Среда (физическая)

Среда (физическая). Среда в физико-математических науках называется материя, заполняющая изучаемую в той или иной проблеме часть пространства. Современная наука устанавливает, что материя не непрерывно заполняет занимаемую ею часть пространства, а состоит из отдельных достаточно удаленных друг от друга частичек. Попытки разрешить проблему строения материи восходят к глубокой древности, и еще философы Греции пытались чисто интуитивно решить ее, причем среди них можно назвать и убежденных сторонников гипотезы непрерывности материи: Анаксагора (500—428 г. до н. э.) и Аристотеля (384—322 г. до н. э.) и не менее убежденных сторонников атомистической теории  Демокрита (460—370 г. до н. э.) и Эпикура (347—271 г. до н. э.). Обе школы основывали свои соображения на чисто умозрительных посылках, и до нас дошло блестящее литературное отображение споров этих двух школ в поэме Тита Лукреция Кара — «De rerum natura», написанной уже в І-м веке до н. э. Сторонники атомистической теории указывали, что среда не может быть непрерывной, ибо в этом случае не было бы возможно никакое движение — ни один предмет не уступил бы своего места другому:

Есть, несомненно, в природе пустоты, пустые пространства.

Не существуй пустота, — невозможно бы было движенье

Всяких вещей, потому что телам постоянно присуще

Возле себя все теснить и оказывать сопротивленье;

Не в состоянии были б тела и вперед подвигаться,

Так как тела к ним ближайшие не уступали бы места.

(«De rerum natura», I, 333—38).

Сторонники же непрерывной среды возражали, что движение возможно и в этой среде, приводя в пример движение рыб в воде, которые, раздвигая непрерывную водную среду, продвигаются вперед, а следом за ними вода вновь смыкает свои волны:

...Лоснящимся рыбам вода поддается

И уступает дорогу, которую вновь наполняет

Влагою, после того, как те рыбы оставили место.

(«De rerum natura», I, 371—73).

Авторитет Аристотеля, принадлежавшего к сторонникам непрерывной среды, был причиной того, что атомистическая гипотеза в течение ряда веков привлекала к себе меньшее внимание. Ныне наука разрешила этот спор исчерпывающе и в пользу атомистической теории; однако, громадные математические трудности, встречающиеся при изучении взаимодействия отдельных малых частиц, заставляют и современную науку, при исследовании законов равновесия, движения и взаимодействия средин, исходить из гипотезы непрерывности материи, т. е. из той же гипотезы Аристотеля. При этих исследованиях непрерывность материи—среды принимается условно, как некоторая «рабочая гипотеза», достаточно справедливая для достаточно больших частей пространства. Дабы убедиться в полной уместности этой рабочей гипотезы, следует вспомнить, что расстояния между соседними атомами суть величины порядка 10^—8 сантиметров (это измерение в молекулярной физике носит особое название «ангстрем» (ängström, т. е. 1 сантиметр = 10⁸ ангстремов), а изучаемые в теориях равновесия, движения и взаимодействия средин части пространства обычно измеряются целыми сантиметрами и даже метрами. В результате даже при научных, а особенно при научно-технических исследованиях, среда считается непрерывной.

Главным характерным свойством любой среды является ее сопротивление проникновению в нее посторонних тел. Это свойство особенно сильно в движущейся навстречу препятствию среды (водное течение, ветер), но оно же проявляется и в среде неподвижной. По характеру сопротивления следует различать отдельные виды средин:

1.Твердая упругая среда, устойчиво сохраняющая свои формы и особо сильно препятствующая проникновению в нее посторонних тел. Способность твердой среды сопротивляться проникновению в нее посторонних твердых тел называется твердостью среды и изучается при помощи острого режущего алмазного острия: сила нажатия на острие, необходимая для образования первой царапины, т. е. первой борозды на поверхности тела, есть мера или коэффициент его твердости. Особенной твердостью обладают некоторые кристаллы, как-то: кварц (SiО₂), топаз (AlF)₂SiО₄, корунд (Аl₂O₈) и алмаз (С). Тверже корунда, но все же режется алмазом, получаемый при высокой температуре специальных печей сплав карборундум (CSi). Последние исследования физиков, в частности работы академика Иоффе, заставили обратить особенное внимание на роль поверхностного слоя твердых тел в деле сопротивления твердой среды проникновению в нее посторонних тел. Путем сохранения поверхностного слоя сплошным, неповрежденным и геометрически правильным можно существенно повысить внутреннее сопротивление твердых средин. Способность твердой среды сопротивляться проникновению в нее (или прохождению чрез нее) водных масс называется водопроницаемостью среды, и мерой или коэффициентом водопроницаемости является количество воды, проходящее в единицу времени через слой твердой среды, имеющий толщину равную единице длины, при разности давлений с двух сторон слоя, равной одной атмосфере; — аналогичное свойство твердой среды в отношении воздуха называется воздухопроницаемостью и определяется аналогичным способом. Иные жидкости, кроме воды, и иные газы, кроме воздуха, для многих твердых средин дают специальные коэффициенты проницаемости, отличные от таковых для воды и воздуха. На этом свойстве твердых средин основано устройство полупроницаемых перегородок, позволяющих выделить из жидкого раствора двух тел одно из тел — пропускаемое данной перегородкой, и как бы отфильтровать этой перегородкой другое — не пропускаемое. Проницаемость твердых средин есть, очевидно, следствие атомистического строения тел, на что и указывал еще Демокрит в своих умозрительных рассуждениях.

Пластичная среда оказывает сопротивление в общем по тем же законам, но обладает меньшим сопротивлением и большей проницаемостью.

Сыпучая среда лишь весьма условно может рассматриваться, как среда непрерывная, однако, всестороннее изучение этой среды показывает, что и для нее выводы, построенные на гипотезе непрерывности, прекрасно совпадают с экспериментальными данными. Среда  эта уже не может самостоятельно сохранить свои формы и производит давление на окружающие ее стенки; давление это, впрочем, относительно значительно менее аналогичного давления воды, которая на любой глубине производит горизонтальное давление, равное вертикальному давлению в ней на той же глубине — в сыпучих же телах горизонтальное давление равно лишь около 1/3 вертикального на том же горизонте. Однако, если давление со стороны вертикальной стенки принимает активный наступательный характер, т. е. стенка как бы приходит в движение, то частицы сыпучего тела, выведенные из состояния покоя и упругого равновесия, оказывают значительное горизонтальное сопротивление проникновению в их среде наступающей вертикальной стенки, сопротивление часто в 3 раза превышающее вертикальное давление на том же горизонте, т. е. относительно в 3 раза большее сопротивления воды в том же случае, ибо сопротивление воды и при достаточно медленном наступлении стенки подчиняется гидростатическому закону, т. е. не возрастает.

2. Жидкая среда, в частности вода, не может сохранять своих форм и нуждается в боковых стенках. Сопротивление водной среды проявляется особенно наглядно при движении в воде судов, как в виде лобового сопротивления, так и в виде сопротивления трения (по боковым стенкам судна). Оно возрастает особенно при движущейся жидкой среде (реки, океанские течения и т. д.), и величина его зависит от ряда причин, из коих главнейшей является подводная форма судна, как в поперечном сечении, так и в плане, и особенно форма его носовой части. Многовековой опыт кораблевождения, с одной стороны, и блестящее развитие науки гидродинамики, с другой — привели в настоящее время этот вопрос к такому состоянию, что теория корабля уже почти безошибочно определяет для отдельных частных случаев желательные формы судов. Те же обстоятельства дали почти исчерпывающее решение и делу построения корабельных  винтов, работа которых использует законы сопротивления водной среды, превращая сопротивление среды в движущую судно силу. Однако, продолжаются и ныне теоретические исследования и специальные эксперименты в этой области; так, изучаются в опытных бассейнах сопротивления моделей судов (в Ленинграде имеется опытный бассейн морского ведомства) и работа моделей винтов. В самое последнее время имеются попытки применить идею Флеттнера — вращающиеся вертикальные трубы над судами, заменяющие паруса (см. ниже в этой же статье) — к устройству вращающегося вертикального полого стержня под судном — в воде — для использования создающихся при этом вращении водных струй, обтекающих такой стержень, в помощь винту, двигающему судно. Идея эта еще не вполне разработана. В вопросах сопротивления водной среды заслуживает еще внимания то огромное активное давление, которое оказывает среда, приведенная в движение, например, морской прибой — на береговые сооружения. В то время, как нормальное давление (т. е. сопротивление) воды в береговых стенках на глубине 1—2 метров не превышает 1000—2000 кг/м², таковое же давление при бурях доходит до 30 000 кг/м².

Сопротивление других жидкостей, кроме воды, подчиняется тем же законам и растет с возрастанием вязкости жидкости за счет бокового трения.

3. Газообразная среда, в частности воздух, оказывает также значительное сопротивление движению в ней тел, каковое обстоятельство особенное значение имеет в задачах воздухоплавания и воздухолетания. Специальная наука — аэродинамика, изучает законы сопротивления этой среды, особые аэродинамические лаборатории и институты занимаются экспериментальным исследованием этого же вопроса, и следует без преувеличения сказать, что все успехи авиации целиком объясняются тем, что вопросы сопротивления воздуха движению в нем тел изучены с исчерпывающей полнотой. Форма воздушных винтов—пропеллеров, форма самих аэропланов (особенно их несущих поверхностей) и дирижаблей (особенно их носовой части), все детали авиационного дела целиком построены на мысли наилучше использовать законы сопротивления воздуха. При этом всегда приходится иметь ввиду подвижность воздушных масс, проявляющуюся в так называемых ветрах, при которых скорость воздушных масс доходит до 45 м/сек и даже при порывах до 100 м/сек, что дает уже давление (сопротивление) воздушной среды, доходящее до 300 кг/м². Важно здесь отметить, что задачи авиации заключаются частью в том, чтобы преодолеть сопротивление воздуха, а частью в том, чтобы использовать силу этого сопротивления. На этом же именно инстинктивном умении использовать законы сопротивления воздуха основаны и законы полета птиц.

В военном деле законы сопротивления воздуха предопределяют рациональную форму передней части пули и артиллерийского снаряда. То же сопротивление воздуха используется в ветряных двигателях, а также в парусных судах. Парусник может почти при любом ветре так поставить свои паруса, чтобы ветер двигал судно почти в любом направлении (даже и против ветра в пределах определенного угла с его направлением). Таким путем мореплаватели в течение тысячелетий бороздили океаны Старого и Нового Света, не применяя никакого механического двигателя. За последнее время (в 1924 г.) новую идею в этой области, основанную на научных работах и экспериментах Геттингенского университета, выдвинул германский ученый Флеттнер, предложивший частично заменить паруса вращающимися вертикальными трубами. Токи воздуха, увлекаемые вращением трубы, ассиметрично обтекают ее и тем создают неравенство воздушных давлений с разных сторон трубы, являющееся двигающей силой для судна. Опыты Флеттнера дали весьма удовлетворительные результаты. В общем сопротивление среды, надлежащим образом изученное и использованное, является нередко не явлением, природы, с которым нужно бороться, а силой природы, которую можно использовать.

П. В.