А если отправить подводную лодку в атмосферу Юпитера?


А если отправить подводную лодку в атмосферу Юпитера?

«В Матрице твоё сознание меняется, но ты по-прежнему остаешься физиком...»

Неверие и сомнения отбрось — очисти свой мозг для осознания нестандартных вопросов!
Присоединяйтесь к научным размышлениям!

Серьезные ответы физика на абсурдные гипотетические вопросы, возникающие порой у взрослых и детей.
Глава из книги "А что, если...?".
Автор: Рэндалл Монро — физик и программист.

Ранее
Оглавление
Далее

Что, если отправить подводную лодку в атмосферу Юпитера? Найдет ли она глубину, на которой сможет плавать? И удастся ли маневрировать?

Нет!
Кривые давления, плотности и температуры на Юпитере не такие, как у нас. В той точке, где плотность атмосферы позволит подлодке плыть, давление способно ее расплющить, а температура — расплавить.

Но есть и другая проблема: Юпитер — это газовый гигант, а субмаринам, как подсказывает этимология, место под водой.

Воздух — не вода. Это совершенно справедливо, но у них все же много общего.
И воздух и вода «жидкие», и некоторые правила применимы к обоим.
Когда вы смотрите в небо, то в каком-то смысле глядите со дна воздушного океана.

Объекты плавают, когда их плотность ниже, чем у окружающей жидкости. Так происходит и с воздушными шариками, и с лодками.
Покойный Терри Пратчетт восхитительно написал об этом в прологе к своей книге «Опочтарение». Раз вода во многих отношениях есть ни что иное, как мокрая форма воздуха, пишет он, затонувшие корабли погружаются до точки с плотностью настолько высокой, что дальше они не тонут. Этот слой образует подводную поверхность, на которой скапливаются и дрейфуют под волнами, но далеко ото дна останки кораблей:

Здесь царит покой. Мертвый покой.

У некоторых затонувших кораблей сохраняются снасти, а у некоторых даже паруса. У многих есть команда — запутавшиеся в снастях или привязанные к рулевому колесу моряки.

Благодаря подводным течениям, их путешествие все еще продолжается — без цели, без гавани плывут по миру мертвые корабли с командами из скелетов, над затонувшими городами и между подводными горами, до тех пор, пока корпус не рассыплется в прах от гнили и корабельных червей.

Иногда с них срывается якорь и падает на самое дно, в холодную тишину глубоководной равнины, тревожа покой столетий поднятым облачком ила.

Обожаю этот пассаж. А еще он совершенно неверен. Корабли идут к самому дну (сэр Терри знал это, как видно из продолжения текста, но он описывал поведение кораблей в Плоском мире, а не на Земле).

Воздух подчиняется закону идеального газа. Чем сильнее на него давишь, тем его объем меньше (ну а плотность — выше).

Воду же сжать практически невозможно. Если нырнуть в океан, давление будет повышаться с погружением (где-то на одну атмосферу каждые 10 метров), а вот плотность воды едва ли изменится до самого дна.

Плавучесть зависит от плотности, а не от давления. В атмосфере Юпитера есть точка, где давление лишь слегка превосходит одну земную атмосферу — это норма для подлодок, — но плотность газа там не составит и одной десятой плотности нашего воздуха. Субмарина упадет сквозь этот слой еще быстрее, чем падала бы сквозь воздух на Земле.

Лодка сможет «плавать» в Юпитере, только преодолев полпути к центру планеты, где мощное давление превращает воздух в металлический суп горячее поверхности Солнца. Это настолько высокое давление, что субмарину не просто сомнет — сами вещества, из которых она состояла, наверняка обретут формы новые и захватывающие.
Такие условия сложно создать в лаборатории, так что мы мало знаем о поведении материалов под столь огромным давлением.

В море же плотность жидкости всюду относительно постоянна. Значит, подлодка может выбрать допустимый диапазон давления и плавать на соответствующей глубине.
Другими словами, подводные лодки обязаны своим существованием воде, которая не подчиняется закону идеального газа.

Но есть еще один подвох: вода как бы все же подчиняется этому закону.
Уравнения, описывающие поведение воды при нормальном давлении, схожи с уравнениями для газа под давлением примерно в двадцать тысяч атмосфер.
В каком-то смысле именно поэтому вода кажется нам несжимаемой — она словно уже сжата настолько сильно, что лишние атмосфера-две едва ли что-то решают.

Выходит, что вода и воздух в чем-то более схожи, чем кажется. Но свойства, принципиальные для подводных лодок, и правда существенно отличаются.

Что, конечно, снова заставляет вспомнить о происхождении слова «субмарина»: она работает под «mare».
Судно, построенное для работы под морем воздуха, называлось бы «субаэриной».

И это, если задуматься, идеально описывает автомобиль.

Источник: Jupiter Submarine, chtoes.li, CC BY-NC 2.5

«Догадываюсь, к концу страницы ты чувствуешь себя Алисой, падающей в кроличью нору…»

Ранее
Оглавление
Далее