Физика - С. Каплун

Из этого следовало, что воздух имеет вес! Это утверждение казалось настолько невероятным, что не сразу было принято учеными того времени.

Заметим, что о результатах своих опытов Торричелли сообщил своему другу М. Риччи, который жил в Риме. Хотя это письмо не было напечатано, оно разошлось в списках по всей Европе и вызвало появление работ других авторов (в том числе Б. Паскаля, О. Герике, Р. Бойля).

В своем письме Торричелли рассказывает: «…Я уже писал ранее, что занимаюсь разработкой определенного философского експеримента, имеющего отношение к пустоте, не для того, чтобы просто создать пустоту, а для того, чтобы сделать прибор, который показывал бы изменения в воздухе…»

Отсюда легко увидеть попытки создать то, что мы сейчас называем барометром – прибором для измерения атмосферного давления!

Дальше Торричелли пишет: «Мы живем, погруженные на дно океана воздушной стихии, о которой благодаря достоверным опытам известно, что воздух имеет вес, причем наибольшая его плотность – вблизи земной поверхности, где воздух имеет вес, составляющий примерно 1/400 веса воды». (Заметим, что значение, которое привел Торричелли, сейчас установлено с большей точностью.)

Таким образом, именно Торричелли дал нам понять, что воздух имеет определенную массу и действует с определенной силой – силой атмосферного давления, как говорят сейчас.

Открытие атмосферного давления и опыты с вакуумом способствовали разрушению одного из заблуждений – «страха пустоты». Устранение этой ошибки положительно сказалось на проведении дальнейших научных исследований.

В XVII–XVIII вв. опыты с пустотой вызывают большой интерес, наряду с учеными ими с увлечением занимаются и дилетанты. Появляются различные конструкции вакуумных поршневых насосов механического и ртутного типов.

Из опыта Торричелли позже родилась научная метеорология, однако окончательное признание его выводы получили лишь благодаря опытам замечательного французского математика и физика Блеза Паскаля.

Любознательный исследователь и по совместительству бургомистр Магдебурга Отто фон Герике тоже не остался в стороне от интересных свойств воздуха.

Он решил на опыте проверить возможность создания пустоты (вакуума), что привело его к изобретению воздушного насоса (1650 г.).

В 1654 г. Герике продемонстрировал с его помощью существование давления воздуха (знаменитый опыт с «магдебургскими полушариями»), определил его плотность, показал, что звук не распространяется в пустоте, что животные в безвоздушном пространстве гибнут и т. д.

Из-за занятости Герике часто не успевал собственноручно описать свои опыты, поэтому это делал с его разрешения профессор математики К. Шотт. Именно из книг Шотта другие ученые узнали об опытах Герике. Только в 1672 г. вышла в свет книга самого О. Герике «Новые, так называемые магдебургские, опыты о пустом пространстве». Этот труд стал одним из символов экспериментальной науки того времени.

Отто фон Герике

Книга знаменитого ученого содержала несколько разделов, представляющих интерес и сейчас. Один из них – «Первый опыт создания пустоты путем отбора воды». Герике описывал его так: пивная бочка сначала заполнялась водой и герметично закрывалась. К нижней части бочки была прикреплена металлическая трубка, с помощью которой можно было «отбирать» воду. Вода из-за своего веса должна опускаться и оставлять над собой в бочке пространство, свободное от воздуха.

Герике достаточно подробно рассказывает о первом неудачном опыте (лопнули железные болты и связи на бочке!) и о усовершенствованиях, которые пришлось сделать.

Опыт Герике

Далее Герике описывает устройство, предназначенное, по его словам, для создания пустоты. Исследователь объясняет, почему это сложно сделать:

«Поскольку воздух исключительно тонкое тело, он невероятно быстро проходит через все отверстия и заполняет промежутки, какими бы малыми они ни были, всегда определенное количество воздуха незаметно проходит мимо края поршней и через клапаны».

Подробно говорится в книге о воздушном подкачивающем насосе:

«Из описания этой машины четко следует, что с ее помощью создается пустота, и те трудности, которые обычно считались непреодолимыми, можно преодолеть».

Наиболее известными считаются опыты, которые Герике провел с «магдебургскими полушариями». Соответствующий раздел из его книги так и называется: «Опыт, показывающий, что из-за давления воздуха два полушария могут так крепко соединиться, что их не могут оторвать друг от друга шестнадцать лошадей».

Случайные открытия делают только подготовленные умы.

Герике писал: «Я приказал изготовить два полушария (или чаши)… из меди. Они хорошо подогнаны друг к другу и имеют кран (скорее клапан), с помощью которого откачивается воздух, находящийся внутри, а доступ воздуха извне невозможен… Кроме того, чаши надо оснастить железными кольцами, чтобы цеплять к ним лошадей… Затем я приказал сшить кольцо из кожи и пропитать его воском и скипидаром, чтобы оно не пропускало воздуха.

После того как это кольцо было проложено между чашами, я прижал их друг к другу и быстро откачал воздух… Я убедился, с какой силой были соединены чаши, между которыми находилось такое кольцо. Прижатые окружающим воздухом, они соединились так крепко, что шестнадцать лошадей либо вовсе не в состоянии были их разорвать, либо могли это сделать с большим усилием. Когда, наконец, благодаря напряжению всех сил чаши удалось разъединить, то возник шум, похожий на звук ружейного выстрела».

Интересным и важным с точки зрения физики является то, что Герике на этом не остановился. Он показал, как можно измерить силы, прижавшие чаши (полушария) друг к другу! Вместо лошадей он использовал грузы, с их помощью можно разъединить чаши, между которыми нет воздуха. (При этом, конечно, вся эта система размещается вертикально.)

Измерение атмосферного давления

Одним из исторических опытов, доказавших существование атмосферного давления, был опыт Торричелли и Вивиани, о котором уже упоминалось. Этот опыт заключался в том, что заполненную ртутью и запаянную с одного конца трубку опускали в сосуд с ртутью. Часть ртути выливалась в сосуд, и так же, как в водяном насосе, над поверхностью ртути возникала пустота.

Опыт Торричелли

При этом заметили, что высота столбца ртути не зависит от формы трубки и объема пустоты над поверхностью ртути. Отношение высоты, на которую поднимается ртуть, к высоте, на которую в подобном опыте поднимается вода, равно отношению плотности воды к плотности ртути.

Результаты подобного эксперимента убедили не всех. Но постепенно, после многократного его воспроизведения, представление о возможности пустоты и существования атмосферного давления стали общепризнанными.

К делу подключился выдающийся философ, математик и физик Блез Паскаль (1623–1662).

Паскаль предположил, что высота подъема ртути в трубке Торричелли должна измениться на высокой горе, так как там давление атмосферы меньше.

Прибор для измерения атмосферного давления – барометр-анероид

По указаниям Паскаля его родственник Ф. Перье провел необходимый эксперимент 19 декабря 1648 г., поднявшись на гору Пюи-де-Дом. Он установил, что существует заметная разница между высотой столба ртути у подножия горы и на ее вершине – 84 мм.

Паскаль потом сам провел подобный эксперимент в Париже – в знаменитом соборе Нотр-Дам, а затем на башне Сен-Жак. Эти эксперименты подтвердили идеи Торричелли об атмосферном давлении и продемонстрировали возможность измерения этого давления.

Таким образом, можно утверждать, что из опытов Торричелли и Паскаля «вырос» прибор для измерения атмосферного давления – ртутный барометр. Появилась затем и единица измерения давления – миллиметр ртутного столба, которую применяют и сейчас. В Международной системе единиц именно в честь Паскаля единица давления носит его имя – Паскаль (Па).

Кроме жидкостных приборов (ртутного, водяного), для измерения атмосферного давления используют и другие – например, барометр-анероид.

Анероид, имеющий шкалу, по которой можно определить высоту поднятия над Землей, называют альтиметром (высотомером). Надо подчеркнуть, что принцип его действия тот же, что и у обычного барометра – с разницей только в шкале, которую предварительно градуируют в метрах (километрах) от поверхности земли. Альтиметр широко используют в авиации, парашютном спорте, альпинизме и т. д.

Перед тем как привести таблицу данных об атмосферном давлении на разных высотах, отметим, что эти данные соответствуют так называемой стандартной атмосфере. В тропосфере и стратосфере воздушной оболочки Земли плотность, давление и температура колеблются в достаточно широких пределах в зависимости от географической широты местности, времени года и времени суток, метеорологических условий. Для больших высот физические свойства воздуха очень зависят от солнечной активности. Поэтому для общего представления характеристик атмосферы и практических расчетов принята стандартная атмосфера – условное распределение плотности, давления и температуры в сухом чистом воздухе в зависимости от высоты над уровнем моря. Стандартная атмосфера основывается на многолетних статистических данных и содержит средние значения физических параметров воздуха.