Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Изобретение барометра и открытие атмосферного давления Э. Торричелли.

Дата: 1643.

Методы: качественное и количественное исследование.

Прямота эксперимента: прямое наблюдение; изменение условий эксперимента с целью выделить механизм, приводящий к наблюдаемому явлению.

Искусственность изучаемых условий: естественные.

Исследуемые фундаментальные принципы: основной закон гидростатики, наличие атмосферного давления.

Своим достаточно простым Опытом Эвангелиста Торричелли (1608–1647) измерил атмосферное давление и сделал первые выводы о давлении столба жидкости, которые зафиксированы в основном законе гидростатики. В опыте, поставленном в 1643 г. использовалась запаянная с одного конца тонкая стеклянная трубка, которую наполняли ртутью, после чего переворачивали и открытым концом опускали в стеклянную ванночку, также наполненную ртутью (см. рис.). В случае воды мы знаем, что обычно в подобном случае в трубку должны начать поступать пузыри воздуха, а сама жидкость начнет выливаться. В опыте же Торричелли трубка была сделана достаточно тонкой и хорошо прилегала ко дну корытца, так что воздух в нее не проходил. Вместо этого только часть ртути перетекала в корытце, а у запаянного конца трубки возникала т.н. пустота Торричелли (на самом деле, эта «пустота» была наполнена насыщенными парами ртути, но их давление при комнатной температуре гораздо меньше атмосферного, поэтому приближенно можно назвать эту область пустотой).

Наблюдаемый эффект свидетельствовал о том, что ртуть от полного выливания удерживала некоторая сила, действующая со стороны нижнего конца трубки. Эта силу и создавало атмосферное давление, противостоящее весу столба жидкости. С точки зрения современных представлений,

где  — атмосферное давление,  — давление насыщенных паров ртути в пустоте Торричелли,  — высота столба ртути,  — плотность ртути,  — ускорение свободного падения.

Столб ртути в трубке имел всегда одну и ту же высоту, равную примерно 760мм. Отсюда и единица измерения давления — миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). По формуле выше мы получаем, что в Паскалях

Другое интересное свойство столба состояло в том, что он имел ту же высоту и в наклоненной к вертикали трубке (см. рис.). Более того, в принципе, можно было сделать и S-образную трубку — и все равно ртуть в ней держалась бы на той же отметке в 760 мм. Выходит, что давление, создаваемое столбом ртути, которое и уравновешивается атмосферным давлением, зависит только от высоты столба. Кроме того, наблюдая картину, изображенную на последнем рисунке, Торричелли сделал вывод о том, что ртуть от полного вытекания в ванночку удерживает не таинственная сила всасвывания со стороны образовавшейся в верху трубки пустоты, а именно сила атмосферного давления снизу. Действительно, в первом случае эта сила должна была бы меняться при наклоне трубки, поскольку объем пустоты Торричелли при этом также менялся. Также использовалась одна ванночка со вставленными в нее трубками разной длины, в которых, соответственно, и пустоты Торричелли имели различные объемы.

Наконец, Торричелли заметил, что высота столба ртути в трубке менялась со временем, в частности, в течение суток. Это тоже говорило о внешней причине удержания ртути в трубке и послужило первым выполненным Торричелли барометрическим наблюдением. С этого открытия начались многочисленные исследования взаимосвязи погодных явлений и атмосферного давления.

Стоит отметить, что первые наблюдения атмосферного давления были описаны еще учителем Торричелли Галилео Галилеем в труде «Беседы». Там он цитировал итальянских колодезников, которые стали использовать насосы для откачивания воды из глубины колодца. Они заметили, что таким способом удается поднять воду с глубины не более 10 метров, каким бы хорошим ни был насос. Исходя из этого замечания, Галилей оценил «боязнь пустоты» (атмосферное давление)  величиной порядка одного килограмма на квадратный сантиметр. Эта достаточно хорошая оценка никоим образом не обесценивает вклад Торричелли в данные исследования, показавшего, что «боязнь пустоты» связана не с самой пустотой, а с весом воздуха, давящего сверху на нас, живущих на дне воздушного океана.

Несмотря на последовательность исследований Торричелли вера в воздух как чисто духовное начало и в всасывающую силу пустоты была разрушена даже после его смерти. Лишь опыты Паскаля, построившего водяной барометр и показавшего, что давление воздуха зависит от высоты, а также знаменитый опыт Отто фон Герике с Магдебургскими полушариями (см. рис. ниже) начали стирать из умов ученых старые взгляды. Ниже представлена знаменитый рисунок Г. Шотта, на котором изображены 16 лошадей, по 8 с каждой стороны от металлических Магдебургских полушарий, между которыми создан вакуум. Полушария прижимает друг к другу не что иное как атмосферное давление, и эта сила столь велика, что оторвать полушария друг от друга не может даже такая приличная упряжь.

<<К предыдущему эксперименту  |  Молекулярная и статистическая физика  |  К следующему эксперименту>>