10.7.2. Термометры и барометры

Услышишь гром и вспомнишь обо мне,

Подумаешь: она грозы желала…

Вы (также Анна Ахматова)

Что это

Способ измерять температуру (термометры) и давление (барометры).

До того как были изобретены

Людям просто приходилось гадать, насколько горяч тот или иной предмет, при какой температуре они готовили[123] и какой собирается быть погода.

Изобретены

1593 н. э. (водяной тер москоп);

1643 н. э. (барометр);

1654 н. э. (спиртовой термоскоп);

1701 н. э. (идея температурной шкалы);

1714 н. э. (ртутный термометр).

Предпосылки

Стекло, жидкость (вода, спирт, масло, вино, ртуть, моча – использовалось все это и многое другое).

Как изобрести

И термометры и барометры измеряют нечто невидимое, и, для того чтобы изобрести и то и другое, вам понадобятся только вода и стекло. Для термометров мы надлежащим образом будем эксплуатировать тот факт, что жидкости и газы (большинство из них) расширяются при нагревании и уменьшаются в объеме при охлаждении: измерьте степень расширения и сжатия, и вы сможете определить температуру!

Первые термометры были не так уж далеки от того, что вы только что узнали: длинные стеклянные трубы с шариком на одном из концов и открытым другим концом помещали в ведро или озеро, нагрев предварительно шарик. Воздух внутри него сокращался, охлаждаясь, затягивая воду в трубу, а при новом нагревании расширялся, выталкивая воду. Проблема состояла в том, что не имелось никакой шкалы: подобные устройства могли лишь сказать вам, стало холоднее или теплее.

Называли их термоскопами (то, что дает возможность увидеть температуру), а не термометрами (то, что дает возможность ее измерить).

Обладая теми знаниями о прошлом, что есть в вашем распоряжении, вы не удивитесь, узнав, что потребовалось больше ста лет после изобретения термоскопов, чтобы кто-то задумался – неплохо бы приложить к ним некую шкалу. Два человека (Исаак Ньютон и Оле Рёмер) независимо друг от друга предложили идею в 1701 н. э., но шкала Рёмера была лучше, поскольку Ньютон использовал субъективные температурные маркеры («жара июльского полдня»: что за фигня, Ньютон?), в то время как Рёмер положил в основу константы в виде точек замерзания и кипения воды[124].

Существует и другая проблема: поскольку вода в термоскопе открыта влиянию атмосферы, она подвержена и воздействию атмосферного давления, и это позволяет назвать данный прибор комбинацией термометра и барометра, или «термобароскопом». Запечатав стеклянную трубку, вы решаете эту проблему, поскольку убираете внешнее давление.

Со стеклянным шариком внизу, заполненным жидкостью, и стеклянным шариком наверху, заполненным воздухом, вы создадите термоскоп, обладающий иммунитетом к изменениям в атмосфере. Нанесите на него шкалу, просто нарисуйте на стекле, и у вас получится настоящий термометр.

Та-дам!

Проблема в том, что вода – довольно странное вещество, она расширяется и сокращается нелинейным образом. Подобно многим другим субстанциям, она уплотняется по мере охлаждения, но едва температура опускается ниже 4 °C, вода на самом деле начинает расширяться, и именно по этой причине лед плавает на поверхности: он легче воды[125].

Это делает воду не самым оптимальным выбором для термометров: между 4 и 0 °C измерения будут неверными, а ниже нуля вы ничего не измерите вообще, поскольку ваш прибор замерзнет. Современные термометры обычно наполнены ртутью, которая резко расширяется при нагревании, кипит при далеких 357 °C и не замерзает до 38 °C ниже нуля. Но маловероятно, что вы так сразу сможете добыть чистую, годную ртуть[126].

Спирт (см. раздел 10.2.5) расширяется более линейно и замерзает при минус 173 °C, но зато кипит при 78 °C, что не очень хорошо. Но вы всегда можете использовать несколько термометров: спиртовой для низких температур и водяной для более высоких. Альтернативой является вино – вкусная смесь спирта с водой, – которое применяли, чтобы ликвидировать низкую точку кипения спирта и странное поведение воды.

Так обстоит дело с термометрами.

Барометры создаются на том же фундаменте, как вы видели только что, когда мы случайно изобрели комбинацию барометра с термометром. Возьмем пустую трубку, наполним жидкостью, запечатаем один из ее концов и поместим открытый конец в такую же точно жидкость: это барометр. Вес воздуха давит на жидкость, находящуюся снаружи трубы, и это мешает всей жидкости внутри трубы просто вытечь из нее[127].

Более высокая плотность внешнего воздуха заставит жидкость в трубке подняться – именно так барометр меряет давление воздуха, – и вакуум в трубке позволит воде с легкостью расширяться вверх. И хотя такой барометр прекрасно работает с ртутью, если вы используете воду, субстанцию более доступную, но менее плотную, вам понадобится труба около 10,5 м в высоту: если взять короче, то вся вода выльется из трубки раньше, чем внешняя вода сможет удержать ее на месте[128].

Более разумный подход использования воды для измерения давления сводится к устройству следующего дизайна, именуемому обычно «барометром Гёте». Его изобрел человек по имени Иоганн Вольфганг фон Гёте в начале XIX века н. э., но сейчас он будет изобретен человеком, носящим ваше имя, в тот отрезок времени, в котором вы находитесь (рис. 29).

Рис. 29. Пользуйтесь: ваше последнее изобретение, а именно качественный барометр

Это просто стеклянный контейнер с носиком, через который поступает воздух, кончик носика должен подниматься выше контейнера.

Положите его набок и начните наполнять водой: помещая в контейнер воду, вы позволяете воздуху, место которого занимает вода, свободно выходить, так что остающийся внутри воздух попадает под атмосферное давление. Когда ваш барометр наполовину полон, поставьте его прямо, вода заполнит дно сосуда, и часть воздуха под текущим давлением окажется заперта в носике.

Именно он будет показывать давление: если давление снаружи ниже, чем оно было в момент наполнения контейнера, то вода в носике будет подниматься, поскольку воздух в барометре находится под сравнительно более высоким давлением. Схожим образом, если текущее атмосферное давление выше, то вода в носике будет опускаться.

Наполните барометр водой в спокойный день с условно средним давлением, и вы получите простейший барометр, который будет работать до тех пор, пока вода внутри не высохнет. Время от времени вам понадобится добавлять ее через носик, чтобы бороться с неизбежным испарением[129].

Барометры в основном используются для предсказания погоды, и для этого вам даже не нужно никакой шкалы: резкое падение давления ассоциируется с облаками, усилением ветра и штормом, а быстрое поднятие намекает, что плохая погода вот-вот закончится. Эй, вы только что изобрели краткосрочный прогноз погоды, ура-ура-ура! Долгосрочный прогноз требует намного более сложных технологий, но не беспокойтесь о нем слишком сильно: долгосрочное предсказание погоды на Земле не только сложно, оно просто невозможно.

Даже если наполнить атмосферу целиком идеальной трехмерной решеткой крошечных сенсоров, чтобы они занимали пространство от поверхности до высоты в 100 км и каждый отстоял от другого на 1 мм, и даже если все данные, собранные ими, будут передаваться и обрабатываться мгновенно, долгосрочные прогнозы все равно останутся неточными. Ошибки вырастут от 1 мм до 10 м в масштабе предсказаний меньше одного дня и до планетного масштаба, если мы попробуем угадать, что будет через несколько недель.

Вам будет приятно открыть, что много дешевле и ничуть не менее полезно будет получить в качестве прогноза банальное «солнечно, вероятна облачность».