Igraszki z ciśnieniem
Choć gorących źródeł na świecie nie brakuje, niewiele wśród nich jest takich, które regularnie wyrzucają w górę słup wrzącej wody i gorącej pary, czyli gejzerów. Steamboat w Parku Narodowym Yellowstone potrafi wystrzelić na wysokość blisko 100 m i jest pod tym względem światowym rekordzistą. Z kolei Strokkur na Islandii nie może zaznać spokoju – budzi się co pięć, dziesięć minut. Jak powstają te naturalne fontanny wrzątku? Potrzebne są woda, ciepło i… ciśnienie. W głębi ziemi bąbelki pary wodnej uciekające z wód podgrzewanych geotermalnie gromadzą się w wąskich komorach i przewodach skalnych. W końcu presja pary i bulgocącej wody staje się tak duża, że w pewnej chwili odnajdują drogę na powierzchnię poprzez wąski wylot gejzeru. Wystrzeliwują w powietrze – tym wyżej, im wyższe ciśnienie narosło pod powierzchnią gruntu. Nagromadzona tam energia znajduje ujście, a podziemny rezerwuar gorących wód zostaje opróżniony. Potem wszystko zaczyna się od nowa.
Czym jest ciśnienie? Najprościej mówiąc, to siła przypadająca na jednostkę powierzchni. Gejzer wystrzeliwuje, gdy wartość graniczna owej siły zostaje przekroczona. Ponieważ nie ma dwóch identycznych gejzerów, każdy ma własny limit wytrzymałości. Podobnie jest w przypadku wulkanów. Najgroźniejsze z nich są te, które wybuchają rzadko, ale z wielką mocą. W znajdującej się pod stożkiem komorze wulkanicznej gromadzą się olbrzymie ilości gorącej lawy bogatej w gazy. Gdy ciśnienie gazów i lawy przekroczy punkt krytyczny, następuje wybuch, który może zniszczyć wszystko w promieniu wielu kilometrów. Ale bywa jeszcze bardziej apokaliptycznie. Podczas gigantycznych erupcji superwulkanów, zdarzających się średnio co kilkadziesiąt tysięcy lat, na powierzchni skorupy ziemskiej powstają wyrwy o głębokości ponad kilometra i średnicy nawet 100 km. Z ciśnieniem nie ma żartów.
Wiedzą o tym doskonale producenci (i konsumenci) szampanów. W napoju tym gromadzi się dwutlenek węgla wytwarzany przez drożdże dodane do wina w momencie jego butelkowania. Im więcej gazu zbierze się w butelce, tym wyższe będzie w niej ciśnienie, dzięki czemu bąbelki CO2 łatwiej rozpuszczą się w cieczy. W przypadku szampanów to ciśnienie jest całkiem pokaźne – wynosi około 6 barów, a zatem jest mniej więcej trzy razy większe od ciśnienia powietrza w oponach samochodowych. Dlatego butelki, w których dojrzewa ten „energetyczny” napój, muszą być wykonane z grubego, wzmocnionego szkła. Gdy otwieramy taką butelkę, ciśnienie w jej wnętrzu szybko spada, a gaz w postaci bąbelków wydostaje się na zewnątrz. Ten sam mechanizm działa w przypadku napojów gazowanych, tyle że są one sztucznie nasycane dwutlenkiem węgla, co da się zrobić tylko wtedy, gdy gaz wtłaczamy pod odpowiednim ciśnieniem. Dobrze wiemy, co się dzieje, gdy butelkę szampana lub pojemnik z napojem gazowanym umieścimy w ciepłym miejscu albo, co gorsza, potrząśniemy nimi mocno tuż przed otwarciem. W obu przypadkach dwutlenek węgla zaczyna się oddzielać od napoju, a bąbelki tylko czekają na uwolnienie. Gdy się doczekają, cała zawartość naczynia może wylecieć w powietrze niczym gejzer. Efekty bywają też nieprzyjemne z innego powodu. Wypchnięty korek niekiedy pokonuje nawet 10 m. Lepiej nie znaleźć się na jego drodze.
W przypadku ciał stałych igraszki z ciśnieniem wyglądają inaczej niż w przypadku cieczy i gazów. Kto próbował chodzić po głębokim śniegu w butach, ten wie, że daleko zajść się nie da, ponieważ natychmiast się w nim zapadamy. Winne jest właśnie ciśnienie, czyli nacisk naszego ciała skoncentrowany na małej powierzchni. Jest on na tyle duży, że z łatwością przebijamy taflę śniegu. Wynalazek nart lub rakiet śnieżnych umożliwił poruszanie się po śniegu bez zapadania, ponieważ dzięki nim można rozłożyć ciężar ciała na większą powierzchnię, czyli zmniejszyć ciśnienie. W przypadku ciał stałych, takich jak śnieg, zmiany ciśnienia zachodzą lokalnie, a więc w danym miejscu. Bierze się to stąd, że atomy tych ciał są „nieruchome”. Natomiast w przypadku gazów i cieczy ciśnienie zmienia się w całej ich objętości. Dotyczy to butelki szampana, dętki, a także najzwyklejszego balonu. Zanim go nadmuchamy, ciśnienie wewnątrz i na zewnątrz balonu jest takie samo. Jest to ciśnienie atmosferyczne, pochodzące od olbrzymiej ilości cząstek gazów powietrznych bombardujących powierzchnię planety. Nadmuchiwanie balonu (albo dętki) polega na wprowadzaniu do niego dodatkowych cząstek gazu, które wywierają nacisk na jego wewnętrzne ścianki. Ciśnienie rośnie w całej objętości, a balon zaczyna się równomiernie rozszerzać. Oczywiście jeśli przesadzimy i będziemy próbowali wepchnąć do niego za dużo dodatkowych cząstek, nie wytrzyma zbyt wysokiego ciśnienia i pęknie.
Zasada, że wzrost ciśnienia w dowolnej części cieczy znajdującej się w zamkniętym pojemniku lub układzie przewodów zachodzi równomiernie w całej jej objętości, znalazła zastosowanie w niezliczonych maszynach o napędzie hydraulicznym. Weźmy np. hamulce samochodu. Naciskając pedał, kierowca wprawia w ruch tłok naciskający na płyn hamulcowy. Zmiana ciśnienia w płynie jest przenoszona na szczęki, które zaciskają się na tarczy hamulcowej koła i zmniejszają prędkość pojazdu. W podobny sposób można wykorzystać ciśnienie gazów. Jednym z wynalazków jest sprężarka stosowana m.in. w pompach, dmuchawach, wentylatorach do pomieszczeń, turbinach, a także w najzwyklejszym odkurzaczu. Wentylator odkurzacza obniża ciśnienie powietrza po jednej stronie łopatek i podnosi je po drugiej. I tak powietrze w pomieszczeniu, dążąc do wyrównania ciśnień, wpada do węża, porywając drobiny kurzu i brud. Kluczowym elementem każdej sprężarki jest wirnik – to on, obracając się, wytwarza różnicę ciśnień. Stąd już bardzo blisko do helikoptera, który unosi się dzięki obrotowym ruchom łopat wirnika nośnego, zwanego popularnie śmigłem. Gdy śmigło z odpowiednio ustawionymi łopatami zostaje wprawione w ruch, powyżej niego tworzy się strefa podciśnienia, a poniżej – strefa nadciśnienia. Ta różnica ciśnień daje początek ogromnej sile nośnej pchającej helikopter do góry. Ta sama siła nośna powstaje również w chwili, gdy mające odpowiedni kształt skrzydła samolotu tną powietrze. Powietrze opływające je od góry porusza się szybciej niż opływające je z dołu. W takim szybciej płynącym powietrzu ciśnienie jest niższe. I znów pojawia się siła nośna, która unosi samolot.
Piloci, czy to helikoptera, czy samolotu, muszą stale śledzić pogodę, aby w razie potrzeby skorygować trasę albo zwiększyć siłę nośną i przelecieć ponad strefą burz. Co ciekawe, pogoda także zależy w dużym stopniu od zmian ciśnienia. Wszak wiatry wieją właśnie dlatego, że mamy wyże i niże atmosferyczne, czyli obszary podwyższonego i obniżonego ciśnienia. W wyżu powietrze opada, a następnie przemieszcza się jako wiatr ku niżowi, gdzie wędruje ku górze. Układ ten dąży do równowagi, więc im większa jest różnica ciśnień pomiędzy wyżem a sąsiednim niżem, tym silniej będzie dmuchać. Ponieważ w niżach spotykają się masy powietrza zassanego z różnych stron i z tej przyczyny mające różną temperaturę i wilgotność, w strefach ich kontaktu powstają fronty atmosferyczne, którym zwykle towarzyszy brzydka pogoda. Wpływa to niekorzystnie na samopoczucie wielu z nas. Jeszcze gorzej bywa, gdy nad jakąś okolicę nadciąga silny niż lub wyż. Część ludzi bardzo źle znosi takie nagłe zmiany ciśnienia atmosferycznego, a największy dyskomfort odczuwają osoby z chorobami układu krążenia, wśród których pokaźną grupę stanowią nadciśnieniowcy (krew naciska u nich zbyt mocno na ścianki tętnic). Wahania ciśnienia atmosferycznego mogą sercowców i nadciśnieniowców przyprawić o zawał lub udar mózgu. Bywają naprawdę zabójcze. Tak, ciśnienie to potęga. Lepiej z nim nie igrać, a ciśnienie tętnicze mieć zawsze pod kontrolą.