Атмосферное давление

Торичелли не только воспринял идеи Галилея, но и развил их дальше. Галилей в своей критике физических концепций Аристотеля остановился на полпути в вопросе о боязни пустоты. Опираясь на опыт флорентийских водопроводчиков, согласно которому вода не может быть вытянута насосом на высоту более 10 с небольшим метров, Галилей считал, что сила "боязни пустоты" ограничена и не может превышать веса указанного столба воды. Галилей предложил и другой способ определения этой силы: в выточенном цилиндре ко дну его плотно пригоняется поршень. Вес груза, который может оторвать поршень от дна, может служить показателем силы сопротивления образованию пустоты.

Продолжая исследования Галилея, Торичелли решил заменить водяной столб ртутью. Опыт, поставленный в 1643 г. Вивиани по его указанию, вполне оправдал его ожидания. В трубе образовалась пустота, и высота ртутного столба была меньше высоты водяного столба приблизительно в 14 раз. Самый факт получения пустоты и образования ртутного столба, казалось, подтверждал мысль Галилея об ограниченности силы, "боязнь пустоты". Торичелли, повторяя сам опыты с ртутным столбом, скоро отбросил эту мысль. Высота ртутного столба колебалась, и Торичелли пришёл к заключению, что этой высотой измеряется весовое давление воздуха. Таким образом, он получил два замечательных результата: доказал возможность получения пустоты и доказал существование атмосферного давления. Его самого интересовал больше всего второй.

Опыты Торичелли вызвали широкий резонанс. По его способу стали получать вакуум флорентийские академики и другие учёные Европы. "Пустота" стала объектом физического исследования. Декарт выдвинул идею измерения атмосферного давления на различных высотах. Идея эта была реализована Паскалем^*.

^* (Блез Паскаль родился 19 июня 1623 г. в Клермон-Ферране. Ещё ребёнком Паскаль обнаружил феноменальные математические способности; его успехи в геометрии приводили в изумление Роберваля и Мервенна. 16 лет от роду Паскаль написал выдающийся трактат о конических сечениях. Значительных результатов Паскаль добился в области теории чисел, теории вероятностей и комбинаторики. К сожалению, научная деятельность Паскаля оборвалась рано, и вторая половина его короткой жизни проходит в размышлениях над религиозно-философскими вопросами. Его блестящие "Письма провинциала", написанные против иезуитов, положили начало новой французской литературы. Умер Паскаль в 1662 г.)

Паскаль узнал об опытах Торичелли в 1644 г. Он повторил их с ртутью, водой, вином, ещё стоя на точке зрения "боязни пустоты". Но ознакомившись в 1647 г. с трактатом Торичелли, Паскаль ищет веских доказательств правильности воззрений Торичелли. Поставленный им опыт на горе Пюи-де-Дом высотой 4300 футов явился тем experimentum crucis, который окончательно решил вопрос в пользу новой теории. Разница в высоте ртутного столба на горе и у подошвы составила 15 линий.

Дальнейшими исследованиями Паскаль ещё более укрепил теорию воздушного давления. Он подтвердил наблюдения Торичелли о колебаниях ртутного столба и поставил их. в связь с погодой. На основе теории воздушного давления он объяснил действие сифона. Он показал, что разность атмосферных давлений играет существенную роль, и продемонстрировал принцип сифона опытом с ртутным сифоном в воде. По теории Паскаля, водяной сифон с разностью высот 10,3 м не будет работать, как это и наблюдается. Так героново объяснение действия сифона заменилось более совершенным.

Рис. 85. Опыт Паскаля

Исследования Паскаля послужили толчком к решению новой задачи: определение высоты места по показанию барометра. Мариотт в 1676 г. наметил такой путь решения этой задачи. Вся высота атмосферы делится на слои равного веса так, что в каждом слое давление падает на ¹/₁₂ линии ртутного столба. Таким образом, высота ртутного столба, равная 28 дюймам, на уровне моря будет убывать ступеньками по ¹/₁₂ линии до нуля на границе атмосферы. Так как в парижском дюйме содержится 12 линий, то число таких ступенек будет 28*12*12 = 4032. Высота этих ступеней не одинакова. По наблюдениям Мариотта высота первого воздушного слоя, на протяжении которого давление падает на ¹/₁₂ линии, составляет 5 футов. По найденному Мариоттом закону, высота второго слоя определится из пропорции

третьего

и если на какой-либо высоте Н давление составляет h двенадцатых долей линии, то толщина слоя

Сама же высота

Отто Герике

Мариотт заменил эту сумму арифметической прогрессией с числом членов, равным числу слагаемых, и теми же первым и последним членами. Неточность подсчёта в соединении с неточностью основных предпосылок привела Мариотта к результату, значительно расходящемуся с опытом. Через 10 лет после Мариотта Галлей представил Королевскому обществу мемуар, в котором дал вывод барометрической формулы, написанной им в виде

Здесь Н - высота над уровнем моря в английских футах, α-барометрическая высота на уровне H, причём на уровне моря она, по Галлею, равна 30 англ. дм., удельный вес воздуха он принимает равным ¹/₈₀₀, а ртути 13,5. Исправление и уточнение формулы Г аллея было дано уже в XVIII в. (Делюк, затем Лаплас).

Исследования Паскаля, Мариотта, Галлея привели к окончательному подтверждению мысли Торичелли о воздушном давлении и послужили отправным пунктом в метеорологических наблюдениях (барометры). Другая сторона открытия Торичелли - получение вакуума - также привела к важным следствиям.

Здесь прежде всего следует упомянуть флорентийских академиков - прямых продолжателей дела Галилея и Торичелли. Флорентийская академия (Academia delCimento) была учреждена в 1657 г. Девять членов академии (Борелли, Кандидо Буоно, Паоло Буоно, Магалотти, Марсили, Олива, Реди, Ринальдини, Вивиани) вели строго коллективную работу, результаты которой были опубликованы в сборнике "Saggidinaturali esperienze fatte nell' Academia del Cimento", вышедшем в 1667 г. Сборник состоит из 13 глав. Уже первая глава даёт возможность почувствовать революцию научного метода. В ней описаны вновь построенные измерительные приборы: термометр (спиртовой), ареометр, гигрометр, маятник с бифилярным подвесом. Во второй главе речь идёт об опытах Торичелли и описан ряд опытов в торичеллиевой пустоте. В двенадцатой главе описываются опыты над падением тел, подтверждающие результат Галилея.

Вслед за академиками изучением вакуума занимались Герике и Бойль, изобретатели воздушного насоса.

Рис. 86. Титульный лист трактата Герике

Известия об опытах Герике с воздушным насосом появились значительно ранее его сочинения, вышедшего в свет в 1672 г. под титулом: "Новые магдебургские опыты о пустом пространстве". Впервые описание опытов Герике появилось в сочинении иезуита Каспара Шотта "Гидравлико-пневматическая механика" (1657). Несмотря на то, что в этой книге говорится не только о торичеллиевой пустоте, но и дано описание воздушного насоса, автор всё ещё придерживается аристотелевского horror vacui, утверждая, что аристотелева пустота не является таковой, а лишь весьма разреженным воздухом. Герике, допуская возможность существования пустоты, считал необходимым обосновать этот взгляд философскими соображениями. Герике указывал:

1. На громадность вместилища всех тел природы, которого нельзя заполнить материей. "Все эти тела (Солнце, планеты, звёзды и кометы), вместе взятые, в сравнении с сим вместилищем можно представить себе не более, как малейшей частицей, или атомом".
2. На ошибочность аргументации Аристотеля, что пустота не может быть причиной явлений и потому не может быть допущена в природе.

"Но пустота может быть причиною явлений... Пустота есть причина явления избежания пустоты, причина наполнения: не было бы пустоты, не было бы и наполнения и многих других опытов. Следовательно, пустота должна быть допущена философом... Возможность образовать пустоту мы докажем многочисленными опытами".

Рис. 87. Опыт Герике с атмосферным давлением

Вначале Герике пытался получить пустоту откачиванием воды из наполненной бочки, но это не удавалось: место воды сейчас же занимал воздух. После этого Герике осуществил воздушный насос, привинченный к медному шару. Оказалось, что по мере разрежения поршень насоса с трудом вытягивался работниками (рис. 87). Тогда Герике укрепил цилиндр насоса на треножнике, привинченном к полу, и снабдил рукоятку поршневого штока рычагом (рис. 88). С этим насосом Герике осуществил ряд опытов с целью демонстрации воздушного давления, в том числе знаменитый опыт с магдебургскими полушариями, описанный им следующим образом:

Рис. 88. Воздушный насос Герике

Рис. 89. Опыт Герике с магдебургскими полушариями

"Я заказал два медных полушария приблизительно в ³/₄ магдебургских локтя в диаметре или точнее,- так как мастера не очень-то заботятся о строгом соблюдении заказанных размеров - в шестьдесят семь сотых локтя. Обе половины были совершенно одинаковы. Одна половина была снабжена краном или скорее клапаном, посредством которого мог извлекаться внутренний воздух из шара. Кроме того, на обоих полушариях были железные кольца с пропущенными через них верёвками для впрягания лошадей. Затем я заказал кожаное кольцо, пропитанное раствором воска в терпентине, чтобы оно не пропускало воздуха. Это кольцо было положено между полушариями, и из них был быстро выкачан воздух. При этом полушария оказались прижатыми к кожаному кольцу настолько сильно, что шестнадцать^* лошадей либо вовсе не могли разорвать их, либо разрывали с великим трудом. Когда разрыв происходил, то слышался звук вроде ружейного выстрела. Когда в пустоту полушарий вводился воздух, то разнять их было очень легко"^**.

^* (Разумеется, не шестнадцать, а восемь.)

^** (Герике демонстрировал опыт с полушариями перед членами рейхстага в Регенсбурге 8 мая 1654 г.)

Рис. 90. Опыт Герике с магдебургскими полушариями

Насос дал возможность Герике продемонстрировать эффективным образом давление воздушного океана и построить новый прибор для наблюдения колебаний этого давления - бароскоп. Из медного шара диаметром около 1 фута выкачивался воздух, и затем шар уравновешивался на коромысле весов тяжёлым небольшим противовесом (рис. 92) При изменении плотности воздуха равновесие нарушалось и стрелка весов отклонялась в ту или иную сторону. Для той же цели служил водяной барометр, с указателем в виде человечка, плавающего на поверхности водяного столба. Герике начал применять барометр для предсказаний погоды и, в частности, предсказал бурю 9 декабря 1650 г.^*.

^* (Это, конечно, не означает, что барометр "предсказывает" погоду.)

Рис. 91. Титульный лист трактата Мариотта 'Опыты о природе воздуха'

Из других важных применений насоса упомянем о произведённом Герике измерении плотности воздуха, о доказательстве необходимости среды для звука ("звон в пустоте"). Герике же показал, что для горения нужен воздух.

Рис. 92. Бароскоп Герике

Соперником Герике в деле изобретения насоса был знаменитый химик Роберт Бойль (1627-1691).

Исследования Герике, о которых Бойль узнал из сочинения Шотта, побудили его заняться конструкцией насоса и экспериментами в вакууме. Насос Бойля был совершеннее первоначальной формы насоса Герике и благодаря червячной передаче на поршневой шток мог приводиться в действие одним человеком. Результаты своих опытов по получению вакуума Бойль изложил в сочинении "New experiments physico-mechanical, touching the spring of the air" (1660). Здесь, между прочим, описано понижение ртутного столба при откачке, прекращение действия сифона в пустоте и понижение точки кипения воды при понижении давления.

Несмотря на достижения Герике и Бойля, идея атмосферного давления внедрялась с трудом. Люттихский профессор Линус высказал мысль, что столб ртути в барометре удерживается особыми невидимыми нитями. Возражая Линусу, Бойль решил показать, как воздухом можно уравновесить столб ртути, и, взяв изогнутую трубку с запаянным коротким концом, подливал в открытый конец длинного колена ртуть. Сжимаемый воздух уравновешивал всё более и более длинный столб ртути. Индуктивно-эмпирическое мышление Бойля характеризует тот факт, что он не заметил закономерности, связывающей высоту ртутного столба в открытом колене с объёмом воздуха в закрытом колене. Эта закономерность была подмечена учеником Бойля Ричардом Тоунлеем, который установил из таблиц Бойля, что объём воздуха обратно пропорционален давлению. Бойль признал справедливость этого вывода и доказал его для давлений ниже атмосферного. Опыты и закон описаны в сочинении "Защита доктрины, касающейся упругости и веса воздуха" (1662). Независимо от Бойля газовый закон был открыт аббатом Мариоттом (1620-1684). Вопросам механики жидкостей и газов посвящены его сочинения: "Опыт о природе воздуха" (1676) и "Трактат о движении воды и других жидкостей" (1686).

В первом из этих сочинений Мариотт выводит газовый закон из многочисленных опытов, применяя давления, большие и меньшие атмосферного. Здесь же он выводит барометрическую формулу (см. выше). Во втором сочинении Мариотт подтверждает закон Торичелли, исследует высоту поднятия фонтанов и т. д.

В дальнейшем усовершенствованиями насоса занимались: Гюйгенс, введший тарелку, колокол и манометр, Папин, заменивший кран клапаном, Штурм, сконструировавший воздушный насос с двумя клапанами, и др.