Кроме отчаянных смельчаков и просто любопытных, в небо поднимались и ученые. Одни измеряли точку росы, силу магнитного поля и какие-то другие показатели. Другие выбрасывали за борт бутылки с алкоголем и измеряли, как скоро они врежутся в землю. Но большинство довольствовались простыми, хотя и удивительными, наблюдениями. Иногда на высоте нескольких километров шар сталкивался с целым облаком бабочек. Ученых занимала и необычная акустика воздуха. Поскольку шар движется по воле ветра, шум ветра не слышен, но зато невероятно отчетливо слышны звуки, доносящиеся снизу: крик петухов, стук кузнечных молотов, пистолетные выстрелы. Небо над головой тоже казалось не таким, как с земли. Слой воздуха был менее плотным, и звезды светились более жестким светом, как маленькие кусочки льда. А днем вместо привычного голубого неба люди видели более темную и мрачную синеву.
Полеты на воздушном шаре способствовали усилению интереса к свойствам газов. Неслучайно среди первых воздухоплавателей были люди, которые занялись систематическим изучением газов. Если бы их научные теории оказались неверными, они рисковали многим, в том числе собственной жизнью.
Один из первых научных вопросов заключался в том, как именно взлетает шар. Ключевые принципы этого процесса описаны еще Архимедом — знаменитым греком, бегавшим голышом по Сиракузам. В III в. до н. э. правитель Сиракуз выдал местному ювелиру слиток золота для изготовления короны, но подозревал, что хитрый мастер оставил часть золота у себя, подмешав вместо него эквивалентное количество серебра. Поскольку у правителя не было никаких доказательств, он обратился за помощью к Архимеду. Архимед несколько недель ломал голову над этой задачей, пока в один прекрасный день не погрузился в ванну и не обнаружил, что уровень воды в ванне поднялся. Его озарила догадка, и через несколько минут шедшие по улицам греческие матроны руками прикрывали детям глаза.
В большинстве версий этой истории Архимед решил задачу, опустив корону в сосуд, заполненный до половины водой, и измерив уровень подъема воды. Затем он повторил то же действие с золотым слитком такой же массы. Если вода поднимается до другого уровня, значит, ювелир смошенничал. Однако некоторые историки не соглашаются с этой версией, поскольку разница в уровне воды в обычном древнегреческом кувшине в этих двух случаях должна была составлять примерно половину миллиметра, и ее практически невозможно было заметить невооруженным глазом (попробуйте сами). Скорее, Архимед проделал другой опыт. Он знал, что вода выдавливает любой погруженный в нее предмет (вы чувствуете это, когда плаваете). И чем больше объем предмета, тем больше подъемная сила. Поэтому Архимед установил на весах корону и слиток золота и опустил всю конструкцию в воду. В воздухе корона и слиток весили одинаково (чаши весов уравновесились), но, если корона содержала примесь серебра (которое имеет меньшую плотность, чем золото), ее объем был больше объема слитка. Чем больше объем, тем больше выталкивающая сила, и, следовательно, равновесие нарушается. С достаточной достоверностью мы можем утверждать, что именно это увидел Архимед: чаша весов с короной поднялась вверх: мошенничество налицо.
Подобные эксперименты позволили сформулировать правило, которое мы теперь называем законом Архимеда. В соответствии с этим законом, во-первых, на любое погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила; во-вторых, чем больше объем тела, тем больше сила (точнее, выталкивающая сила соответствует массе вытесненной жидкости).
Но какое отношение все это имеет к воздухоплаванию? Поначалу об этом никто не думал. Однако в XVIII в. ученые поняли, что воздух в некотором смысле напоминает жидкость и тоже обладает выталкивающей силой. В обычной жизни мы ее не ощущаем, поскольку она невелика, а наше тело весьма компактно. Но она существует, и каждый из нас в воздухе весит чуть меньше, чем в вакууме. Однако объемные тела с низкой плотностью, такие как воздушные шары, действительно ощущают эту силу. Понятно, что эта сила уравновешивается силой тяжести, действующей на шар и прикрепленный к нему груз (в частности, на гондолу). Кроме того, сам газ тоже имеет массу. Поэтому при проектировании шара не следует пренебрегать массой газа внутри этого шара (он, конечно, помогает шару подняться, но не бесплатно, поскольку утяжеляет шар). Вот почему легкие газы, такие как водород, столь хороши для запуска воздушных шаров. Они весят очень мало, действующая на них сила тяжести невелика, и выталкивающая сила побеждает.
Водород — самый легкий химический элемент и в пересчете на молекулу обладает наивысшей подъемной силой. Но, в принципе, поднять шар может любой газ, который легче воздуха, — гелий, пар, аммиак. Теоретически может работать даже вакуум. Проблема только в том, что не существует такого прочного материала, который мог бы противостоять коллапсу пустого шара, и при этом такого легкого, чтобы подниматься в воздухе, — медные шары летают плохо.
Поначалу шары, наполненные водородом, были очень популярны, но постепенно выяснилось, что они слишком дорогие, легко воспламеняются и очень неустойчивы. Водород обладает такой большой подъемной силой, что траектория движения шара изменяется, даже если кто-то выльет за борт стакан воды или пописает. По этой причине большинство воздухоплавателей заполняли шары горячим воздухом и обнаружили, что шары, наполненные горячим воздухом и водородом, взлетают по разным причинам. Закон Архимеда работает в обоих случаях, но, чтобы полностью прояснить картину, нам придется применить еще и так называемые газовые законы.
К концу XVIII в. ученые уже кое-что знали о связи между температурой, давлением и объемом газа. В частности, в 1662 г. ирландский химик Роберт Бойль установил, что при повышении температуры при постоянном объеме увеличивается давление газа. Однако для описания процессов, происходящих с воздушными шарами, нужно знать зависимость объема газа от температуры. Одно важное правило гласит, что при нагревании газы расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вы можете проверить эту закономерность с помощью резинового воздушного шарика: поместите его в холодильник — он съежится, выньте из холодильника — раздуется.[33]
Но с шарами, заполненными горячим воздухом, происходит нечто иное. Понятно, что находящийся внутри них горячий воздух расширяется. Но в отличие от резиновых шариков, воздушные шары обычно делают из нерастяжимых материалов. В результате сам шар не может сильно расширяться. Расширяющийся газ выходит через отверстие в нижней части, поскольку ему больше некуда деваться. В результате внутри шара остается меньше газа, и, следовательно, шар меньше весит. Меньше масса тела — и выталкивающая сила Архимеда преобладает над силой тяжести и поднимает шар в голубое небо.
Забавно, что хотя шары с горячим воздухом использовали братья Монгольфье, а Жак Шарль использовал шары с водородом, именно Шарль первым открыл зависимость объема газа от температуры и тем самым объяснил принцип подъема шаров с горячим воздухом. Значительную часть исследований он провел в своей лаборатории в Лувре. Однако по каким-то причинам не спешил публиковать результаты, и сегодня о нем редко вспоминают в связи с газовыми законами. Однако он, вероятно, обсуждал свои эксперименты с коллегой, Жозефом-Луи Гей-Люссаком, который развил и усовершенствовал эксперименты Шарля и опубликовал результаты в 1802 г.
В жизни Гей-Люссака, как и в жизни Жозефа Монгольфье, белье тоже сыграло немаловажную роль. В бельевом магазине он встретил свою будущую жену; она была простым клерком, но на работе читала тексты по химии (!). Она, в свою очередь, увлеклась Гей-Люссаком по той причине, что он, подобно многим химикам того времени, был азартен. Однажды, когда он выделял натрий и калий, металлы взорвались у него в руках, и он почти лишился зрения. Потом самодельная батарейка так сильно ударила его током, что у него на целый день отнялась рука. Еще раз пробирка взорвалась у него в руках в 1844 г., и он непременно лишился бы глаза, если бы после первого взрыва не стал носить очки.
