Научные идеи, поиски, решения

Наука и люди

Пушки и наука

«Изобретение пороха и появление огнестрельного оружия изменило не только характер военных действий. Затронутыми оказались стратегия и тактика науки. Артиллерийские орудия позволили ученым, поставить такие эксперименты, которых до тех пор никто не наблюдал. «Громоизвергающие» устройства расширили возможности научного эксперимента.

А началось все с проверки идеи Аристотеля. В своем учении о движении тел он писал, что «движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие». Галилей первым усомнился в той, считавшейся непреложной истине. Возможно, именно полет пушечных ядер и снарядов был для него тем наглядным материалом, который заставил критически отнестись к утверждению древнего авторитета. Не раз мысленно обращался он к опытам с артиллерийскими орудиями, но осуществить их так и не успел. Это выпало на долю его учеников, членов Флорентийской академии наук.

На сопротивление воздуха Галилей обратил внимание, изучая движение брошенных тел. Для доказательства тормозящего действия воздуха на летящее тело, считал он, нужно выстрелить вертикально вниз в лежащую на земле железную пластину с большой и малой высоты. Если бы сопротивления воздуха не было, то пуля, падающая вниз с большой высоты, приобрела бы большую скорость, чем летящая с малой высоты. В действительности тормозящая сила воздуха должна все изменить наоборот. Пуля, летящая вниз с большей высоты, из-за более длительного торможения ударит в железную пластину с меньшей силой, чем пуля с малой высоты. По степени деформации пули от удара можно судить о правильности этих рассуждений. Опыт удалось провести лишь после смерти Галилея. Результаты полностью подтвердили его предположение.

Флорентийские академики осуществили еще один эксперимент с огнестрельным оружием, намеченный Галилеем. С высокой башни выстрелили горизонтально и одновременно такой же пуле дали возможность свободно падать. В соответствии с законом свободного падения тел обе пули одновременно ударились о землю. Трудно представить более впечатляющее для того времени подтверждение правильности нового физического закона.

Наконец, в 1660 году с помощью качаний маятника ученые установили промежуток времени между вспышкой орудийного выстрела и докатившимся грохотом. Так с наибольшей для того времени точностью удалось измерить скорость распространения звука. Это был еще один «огнестрельный» опыт из «научного наследия» великого итальянца.

Первые чисто качественные представления Галилея о сопротивлении воздуха позже развивались и уточнялись. Так, Ньютон установил, что сопротивление среды пропорционально квадрату скорости движущегося в ней тела. Тем не менее все попытки вычислить траекторию полета тела, испытывающего тормозящее действие воздуха, неизменно оканчивались неудачей. Математика не в силах была справиться с этой задачей. Тогда снова вспомнили о пушках.

Первые же выстрелы преподнесли ученым сюрприз. Установленный Ньютоном закон сопротивления оказался справедливым лишь при малых скоростях. При движении тела с высокой скоростью сопротивление возрастает значительно сильнее, чем предсказал Ньютон. Чтобы прийти к такому выводу, пришлось измерить скорость пушечного ядра в различных точках описываемой им траектории. Нелегкая задача для экспериментальной техники того времени. Ученый XVIII века Робине решил ее довольно остроумно. В нужной точке на пути полета ядра он подвешивал тяжелое тело. Когда ядро ударяло в этот своеобразный «маятник», то застревало в нем и, передав ему энергию своего движения, заставляло отклоняться от вертикали. По весу маятника и по углу отклонения рассчитывалась скорость, с которой ядро ударяло в тело. В погоне за истиной мысль ученого, подобно легендарному Мюнхгаузену, обуздала пушечное ядро. Но, как ни была велика роль пушечных экспериментов в механике, особый вклад сделан с их помощью в теорию теплоты. Ведь с точки зрения термодинамики пушка прежде всего тепловая машина.

В первых опытах по измерению количества тепла ученые имели дело с перераспределением теплоты между телами, когда общее ее количество остается неизменным. Это как нельзя лучше увязывалось с их представлением о теплоте, как об особом неуничтожимом веществе — теплороде, способном проникать во все тела и выходить из них. Такой точки зрения придерживался и Галилей. Другие ученые, среди которых был и М. Ломоносов, рассматривали теплоту как хаотическое движение мельчайших частиц вещества. Гипотеза теплорода очень просто и наглядно объясняла все известные в то время тепловые явления, а отсутствие каких бы то ни было опытных данных о микрочастицах вещества, конечно же, не способствовало утверждению взгляда на теплоту как на род движения. Не пользовавшаяся популярностью кинетическая теория теплоты нуждалась в убедительных и впечатляющих доказательствах. Первую брешь в стройном здании теплородной теории пробили... пушки.

В конце XVIII — начале XIX века интерес к артиллерии вспыхивает с неожиданной силой. Революционная Франция ведет войну с коалицией европейских монархий. Срочно вооружаются революционные войска. За девять месяцев 1793 года производство чугунных пушек доводится с 900 до 13 ООО в год. Руководят «пушечным делом», как правило, крупные ученые: во Франции — известный математик Гаспар Монж. Немногим ранее деятельность мюнхенского арсенала возглавил Бенджамин Томпсон, вошедший в историю науки под именем графа Румфорда. Явления, наблюдавшиеся при производстве пушек и при «огневых» испытаниях, заставили ученых призадуматься. Дело в том, что пушечный выстрел представлял собой тепловой эксперимент, который никому не приходило в голову провести в лаборатории.

Представьте себе цилиндр, заполненный газом, в котором скользит поршень. Если сделать их из абсолютно нетеплопроводящего материала так, чтобы обмена теплом с окружающей средой не происходило, то такой процесс называют адиабатическим. Пусть газ расширяется и своим давлением поднимает поршень с грузом, совершая механическую работу. Что будет тогда с температурой газа? С точки зрения теплородной теории она должна остаться неизменной. Нетеплопроводящие материалы препятствуют утечке или притоку теплорода. Сколько его было в газе до расширения, столько и осталось. Конфуз для сторонников теплорода, если столбик ртути в термометре сместится. К сожалению, идеальных теплоизоляторов нет, и всегда возможна оговорка, что опыт, мол, не вполне адиабатический.

Но адиабатичности можно добиться и с обычными материалами, если, как в скоростной съемке, расширять газ столь быстро, что тела не успеют обменяться теплом. Вот тут-то и пригодились пушки. Какой процесс может соперничать в быстроте с выстрелом? Ствол пушки тот же цилиндр, закупоривающее его ядро можно считать поршнем, а расширяются в стволе пороховые газы. Румфорд не измерял температуру пороховых газов в пушке, но в 1778 году он установил на опыте, что при холостом выстреле пушечный ствол нагревается сильнее, чем при выстреле ядром. Напрашивался поразительный вывод: если пороховые газы совершают работу, толкая ядро, они теряют теплоту. Первая, пока еще тоненькая ниточка протянулась от теплоты к механической работе. С точки зрения теплородной теории это невозможно объяснить. Пушечные залпы, даже холостые, без промаха «били» по теплороду. Десять лет спустя такое же наблюдение сделал Э. Дарвин, дед Чарлза Дарвина. Только пользовался он не пушкой, а ружьем. Опыт был повторен в малогабаритном варианте.

Примерно в это же время во Франции изобрели «воздушное огниво», давно уже известное на Востоке. В пустую трубку с силой загоняется поршень. От быстрого сжатия воздух в трубке нагревается, и трут, прикрепленный к поршню, воспламеняется. Приспособление предназначалось для пушкарей. Прежде чем воспользоваться таким тлеющим фитилем, пушкарь производил «выстрел наоборот». Если в пушке нагретый газ совершает работу и охлаждается, то в «воздушном огниве» над газом совершается работа, и он нагревается.

Все, что касалось огнестрельного оружия, настойчиво наталкивало ученых на мысль о связи между механической работой и теплотой. Эти факты не устраивали сторонников теплорода. Что-бы хоть как-то объяснить их, они объявили, что при сжатии теплоемкость вещества уменьшается. Поэтому то же самое количество теплорода, которое имелось в газе до сжатия, после уменьшения газового объема повышает температуру. Ведь теплоемкость — это количество тепла, повышающее температуру тела на один градус. При расширении теплоемкость вещества увеличивается, и все происходит наоборот. В этом они видели объяснение опытов Румфорда с пушкой. Приверженцы теплородной теории срочно заделывали зияющие пробоины в своей крепости.

Тогда в 1798 году Румфорд, любитель грандиозных экспериментов, ставит новый, не менее впечатляющий опыт. В качестве научного инструмента он снова выбирает пушку. В канал пушечного ствола вводилось тупое сверло и с помощью конного привода вращалось со скоростью 32 оборота в минуту. За короткое время пушечный ствол нагревался до 70° С. Не довольствуясь этим, Румфорд помещает пушечный ствол со сверлом в ящик с водой, и за два с половиной часа сверления вода в ящике закипела. «Изумление окружающих, увидевших, что такая масса воды закипает без огня, было неописуемым», — вспоминал впоследствии Румфорд.

Если теплород — несоздаваемое и неуничтожимое вещество, количество которого в телах должно оставаться неизменным, то как объяснить выделение практически неисчерпаемого количества теплоты в опытах со сверлением? В докладе на собрании Лондонского Королевского общества Румфорд закончил изложение своих экспериментов выводом, что теплота представляет собой колебательное движение частичек тела, а не какое-то особое вещество.

На современников опыты Рум-Форда произвели большое впечатление. Но слишком велика была сила многовековой традиции, чтобы отдельные опыты, к тому же чисто качественного характера, могли разрушить устоявшееся мнение многих поколений ученых. В первой половине XIX века молодой французский ученый Сади Карно, автор второго начала термодинамики, по достоинству оценив эксперименты Румфорда, отметил в то же время их основной недостаток. В своих записях он намечает планы будущих исследовательских работ: «Повторить опыт Румфорда над сверлением металла в воде, но измерив одновременно затраченную работу и получившуюся теплоту...» Если бы Румфорд провел эти измерения, он стал бы автором открытия механического эквивалента теплоты. Преждевременная смерть помешала и Сади Карно осуществить эти измерения. Лишь в середине XIX века Р. Майер и Дж. Джоуль одновременно и независимо друг от друга пришли к открытию эквивалентности тепловой и механической энергии, положив конец теплородным воззрениям в науке.