§ 169. Давление атмосферы

Давление воздуха вблизи поверхности Земли обусловлено его собственным весом; он сжат этим весом подобно тому, как сжата своим весом вода на дне океана. Давление воздуха вблизи поверхности Земли (точнее, на уровне моря) равно приблизительно одной атмосфере, т. е. . Следовательно, на каждый квадратный метр поверхности Земли воздух давит с силой . Поверхность Земли составляет примерно . Таким образом, воздух давит на поверхность Земли с силой, равной . Если бы плотность воздуха на любой высоте была такая же, как вблизи поверхности Земли, то толщина атмосферы составила бы около 8 км. В действительности плотность воздуха быстро убывает с расстоянием от поверхности Земли (§ 175), так что атмосфера простирается на сотни километров от поверхности Земли (за орбиты ближайших искусственных спутников); на такой высоте плотность воздуха составляет ничтожную долю его плотности у Земли.

Естественно возникает вопрос: почему мы не ощущаем атмосферного давления?

Для выяснения этого вопросы разберем следующие простые опыты. Возьмем стеклянную банку и затянем ее горловину тонкой резиновой пленкой. Хотя на каждый квадратный сантиметр поверхности пленки действует снаружи сила, равная 10 Н, т. е. на всю пленку давит сила в сотни ньютонов, пленка совершенно не прогибается. Дело в том, что воздух внутри банки сжат до той же степени, что и наружный воздух: на внутреннюю поверхность пленки действует такая же сила, как и на наружную, так что обе силы взаимно уравновешиваются и пленка остается неизогнутой, как если бы на нее не действовали никакие силы. Но если через боковую трубку откачать часть воздуха из банки, уменьшая этим его давление, то пленка прогнется внутрь банки (рис. 274, а). Она прогнется настолько, что возникшие в пленке упругие силы вместе с силой давления воздуха, оставшегося внутри банки, как раз уравновесят силу давления внешнего воздуха. Наоборот, при нагнетании воздуха в банку, пленка выгибается наружу (рис. 274, б).

Рис. 274. а) Если из банки выкачивают воздух, пленка прогибается внутрь. б) Если в банку нагнетают воздух, пленка выгибается наружу

Показательно следующее изменение описанного опыта: банка, из которой откачана часть воздуха, ставится под колокол воздушного насоса. Первоначально пленка, затягивающая отверстие банки, прогнута внутрь. Если теперь начать выкачивать воздух из-под колокола, то пленка сначала выпрямится, а при дальнейшей откачке выгнется наружу (рис. 275). Таким образом, деформация (прогиб пленки) наступает только тогда, когда с разных сторон воздух имеет разные давления; если давления одинаковы, то пленка остается плоской.

Теперь понятно, почему атмосферное давление не ощущается человеком и животными. Ткани, кровеносные сосуды и стенки других полостей тела подвергаются наружному давлению атмосферы, но кровь и другие жидкости и газы, заполняющие эти полости, сжаты до такого же давления. Поэтому упругая стенка какой-нибудь артерии подвергается одному и тому же давлению и изнутри, и снаружи и не деформируется.

Рис. 275. При выкачивании воздуха из-под колокола пленка, затягивающая горловину банки с воздухом, переходит из положения I в положение II

Подобное же взаимное уравновешивание сил давления имеет место и в жидкости, что легко наблюдать на глубоководных рыбах. Известны рыбы, живущие на глубине нескольких километров от поверхности океана, где давление окружающей воды достигает сотен атмосфер. Но каждая клеточка их тканей содержит газы и жидкости, сжатые до того же давления, и потому ни одна часть их тела не испытывает односторонних сил, которые могли бы произвести разрушения. Иногда удается вылавливать этих рыб из глубины океана специальными сетями, подвешенными на длинном тросе. Внутренние полости этих рыб, вытащенных на поверхность, всегда оказываются разорванными изнутри: в слоях воды, близких к поверхности моря, где наружное давление меньше, газы, растворенные в крови и в протоплазме клеток рыбы, выделяются и разрывают своим большим давлением ткани рыбы (ср. § 158).

169.1. Почему мы приписываем разрушение тканей газам, выделяющимся из жидкости, а не давлению самой жидкости?