Скажімо, ви важите 70 кілограмів і стоїте на кризі на двох ногах. Якщо дві ваші ступні мають площу приблизно 500 квадратних сантиметрів (0,05 квадратного метра), ви чините на кригу тиск 70⁄0,05 кілограма на квадратний метр, або 1400 кілограмів на квадратний метр. Якщо ви піднімете одну ногу, то тиск подвоїться до 2800 кілограмів на квадратний метр. Якщо ваш зріст, як і в мене, метр вісімдесят і ви ляжете на кригу, то що станеться? Ви розподілите 70 кілограмів на площу приблизно 8000 квадратних сантиметрів, або 0,8 квадратного метра, і ваше тіло тиснутиме на кожен квадратний метр лише 87,5 кілограма, що десь у 32 рази менше, ніж коли ви стояли на одній нозі. Що більша площа, то менший тиск, і навпаки — що менша площа, то більший тиск. Із тиском також виникає багато суперечностей.
Наприклад, тиск не має напрямку. Проте сила, яку створює тиск, його має: вона перпендикулярна поверхні, на яку діє тиск. Тепер витягніть руку долонею догори і подумайте про силу, що діє на неї, — цього разу без труби. Площа моєї долоні приблизно 150 квадратних сантиметрів, а отже, на неї згори повинна тиснути вага 150 кілограмів. То як я без зусиль тримаю руку? Зрештою я аж ніяк не важкоатлет. Справді, якби це була єдина сила, ви б не змогли утримувати на руці таку вагу. Але є ще й інші сили. Повітря тисне на нас з усіх боків, тому на тильний бік кисті також діє сила 150 кілограмів, але спрямована вгору. У результаті рівнодійна сил, що діють на руку, дорівнює нулю.
Але чому вашу руку не розчавлює під таким значним тиском? Кістки вашої руки явно достатньо міцні, щоб їх не розчавило. Візьміть шматок дерева завбільшки з вашу долоню: він витримає тиск атмосфери.
Але як щодо грудної клітки? Її площа приблизно 1000 квадратних сантиметрів. Отже, внаслідок тиску атмосфери на неї діє рівнодійна сила приблизно 1000 кілограмів, тобто 1 тонна. До спини буде прикладено таку само силу — близько тонни. Тоді чому легені не спадаються? Через те що тиск усередині легенів також становить 1 атмосферу, а отже, відсутній перепад тиску між повітрям у легенях і зовнішнім повітрям, що тисне на грудну клітку. Тому ми можемо легко дихати. Візьміть коробку або дерев’яний чи металевий ящик із такими само розмірами, як ваша грудна клітка. Закрийте ящик. Повітря всередині — це повітря, яке ви вдихаєте, — 1 атмосфера. Ящик не сплющується з тієї само причини, чому легені не спадаються. Будинки не завалюються під дією атмосферного тиску, тому що тиск повітря всередині та зовні однаковий. Це явище має назву рівновага тиску. Якби тиск повітря всередині ящика (або будинку) був значно нижчим, ніж 1 атмосфера, усе було б зовсім інакше: цілком можливо, що тоді б ящик не витримав, і я демонструю це явище на лекції. Більше про це далі.
Те, що ми зазвичай не помічаємо атмосферного тиску, не означає, що він для нас не важливий. Недарма в прогнозах погоди постійно згадують про зони високого й низького тиску. І всім нам відомо, що зона високого тиску зазвичай приносить хороші ясні дні, а низький тиск означає, що наближається грозовий фронт. Отже, вміння визначати атмосферний тиск нам би не завадило, але як це зробити, якщо ми його не відчуваємо? Ви, можливо, знаєте, що тиск вимірюють за допомогою барометра, але від цього, звісно, зрозуміліше не стає.
Магія соломинок
Почнімо з невеличкого фокуса, який ви, певно, робили десятки разів. Якщо поставити соломинку в склянку з водою або — як я полюбляю унаочнювати на лекції — із журавлинним соком, рідина заходить усередину неї. Потім, якщо затулити пальцем отвір у соломинці й почати витягати її зі склянки, сік залишиться в соломинці. Майже магія. Чому так відбувається? Пояснити не так просто.
Щоб розтлумачити суть цього явища (а також збагнути принцип дії барометра), нам потрібно зрозуміти, що таке тиск у рідинах. Тиск, що створюється тільки рідиною, називають гідростатичним (латиною це означає «рідина у стані спокою»). Зазначмо, що загальний тиск у товщі рідини — наприклад, в океані — це сума атмосферного тиску над поверхнею води (як у випадку з витягнутою рукою) та гідростатичного тиску. А тепер головний принцип: у будь-якій нерухомій рідині тиск на одному рівні однаковий. Таким чином, тиск однаковий у всіх точках горизонтальної площини.
А отже, якщо в басейні ви занурите руку в воду на 1 метр з мілкішого боку, загальний тиск на неї, який є сумою атмосферного (1 атмосфера) та гідростатичного тиску, буде таким само, як тиск на долоню вашого друга, також на глибині 1 метр під водою, але з глибшого боку басейну. Але якщо ви опустите руку на глибину 2 метри, гідростатичний тиск на неї зросте вдвічі. Що більше рідини над певним рівнем, то сильніший на цьому рівні гідростатичний тиск.