Twoja wyszukiwarka

JAN GAJ
CIŚNIENIE
Wiedza i Życie nr 10/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 10/1998

ARTYKUŁ NAWIĄZUJE DO PROGRAMU TELEWIZJI POLSKIEJ (PROGRAM I) OD PLATONA I NEWTONA..., KTÓRY ZOSTANIE NADANY 27.10. O GODZ. 18.26

Świat bombarduje stale człowieka rozmaitymi bodźcami, dzisiaj znacznie intensywniej niż za czasów naszych przodków; żyjemy pod stałą presją najrozmaitszych wydarzeń, okoliczności; można powiedzieć, że środowisko nieustannie wywiera na nas ciśnie-nie (1). Usłyszawszy to ostatnie zdanie, fizyk powiedziałby: Ależ oczywiście, mniej więcej jednej atmosfery albo stu tysięcy paskali. Słowo ciśnienie, podobnie jak wiele innych słów języka potocznego, ma bowiem w fizyce ściśle określone znaczenie: jest to siła przypadająca na jednostkę powierzchni, na którą działa.

Zakres ciśnień spotykanych w przyrodzie jest niebywale szeroki: od 10-32 atmosfery (to ciśnienie wodoru w przestrzeni międzygalaktycznej) do 1029 atmosfer we wnętrzu gwiazdy neutronowej. Na tym tle osiągnięcia człowieka przedstawiają się blado: od najlepszej próżni osiąganej w laboratorium (10-17 atmosfery) do najwyższych ciśnień osiągalnych w kowadłach diamentowych (7) (2 mln atmosfer).

Jak wiemy od czasów Evangelisty Torricellego, żyjemy pod ciśnieniem atmosferycznym (5), w którym na powierzchnię każdego centymetra kwadratowego działa siła, która w przybliżeniu równa jest ciężarowi jednego kilograma. Zarówno znaczne powiększenie, jak i obniżenie tego ciśnienia jest trudne. Ale sukcesy praktyczne, polegające na wytwarzaniu bardzo niskich i bardzo wysokich ciśnień, nie są jedynymi osiągnięciami człowieka w tej dziedzinie. Bardzo ważny jest wysiłek poznawczy: zrozumienie mechanizmu powstawania ciśnienia i sformułowanie dotyczących go praw. Do fundamentów naszej wiedzy o ciśnieniu należy prawo o jego równomiernym rozchodzeniu się na wszystkie strony, które sformułowane zostało już trzy i pół wieku temu przez Blaise'a Pascala (2). To on zadał decydujący cios pojęciu horror vacui, którym filozofowie usiłowali tłumaczyć trudności z wytworzeniem próżni. Jeżeli odciągniemy tłok pustej strzykawki z zatkanym wylotem, to wróci on do pierwotnego położenia oczywiście nie ze strachu, ale wepchnięty ciśnieniem otaczającego powietrza. Współczesnym Pascala nie wydawało się to takie oczywiste, może dlatego, że nie znali strzykawek... Niezwykle ważne w historii zrozumienia przez człowieka mechanizmu wytwarzania ciśnienia jest powiązanie go z pędem przekazywanym przy bombardowaniu powierzch-ni jakimiś pociskami. Drogę do stworzenia takiego obrazu otworzył już w XVII wieku Izaak Newton, formułując drugą zasadę dynamiki. Bombardującymi pociskami mogą być pozostające w ciągłym chaotycznym ruchu cząsteczki cieczy lub gazu, ale mogą też być ziarenka, z jakich składa się światło, fotony, albo - posługując się innym obrazem - fale (3) świetlne.

Bardzo ciekawe, bo sprzeczne z tzw. zdrowym rozsądkiem, jest prawo Bernoulliego (4), które mówi, że w poruszającym się płynie (cieczy lub gazie) ciśnienie jest mniejsze niż w spoczywającym. Prawo Bernoulliego pomaga w zrozumieniu, dlaczego latają samoloty i dlaczego można strzelić gola bezpośrednio z rzutu rożnego.

Osobna grupa ciekawych zagadnień to właściwości materii zależne od ciśnienia, na przykład przejścia fazowe (6). Należy do nich temperatura wrzenia wody, która maleje z obniżeniem ciśnienia (na szczycie górskim), a rośnie przy podwyższonym ciśnieniu (w szybkowarze). Ale temperatura zamarzania tejże wody zachowuje się przeciwnie: maleje przy wzroście ciśnienia. Pozwala to przecinać topniejący lód drutem metalowym napiętymi ciężarkami.

Badanie wpływu ciśnienia na przemiany fazowe ma także aspekty praktyczne, pozwoliło m.in. opracować metodę otrzymywania syntetycznych diamentów. Najciekawsze dla fizyka właściwości materii pod wysokim ciśnieniem pozostają jednak ciągle poza zasięgiem eksperymentu: wodór w wysokich ciśnieniach ma stać się metalem, w jeszcze wyższych ciśnieniach nie ma już ani wodoru, ani żadnego innego pierwiastka, tylko materia jądrowa, której miliony ton zmieściłyby się w łyżeczce od herbaty.

Ach, jak wspaniały jest człowiek ze swoimi osiągnięciami naukowymi - myślimy... dopóki nie przypomnimy sobie proporcji: dwadzieścia trzy rzędy wielkości zakresu ciśnień wytwarzanych przez człowieka do ponad sześćdziesięciu rzędów dostępnych w przyrodzie. Prosta arytmetyka, a jak dobrze uczy pokory.