Начнем издалека: давление — это сила, распределенная по площади. На уровне моря воздух давит на каждый квадратный сантиметр вашего тела с силой около 10 ньютонов — это есть одна атмосфера. Мы этого не чувствуем, потому что жидкости внутри нас давят наружу с той же силой. А вот под водой к этому всему делу добавляется масса всей толщи воды, которая лежит сверху.
Формулу вы наверняка встречали в школьном учебнике по физике:
Предел прочности: почему вода режет сталь, но не давит подводные лодки?
Если нырнуть в бассейн, уши начнут болеть уже на трехметровой глубине. Если речь о Марианской впадине, то там давление в тысячу раз сильнее, а с ушами можно попрощаться. Вода не имеет верхнего предела давления, но у нее есть предел терпения: при определенных условиях она... перестает быть жидкостью! Разбираемся в физике давления — почему струя воды режет, а океан давит.
Magnific
Что такое давление и почему вода давит со всех сторон
P = ρgh, где P — давление, ρ — плотность воды, g — ускорение свободного падения, h — глубина.
Каждые 10 метров глубины добавляют примерно 101 325 или одну атмосферу. И да, вода не давит только сверху вниз. Она сжимает объект со всех сторон одновременно и с одинаковой силой — это закон Паскаля. Получается, что подводная лодка на глубине не испытывает давления только сверху — вода ее как бы равномерно обнимает со всех сторон.
Каково давление на «Титаник» и на дно океана?
Обломки «Титаника» лежат на глубине около 3800 метров. Давление там составляет примерно 38,5 мегапаскаля. Для наглядности: на каждый квадратный метр корпуса давит груз весом около 3850 тонн — это как на почтовую марку поставить огромный внедорожник!
Вид на носовую часть лайнера «Титаник», запечатленный в июне 2004 года телеуправляемым подводным аппаратом «Геркулес» во время экспедиции к месту гибели судна.
На дне Бездны Челленджера (Марианская впадина, глубина около 10 935 метров) давление достигает 110 мегапаскалей. Это как взять три «Титаника» и поставить их друг на друга! Казалось бы, вот и предел — но это не так. Это просто самая глубокая впадина, которая у нас есть.
Если опустить литр воды на дно Бездны Челленджера, ее объем уменьшится всего на 5%. Не наполовину, не на десятую — всего на одну рюмку из литровой бутылки! У каждого материала есть показатель сопротивления сжатию — модуль всестороннего сжатия. Чем он выше, тем труднее сжать вещество. У воды — 2,2 гигапаскаля, у стали — 160 гигапаскалей, у воздуха — около 0,0001 гигапаскалей. Давление в Бездне Челленджера (110 МПа) делим на модуль сжатия воды (2200 МПа) и получаем 0,05 — те самые 5%. На глубине «Титаника» уменьшение объема скромнее — меньше 2%. И даже эта оценка завышена, т.к. вода при сжатии становится жестче.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Итак, чтобы сжать воду на 1%, нужно давление около 22 МПа — это глубина более двух километров. С воздухом все попроще: чтобы сжать его на 1%, понадобится всего 1000 паскалей. Представьте мешок с ватой и со стеклянными шариками. Сожмете вату, и объем изменится. А вот со стеклянными шариками так не выйдет — сколько ни тужьтесь, их объем останется прежним. Именно поэтому глубинный океаны не работает как огромный пресс, а вода у дна остается холодной. Нельзя сжать и нагреть предмет, если он попросту не сжимается.
Верхний предел давления воды и как она режет сталь
Законы физики не устанавливают предела давления. В недрах Земли давление в ядре достигает 360 гигапаскалей — это 3,6 миллиона атмосфер, или более трех тысяч глубин Марианской впадины! В лабораториях с помощью лазеров ученые достигали давления 1314 ГПа. Предела этому процессу пока не обнаружено — ученые находят лишь все более мощные «молоты». Однако сама вода меняет свое состояние гораздо раньше. При комнатной температуре и давлении около 1 ГПа она замерзает, превращаясь в лед VI. При давлении выше 2 ГПа — в лед VII. Это не тот лед, который лежит у вас в морозилке: его молекулы упакованы гораздо плотнее. Такие включения находят внутри природных алмазов, сформировавшихся на глубине сотен километров.
Кристаллизация воды в тетрагональный лед VI при комнатной температуре и давлении 0.9 ГПа.
И да, вода режет сталь ежедневно в заводских цехах. Работает это так: насос сжимает воду до 414 мегапаскалей и выбрасывает ее через сопло диаметром в несколько десятых долей миллиметра. Это 4140 атмосфер — почти в четыре раза больше, чем на дне Марианской впадины! В этом случае давление приложено к воде внутри насоса, а не к стали. Когда вода вырывается наружу через маленькое отверстие, давление преобразуется в скорость. Струя вылетает со скоростью около 910 метров в секунду — это более, чем в два раза больше скорости звука в воздухе!
Схема установки гидроабразивной резки. 1 — подвод воды под высоким давлением, 2 — Сопло, 3 — подача абразива, 4 — смеситель, 5 — кожух, 6 — режущая струя, 7 — разрезаемый материал.
Конечно, вода сама по себе сталь резать не умеет. Все дело в мелком абразиве, который подают в струю сразу после сопла — почти всегда это гранат. Иными словами, вода служит транспортным ускорителем для миллионов крошечных острых частиц. Они выбивают микроскопические кусочки металла и прокладывают прорезь. Если вы уберете абразив, такая струя сможет разрезать только пенопласт или торт. А что? Эффектно!
Так что в следующий раз, когда увидите, как струя воды кромсает лист стали, помните: это не вода сильнее металла. Она берет хитростью и точностью!
Загружаем