момент прекратить подачу кислорода. В результате вместо чистого железа он получал сталь с каким-то содержанием углерода. Иными словами, он смог получать сталь напрямую, без дополнительных стадий и расходов.

Сначала он продувал кислород в расплав чугуна через длинную трубку. Метод сработал, и Бессемер провел испытание более крупного масштаба на местной плавильне: расплавил 300 кг железа в котле метрового диаметра. В данном случае он не полагался на собственные легкие, а пропускал в расплав сжатый воздух с помощью нескольких паровых насосов. Когда Бессемер объяснял, что хочет получить сталь с помощью воздуха, рабочие поглядывали на него с жалостью. И действительно, за десять долгих минут ровным счетом ничего не случилось. И вдруг, как позднее вспоминал Бессемер, «произошла череда слабых взрывов». Из котла поднялось белое пламя, а расплавленное железо засвистело, «как настоящий вулкан», угрожая поджечь потолок.

Переждав этот пиротехнический спектакль, Бессемер занялся изучением содержимого котла. Из-за вспышек он не смог вовремя остановить подачу кислорода, так что в результате операции он получил чистое железо. Но он все равно усмехался: процесс работал. Теперь осталось только рассчитать, когда перекрывать кислород, и у него в руках рецепт стали!

С этого момента события начали разворачиваться необыкновенно быстро. Бессемер с невероятной скоростью получал патенты, а основанная им плавильня снизила себестоимость производства стали от 40 до 7 фунтов за тонну. Кроме того, теперь процесс производства стали длился час, а не недели. Благодаря этим изменениям сталь стала доступна для крупномасштабных инженерных проектов; по мнению некоторых историков, на этом закончился век железа, длившийся три тысячелетия, и начался век стали.

Конечно, сейчас нам с вами это кажется очевидным. Но тогда все выглядело не в таком уж розовом свете, и Бессемеру стоило большого труда заставить людей поверить в его сталь. Дело в том, что каждая новая порция стали отличалась от предыдущих, поскольку было чрезвычайно сложно определить, когда именно останавливать подачу воздуха. Кроме того, в английской железной руде содержалось много фосфора, что увеличивало хрупкость стали, особенно при низкой температуре. (Счастливчик Бессемер свои первые испытания проводил на уэльской руде, в которой не было фосфора, иначе у него ничего бы не вышло.) Другие примеси вызывали другие проблемы, и вся эта неразбериха мешала признанию бессемеровской стали. Как и в истории Томаса Беддоуза в связи с его опытами с газами, коллеги и конкуренты обвиняли Бессемера в излишнем энтузиазме и даже в мошенничестве.

На протяжении следующего десятилетия Бессемер и другие промышленники активно решали эти проблемы, и в 1870-х гг. сталь, совершенно объективно, превзошла чугун по всем параметрам: она была прочнее, легче и надежнее. Однако инженеры все еще не верили в возможность использования стали, и их не стоит в этом обвинять. Казалось невероятным, что порция воздуха может так сильно упрочить металл, а многолетняя неразбериха подкрепляла эти сомнения. Когда Бессемер предложил использовать сталь для производства железнодорожных рельсов, начальник строительства с удивлением спросил: «Вы хотите, чтобы меня судили за убийство?» А всемогущая Британская торговая палата, отвечавшая за все общественные работы, запретила использовать сталь для производства мостовых опор. В результате в начале строительства моста через Тей в 1871 г. у инженеров не было иной возможности, кроме как использовать для изготовления опор чугун, а для раскосов – чистое железо и надеяться, что их взаимные недостатки скомпенсируют друг друга.

Но инженеры вовсе не думали, что этот выбор рискован. Напротив, по их мнению, мост через Тей был самым большим и мощным мостом в мире – «Титаником» в архитектуре. К сожалению, в результате стечения целого ряда обстоятельств этот замечательный мост рухнул.

Для начала, возникло недопонимание между литейным производством, поставлявшим слитки чугуна, и строительной компанией, которая отливала опоры. Как в романе «Уловка-22», строительная компания требовала «лучшее» железо для некоторых элементов конструкции. Однако компания не знала, что литейщики производили чугун трех типов: лучшее, самое лучшее и самое-самое лучшее. Поэтому, затребовав «лучшее», компания получила худшее. Во время отливки фрагменты опор отваливались, и их приходилось приваривать заново, так что опоры получились щербатыми. Вместо того чтобы остановиться, рабочие латали дыры замазкой, изготовленной буквально из всего, что попадало под руку: древесной смолы, пчелиного воска, железных опилок и, конечно же, сажи, чтобы скрыть изъяны. Рабочие называли эту замазку «яйцами Бомонта» (Beaumont’s egg), коверкая французское выражение beau montage – «выглядит неплохо».

После открытия моста ленивые инспекторы заметили неполадки, но не сообщили о нескольких уже появившихся трещинах. Историк так описывал визит одного инспектора: «Он смочил слюной листок из записной книжки, налепил на трещину и стал ждать следующего поезда. Когда поезд прошел, дыр на листке не оказалось. Значит, нет проблем!»

К сожалению, конструкция моста тоже была неудачной: он имел высоко расположенный центр тяжести и раскачивался даже в безветренную погоду, а при прохождении поезда отклонялся в стороны на 10–15 см. Главный инженер Томас Буч неверно произвел расчеты и не укрепил мост на случай ураганных ветров.

В результате всех этих обстоятельств 28 декабря 1879 г. под порывами сильнейшего ветра, достигавшего скорости 100 км/ч, мост раскачался. В шесть вечера небольшой пассажирский поезд едва его преодолел: он буквально проскользнул по рельсам, ударяясь о заграждения и оставляя позади себя столбы искр.

Крушение моста через реку Тей в Шотландии

Стотонному экспрессу, проходившему часом позже, повезло меньше. Он тоже скользил по ограждениям, еще выше поднимая столбы искр. И, на беду, именно в этот момент налетел сильнейший порыв ветра. Если бы мост был построен из прочной и гибкой стали, он, наверное, мог бы устоять. Но его сделали из жесткого чугуна не лучшего качества. Рухнули все двенадцать центральных опор – бум, бум, бум, бум, – открыв полукилометровую брешь. Поезд скользнул в пустоту и нырнул в воду с высоты 25 м вместе с 75 пассажирами.

Правительство начало расследование, и на свет выплыли все неприятные подробности о дешевом строительстве и «предательском» (как выразились следователи) чугуне. Козлом отпущения был выбран Буч. Не имело значения, что только этим летом он был произведен в рыцари (так совпало, что одновременно с Генри Бессемером) и недавно в результате несчастного случая потерял зятя. Буч был больным и слабым человеком и не выдержал испытания. Через несколько месяцев после катастрофы он умер.

Пользуясь всеобщим смятением, Торговая палата тихонько отменила запрет на использование стали для строительства мостов. В частности, очень скоро был одобрен проект нового моста через Тей со стальными опорами. Мост был открыт в 1887 г. и действует до сих пор. Совершенно естественно, что Уильям Топаз Макгонаголл посвятил открытию моста новый поэтический перл.

Рассказывая о паровых двигателях и взрывчатых веществах, мы акцентировали внимание на невероятной силе газов, и история производства стали тоже вполне укладывается в этот контекст, ведь именно добавка монооксида углерода и кислорода превращает хрупкое железо в прочную сталь. Однако из этой истории можно извлечь еще более интересный урок, касающийся изящества газов.

То, о чем я хочу рассказать, смог отразить гораздо более талантливый поэт, чем Уильям Макгонаголл, Э. Э. Каммингс, хотя и в другом контексте. В знаменитом стихотворении Каммингс описывает ощущения, рождающиеся в нем от близости любимого человека: «За лепестком лепесток, раскрываешь меня, как раскрывает / Весна (касаясь умело, загадочно) свою первую розу». И настаивает, что «ни у кого, у дождя даже, нет таких крохотных рук». Какая необычная метафора о руках дождя – как он проникает в почву и ворошит скрытую там жизнь, действуя в неподвластном нашим ощущениям измерении. Газы делают то же самое. Рассуждаем ли мы о влиянии CO и O[31]31
  Перевод Н. Семонифф.


[Закрыть]₂ на функцию наших легких или о способности этих газов превращать железо в сталь, алхимия их действия кажется одинаково загадочной. У газов тоже есть крохотные руки.

Глава шестая
В синеве

Гелий (He) содержится в воздухе в концентрации 5 ppm; при каждом вдохе мы поглощаем 70 квадриллионов молекул

Аргон (Ar) сегодня составляет 1 % воздуха, или 10 000 ppm; при вдохе мы поглощаем сотню квинтиллионов молекул

Новые эксперименты с воздухом не только способствовали материальному прогрессу, но и повлияли на наше мировоззрение. Люди вдруг осознали, что изучение окружающего их чудесного и таинственного газа – это путь к пониманию законов функционирования планеты в целом. Забавно также, что в конце XVIII в. газы помогли реализовать древнейшую мечту человечества – дали возможность неуклюжим и бескрылым земным существам подняться в небо.

Один из первых монгольфьеров, наполненный горячим воздухом и дымом

Легенда гласит, что история полетов началась с женского белья. В 42 года Жозеф-Мишель Монгольфье считался неудачником. Он унаследовал от отца фабрику по производству бумаги, но попал в долговую тюрьму, и его доля в семейном деле досталась младшему брату, что его сильно унижало. Занятия химией газов, привлекавшей также Лавуазье и Пристли, не укрепляли его репутацию в глазах окружающих. Однако в один прекрасный день в 1782 г. это увлечение принесло неожиданные плоды. Монгольфье заметил, что развешенное для просушки над огнем нижнее белье жены странным образом раздувалось. Всякий раз, когда огонь усиливался, белье поднималось в воздухе. Почему? Какая сила заставляла его подниматься? И он задумался, нельзя ли сделать такой «мешок воздуха», который мог бы поднять его самого. Так из озорной фантазии родилась идея первого в мире воздушного шара*.

Не прекращая размышлять (иногда это полезно), Монгольфье соорудил прямоугольную деревянную коробку и покрыл ее шелком. Коробка была высотой около метра и весила 2,5 кг, и, когда исследователь приподнял ее над огнем, разведенным внутри дома, она взлетела к потолку. Монгольфье повторил эксперимент на улице, и коробка поднялась на 20 м. Большинство историков сходятся на том, что Монгольфье был не бог весть каким химиком, однако его эксперимент удался. Он был счастлив: один раз в жизни ему повезло!

Жозеф продемонстрировал опыт младшему брату Жаку-Этьену, который с удивительным вниманием отнесся к изобретению брата-неудачника. Без малейших колебаний он подключился к работе и помог Жозефу сконструировать новую, на этот раз семикилограммовую, коробку. И – удивительное дело – когда ее отпустили, она сорвалась со страховочной веревки и улетела на целый километр. Братья побежали вслед и увидели только, как какой-то человек подобрал ее на земле и разломал. Тем не менее они вернулись домой в приподнятом настроении. Это был настоящий полет! На протяжении нескольких месяцев они строили планы построения большого шара, который, как они надеялись, сделает их знаменитыми.

Наконец, шар был построен: он имел сферическую форму и в диаметре достигал 10 м. Оболочка шара была сделана из обрезков шелка и прочной бумаги. Шар получился на удивление удачным. Однако эксперименты с новыми подъемными газами продвигались с трудом. Поначалу братья попробовали использовать пар, который в ту эпоху был невероятно популярен в Англии. Но пар только мочил бумагу. Они задумали переключиться на водород Кавендиша, но выяснили, что никому еще не удавалось произвести единовременно больше нескольких литров, а им требовалось несколько тысяч литров. Хуже того: эта самая маленькая молекула легко проникала через шелковое покрытие, и шар не надувался. Наконец, совершив полный круг, в 1783 г. они вновь обратились к горячему воздуху. Несмотря на любовь к химии, Жозеф почти ничего не понимал в поведении газов. В частности, он считал, что нагревание воздуха и добавление к нему дыма каким-то чудесным образом изменяет свойства воздуха. На самом-то деле, дым вообще не является газом: это примесь мелких твердых частиц, как грязь в воде. Но Жозеф считал, что именно дым позволяет шару подняться; он называл шар «облаком в бумажном мешке» и, по-видимому, буквально имел в виду облако дыма. По этой причине для первого публичного испытания беспилотного шара в июне 1783 г. братья Монгольфье развели самый дымный костер, какой только смогли, сжигая солому, дерево, кроличьи шкурки и старые ботинки.

Вокруг собралась многотысячная толпа, сквозь слезы наблюдавшая за тем, как шар рос и обретал форму. Несколько крепких мужчин удерживали его на веревках, пока кто-то не дал сигнал отпустить. Шар взмыл вверх и парил над головами, как маленькая Луна.

Это событие прославило братьев Монгольфье, однако одновременно привлекло соперников, которые поняли, что нужно делать. После некоторых размышлений жившие недалеко от Парижа братья-инженеры Анн-Жан Робер и Николя-Луи Робер придумали, как сделать шар непроницаемым для воздуха. Они растворили в скипидаре резину и покрыли этой смесью шелк. Внешний вид шара был испорчен – белые полосы на полосатом красно-белом шелке приобрели цвет зубов курильщика, – однако в результате шар можно было наполнять водородом, поскольку молекулы водорода не могли проникать сквозь покрытие. Знакомый химик Жак-Александр-Сезар Шарль решил и другую проблему, придумав, как получить больше водорода. Он заполнил железом гигантскую бочку и залил туда немного серной кислоты (H₂SO₄). В результате реакции выделилось очень много водорода, который изобретатель подвел к шару с помощью трубок из толстой кожи. В августе 1783 г. Шарль потратил четыре дня и 500 кг железа, но заполнил шар 34 000 литрами водорода. Чтобы покрыть расходы, он продавал билеты всем, кто хотел наблюдать за ходом подготовительных работ, превратив их в спектакль, примерно так, как делал Лавуазье. Шар пролетел невероятное расстояние – около 20 км – и приземлился на поле за пределами Парижа. Крестьяне немедленно набросились на него с косами и вилами, решив, что на них напал монстр. Но и в этот раз уничтожение шара не могло омрачить триумфа.

Крестьяне разрывают воздушный шар, приземлившийся за пределами Парижа

Оглушенные новостью братья Монгольфье быстро перенесли производство к северу от Версаля и начали обдумывать второй полет. Для оформления нового шара они наняли местного производителя обоев. Он создал удивительный голубой шар с золотыми знаками зодиака. Братья решили поднять на шаре нескольких животных: овцу, петуха и утку, которых планировали разместить в корзинке под шаром. Непонятно, зачем нужно было отправлять в полет утку, которая и так умеет летать, но таков был их выбор. К этому времени они уже избавились от псевдонаучных представлений о пользе дыма от ботинок и на глазах короля Людовика XVI надули шар всего за несколько минут. А затем 15 мужчин, удерживавших шар у земли, перерезали веревки. Поначалу шар накренился вбок, животные закричали и заблеяли, и толпа затаила дыхание. Но потом шар выровнялся, поднялся и пролетел 3 км без всяких приключений.

После этого братья Монгольфье и братья Робер вступили в борьбу за настоящий приз – возможность осуществить первый управляемый полет. Людовик XVI предлагал отправить в это путешествие двух преступников: ему казалось маловероятным, что в таком полете можно выжить. Но обе команды с негодованием отклонили это предложение, поскольку не желали, чтобы их слава досталась осужденным.

Учитывая степень научной подготовки, команда Роберы – Шарль, очевидно, имела преимущество. Братья Робер были хорошими инженерами, а Шарль – великолепным химиком. Но энтузиазм победил знания, и 21 ноября 1783 г. братья Монгольфье помогли двум своим друзьям – физику Жану-Франсуа Пилатру де Розье и маркизу д’Арланду – подняться в гондолу новехонького оранжевого шара. Страховочные веревки были отпущены, и оранжевый шар полетел над Парижем, как неторопливый метеор. До этого дня миллиарды людей за всю историю человечества поглядывали на пролетающих в небе птиц и думали: когда-нибудь, когда-нибудь… И вот Пилатр де Розье и маркиз д’Арланд осуществили эту мечту. Они приземлились в нескольких километрах от места взлета и стали первыми людьми, поднявшимися в небо.

Хотя команда Шарля и братьев Робер проиграла соревнование, парижане с огромным энтузиазмом ожидали их полета, состоявшегося всего через две недели, в начале декабря. По некоторым свидетельствам – не меньше половины жителей Парижа следили за тем, как Жак Шарль и Анн-Жан Робер поднимаются на борт. Кстати, среди зрителей был американский посол Бенджамин Франклин, через неделю подписавший договор об окончании американской Войны за независимость. Когда один циничный наблюдатель спросил Франклина: «Зачем нужен этот шар?» – тот в ответ пробурчал: «А зачем нужен новорожденный ребенок?»

Поскольку водород обладает большей подъемной силой, чем горячий воздух, Шарль и Робер пробыли в небе два часа и приземлились уже в сумерках, в 30 км от города. Как возбужденный мальчишка, Шарль немедленно захотел взлететь еще раз и через несколько минут опять был в воздухе, на этот раз в одиночестве. Он поднялся на высоту 3000 м и во второй раз за этот день смог наблюдать заход солнца. К несчастью, из-за многократных спусков и подъемов у него разболелись уши, и больше он никогда не поднимался в воздух, то ли потому, что знал – он уже не сможет дважды увидеть закат, то ли не хотел испытывать боли.

Вскоре полеты на воздушном шаре стали в Европе популярным занятием, хотя и были сопряжены с опасностью. Профессиональные «аэронавты» соревновались по высоте, длительности и дальности полета. Наиболее успешные становились знаменитыми – как наш современник Ивел Нивел. Кто-то предлагал пассажирам воздушную прогулку с обедом: желающие могли перекусить жареной курицей, круассанами и холодным лимонадом, глазея с высоты на проплывающую внизу землю (пить шампанское на высоте оказалось невозможным: в условиях пониженного атмосферного давления пузырьки слишком быстро вылетали из бутылки, и жидкость улетучивалась*). Обычно единственным неудобством для пассажиров в полете был холод, так что им приходилось заворачиваться в меха и одеяла. Однако периодически возникали неприятности. Метеоусловия на большой высоте меняются непредсказуемым образом, и иногда шар попадал под град или даже под удар молнии. Некоторые люди страдали от высотной гипоксии, выражающейся в помутнении в глазах, тяжести в ногах, почернении пальцев (были даже случаи кровоизлияния в глаз, как у жертв вируса Эбола). В 1875 г. произошла первая авария на воздушном шаре. Ее жертвой стал человек, первым поднявшийся в небо, – Пилатр де Розье; его шар загорелся в небе над Нормандией, когда он пытался перелететь через Ла-Манш. Его невеста Сюзанна видела, как он падал на скалы с высоты нескольких сотен метров. Через восемь дней она умерла, не пережив шока.[32]32
  Ивел Нивел (1938–2007) – знаменитый американский мотокаскадер.


[Закрыть]

Кроме отчаянных смельчаков и просто любопытных, в небо поднимались и ученые. Одни измеряли точку росы, силу магнитного поля и какие-то другие показатели. Другие выбрасывали за борт бутылки с алкоголем и измеряли, как скоро они врежутся в землю. Но большинство довольствовались простыми, хотя и удивительными, наблюдениями. Иногда на высоте нескольких километров шар сталкивался с целым облаком бабочек. Ученых занимала и необычная акустика воздуха. Поскольку шар движется по воле ветра, шум ветра не слышен, но зато невероятно отчетливо слышны звуки, доносящиеся снизу: крик петухов, стук кузнечных молотов, пистолетные выстрелы. Небо над головой тоже казалось не таким, как с земли. Слой воздуха был менее плотным, и звезды светились более жестким светом, как маленькие кусочки льда. А днем вместо привычного голубого неба люди видели более темную и мрачную синеву.

Полеты на воздушном шаре способствовали усилению интереса к свойствам газов. Неслучайно среди первых воздухоплавателей были люди, которые занялись систематическим изучением газов. Если бы их научные теории оказались неверными, они рисковали многим, в том числе собственной жизнью.

Один из первых научных вопросов заключался в том, как именно взлетает шар. Ключевые принципы этого процесса описаны еще Архимедом – знаменитым греком, бегавшим голышом по Сиракузам. В III в. до н. э. правитель Сиракуз выдал местному ювелиру слиток золота для изготовления короны, но подозревал, что хитрый мастер оставил часть золота у себя, подмешав вместо него эквивалентное количество серебра. Поскольку у правителя не было никаких доказательств, он обратился за помощью к Архимеду. Архимед несколько недель ломал голову над этой задачей, пока в один прекрасный день не погрузился в ванну и не обнаружил, что уровень воды в ванне поднялся. Его озарила догадка, и через несколько минут шедшие по улицам греческие матроны руками прикрывали детям глаза.

В большинстве версий этой истории Архимед решил задачу, опустив корону в сосуд, заполненный до половины водой, и измерив уровень подъема воды. Затем он повторил то же действие с золотым слитком такой же массы. Если вода поднимается до другого уровня, значит, ювелир смошенничал. Однако некоторые историки не соглашаются с этой версией, поскольку разница в уровне воды в обычном древнегреческом кувшине в этих двух случаях должна была составлять примерно половину миллиметра, и ее практически невозможно было заметить невооруженным глазом (попробуйте сами). Скорее, Архимед проделал другой опыт. Он знал, что вода выдавливает любой погруженный в нее предмет (вы чувствуете это, когда плаваете). И чем больше объем предмета, тем больше подъемная сила. Поэтому Архимед установил на весах корону и слиток золота и опустил всю конструкцию в воду. В воздухе корона и слиток весили одинаково (чаши весов уравновесились), но, если корона содержала примесь серебра (которое имеет меньшую плотность, чем золото), ее объем был больше объема слитка. Чем больше объем, тем больше выталкивающая сила, и, следовательно, равновесие нарушается. С достаточной достоверностью мы можем утверждать, что именно это увидел Архимед: чаша весов с короной поднялась вверх: мошенничество налицо.

Подобные эксперименты позволили сформулировать правило, которое мы теперь называем законом Архимеда. В соответствии с этим законом, во-первых, на любое погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила; во-вторых, чем больше объем тела, тем больше сила (точнее, выталкивающая сила соответствует массе вытесненной жидкости).

Но какое отношение все это имеет к воздухоплаванию? Поначалу об этом никто не думал. Однако в XVIII в. ученые поняли, что воздух в некотором смысле напоминает жидкость и тоже обладает выталкивающей силой. В обычной жизни мы ее не ощущаем, поскольку она невелика, а наше тело весьма компактно. Но она существует, и каждый из нас в воздухе весит чуть меньше, чем в вакууме. Однако объемные тела с низкой плотностью, такие как воздушные шары, действительно ощущают эту силу. Понятно, что эта сила уравновешивается силой тяжести, действующей на шар и прикрепленный к нему груз (в частности, на гондолу). Кроме того, сам газ тоже имеет массу. Поэтому при проектировании шара не следует пренебрегать массой газа внутри этого шара (он, конечно, помогает шару подняться, но не бесплатно, поскольку утяжеляет шар). Вот почему легкие газы, такие как водород, столь хороши для запуска воздушных шаров. Они весят очень мало, действующая на них сила тяжести невелика, и выталкивающая сила побеждает.

Водород – самый легкий химический элемент и в пересчете на молекулу обладает наивысшей подъемной силой. Но, в принципе, поднять шар может любой газ, который легче воздуха, – гелий, пар, аммиак. Теоретически может работать даже вакуум. Проблема только в том, что не существует такого прочного материала, который мог бы противостоять коллапсу пустого шара, и при этом такого легкого, чтобы подниматься в воздухе, – медные шары летают плохо.

Поначалу шары, наполненные водородом, были очень популярны, но постепенно выяснилось, что они слишком дорогие, легко воспламеняются и очень неустойчивы. Водород обладает такой большой подъемной силой, что траектория движения шара изменяется, даже если кто-то выльет за борт стакан воды или пописает. По этой причине большинство воздухоплавателей заполняли шары горячим воздухом и обнаружили, что шары, наполненные горячим воздухом и водородом, взлетают по разным причинам. Закон Архимеда работает в обоих случаях, но, чтобы полностью прояснить картину, нам придется применить еще и так называемые газовые законы.

К концу XVIII в. ученые уже кое-что знали о связи между температурой, давлением и объемом газа. В частности, в 1662 г. ирландский химик Роберт Бойль установил, что при повышении температуры при постоянном объеме увеличивается давление газа. Однако для описания процессов, происходящих с воздушными шарами, нужно знать зависимость объема газа от температуры. Одно важное правило гласит, что при нагревании газы расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вы можете проверить эту закономерность с помощью резинового воздушного шарика: поместите его в холодильник – он съежится, выньте из холодильника – раздуется.[33]33
  Следует уточнить. Закон Бойля (Бойля – Мариотта) звучит следующим образом: при постоянной температуре и массе газа произведение его давления на объем есть величина постоянная. Связь температуры и давления описывается законом Шарля (вторым законом Гей-Люссака): давление газа постоянной массы и объема пропорционально абсолютной температуре газа. Связь объема газа и температуры описывается первым законом Гей-Люссака (впервые открытым Шарлем): при постоянном давлении относительное изменение объема данной массы газа пропорционально изменению температуры. В зарубежной литературе газовые законы имеют несколько иные названия.


[Закрыть]

Но с шарами, заполненными горячим воздухом, происходит нечто иное. Понятно, что находящийся внутри них горячий воздух расширяется. Но в отличие от резиновых шариков, воздушные шары обычно делают из нерастяжимых материалов. В результате сам шар не может сильно расширяться. Расширяющийся газ выходит через отверстие в нижней части, поскольку ему больше некуда деваться. В результате внутри шара остается меньше газа, и, следовательно, шар меньше весит. Меньше масса тела – и выталкивающая сила Архимеда преобладает над силой тяжести и поднимает шар в голубое небо.