Опыты Герике особенно наглядно показали, что воздух давит со всех сторон. Это и значит, что он обладает упругостью, благодаря которой атмосферное давление передается во все стороны одинаково.
Какова же, однако, причина упругости воздуха? Объяснил это явление гениальный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.
Родился Ломоносов в ноябре 1711 года в семье кре-стьянина-помора Василия Ломоносова, в маленькой русской деревне Денисовке, которая расположена в устье Северной Двины, близ города Холмогоры.
В этой деревне родился Ломоносов
Рано приобщился сын помора к тяжелому и опасному труду — ловле рыбы в студеном море. Мальчик проявлял усердие в труде и необыкновенную любознательность. Едва постигнув грамоту, он сразу же пристрастился к книгам. Книги пробудили в нем стремление к знанию; к ним он тянулся, как к свету. Когда ему исполнилось девятнадцать лет, он навсегда покинул родные Холмогоры и отправился учиться в Москву. Ни запрет родителей, ни стужа, ни далекий путь не могли его остановить. С тех пор его жизнь неразрывно связана с наукой. Он изучал и физику, и математику, и химию, и геологию, и литературу. И в каждой из этих наук он сделал столько, сколько сделал бы большой ученый, посвятивший себя изучению только этой отрасли знаний.
В одном из своих сочинений Ломоносов выяснил причину упругости воздуха. Сочинение Михаила Васильевича Ломоносова «Попытка упругой силы воздуха» было написано в 1740 году. К этому времени благодаря трудам нескольких поколений утвердилось представление, что воздух неоднороден и представляет собой совокупность многих газов.
Выделение газов наблюдали в пещерах, шахтах и болотах. Так, например, было известно, что в некоторых местах птицы задыхаются, ибо попадают, как полагали раньше, в места испорченного воздуха, и что есть испарения земли, которые смертельны для человека.
Голландский химик Ван-Хельмхольт впервые предложил само слово «газ». Он выдумал это слово, видимо производя его от известного слова «хаос».
А итог многовековым исследованиям состава оболочки земли — воздуха — подведен в трудах известного французского химика Антуана Лорана Лавуазье. Им же были даны современные названия известных в то время газов.
Вернемся теперь к исследованиям Михаила Васильевича Ломоносова, который вскрыл то, что ускользнуло от взора его предшественников, — причину упругости воздуха.
Он исходил из того, что воздух представляет собою смесь различных газов. А газ — скопление большого числа частичек вещества, атомов. Каждый газ в отдельности и их смесь обладают упругостью, потому что атомы не покоятся, а находятся в движении. Поясняя свою мысль, Ломоносов писал:
«Свойства упругости проявляют не единичные частички, не имеющие какой-либо физической сложности и организованного строения, но производит совокупность их».
При этом, продолжая рассуждения, Ломоносов усматривал, что сила упругости обусловлена взаимным действием частиц между собою:
«Так как эта сила при прочих равных условиях увеличивается и уменьшается в отношении плотности собственной материи воздуха, то нет сомнения, что она происходит от какого-то непосредственного взаимодействия атомов».
Но как это происходит? Каким образом представлял М. В. Ломоносов взаимодействие частиц воздуха между собою и их поведение? Размышляя над этим, М. В. Ломоносов не упускал из виду то, что воздух можно сжимать до 1/30 его первоначального объема, а это означало, что между частицами существует значительное расстояние и, следовательно, они действуют друг на друга только тогда, когда сталкиваются. Но столкновения, полагал Ломоносов, длятся весьма недолго. Об этом он пишет так:
«Очевидно, что отдельные атомы воздуха, взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими в нечувствительные моменты времени, и, когда они находятся в соприкосновении, вторые атомы друг от друга отпрыгнули, ударились в более близкие к ним и снова отскочили; таким образом, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рассеяться во все стороны».
Михаил Васильевич Ломоносов
Ценность высказанных М. В. Ломоносовым мыслей сохраняется вплоть до наших дней. М. В. Ломоносов теоретически объяснил поведение газа в опытах Бойля и Паскаля, исходя из высказанных им положений. Кроме этого, он указал, что обнаруженные ими закономерности в поведении газов не всегда могут выполняться.
Теперь мы можем уяснить себе общее поведение атмосферы. Воздух — смесь газов. Мельчайшие частички газов, никогда не зная покоя, находятся в движении. Движутся они в различные стороны. Благодаря этому состав атмосферы на различных высотах примерно одинаков. Эти частички — молекулы — не улетают от земли только потому, что она их притягивает. Если бы не это обстоятельство, то стремление воздуха занять как можно больший объем рассеяло бы атмосферу. Почему же тогда молекулы не упадут на землю подобно песку? Препятствует этому взаимодействие молекул. Когда две молекулы находятся на большом расстоянии и движутся навстречу, они притягивают друг друга и отталкивают. Но сила притяжения между молекулами на большом расстоянии значительно больше, чем сила отталкивания. По мере их сближения она уменьшается, а сила отталкивания, наоборот, возрастает. Когда расстояние становится совсем малым, сила отталкивания увеличивается настолько, что начинает превышать притяжение. И тогда под действием силы отталкивания молекулы снова разлетаются в разные стороны. Таким образом, силы взаимного действия молекул не позволяют молекулам сближаться очень близко, и это порождает упругость газа.
Схема взаимодействия молекул
Атмосфера — газообразная оболочка Земли, которая предохраняет ее от охлаждения, так как воздух плохо проводит тепло. Поэтому атмосферу можно образно назвать шубой Земли. Атмосфера существует и над другими планетами солнечной системы, например над Венерой; кстати, атмосферу этой планеты открыл М. В. Ломоносов. Воздух, окружающий земной шар, более всего содержит азота — 78,08 %. Кислород составляет только 20,95 %. Еще меньше аргона — 0,93 %. Углекислого газа— около 0,03 %. Гелия и других газов — ничтожно малое количество.
Воздушная оболочка простирается высоко над Землей. Часть ее, прилегающая непосредственно к поверхности земли до высоты 11 километров, называют тропосферой. В тропосфере находятся облака, которые дают осадки — дожди, снег и град. В тропосфере, как и в более высоких слоях, преобладают азот и кислород. За тропосферой, вплоть до 75 километров, находится стратосфера. Хотя в нижних слоях стратосферы больше водорода, а в верхних — гелия, но в общем состав воздуха примерно такой же, как и в тропосфере. В стратосферу поднимались советские аэронавты, достигнув высоты 22 километров.
В настоящее время для изучения атмосферы на большую высоту запускают воздушные шары, так называемые аэрозонды, с автоматическими приборами.
А запуск искусственных спутников Земли позволил осуществить непосредственные замеры и наблюдения в верхних слоях атмосферы.
КАК ЗВУЧАЛ БЫ ЦАРЬ-КОЛОКОЛ
Обыкновенный маятник
Мир звуков на Земле существует лишь благодаря атмосфере. В то же время Земля совершает свое движение в безмолвном океане Вселенной.
Шум ветра и дождя, грохот грома и бушующих вод, шелест листьев и звонкое журчанье ручьев — звуки стихии. Они существовали на Земле и безраздельно царили в течение долгого времени, прежде чем появились живые существа. Появление человека не только расширило мир звуков природы, но украсило его речью, пением и музыкой.
Человек заставил тела звучать по своему усмотрению. Хорошо высушенные и натянутые шкуры стали барабанами, а жилы животных — струнами музыкальных инструментов.
Ни один оркестр не обходится без барабана, который является для него своеобразными часами. Звуки барабана раздаются через равные промежутки времени, удерживая музыкантов от излишне торопливого звучания инструментов оркестра.
Трубчатые стебли растений и просверленные рога животных тоже звучат, если через них продувать воздух. По всей вероятности, так были устроены первые духовые инструменты. Охотничьи рожки и свистки сохранились до сих пор, и звуки их по-прежнему собирают собак, увлекшихся преследованием зверя на охоте.
Звучание натянутых шкур и жил происходит тогда, когда их заставляют вздрагивать — совершать колебания. В окружающей среде при этом возникают упругие волны.
Давно замечено, что звучащие тела совершают колебания, но не все колеблющиеся тела издают звук.