Атмосферний тиск. Історія та суть наукового відкриття

ВАЖЛИВІ НАУКОВІ ВІДКРИТТЯ
Безкоштовна бібліотека / Довідник / Найважливіші наукові відкриття

Атмосферний тиск. Історія та суть наукового відкриття

Найважливіші наукові відкриття

Довідник / Найважливіші наукові відкриття

Існування повітря відоме людині з найдавніших часів. Грецький мислитель Анаксимен, який у VI столітті до зв. е., вважав повітря основою всіх речей. Разом з тим повітря є чимось невловимим, як би нематеріальним - "дух".

Стародавні атомісти Демокріт, Епікур і Лукрецій не сумнівалися в матеріальній природі повітря, атоми якого, на їхню думку, мають рухливість і круглу форму. Більше того, вони вважали, що сама душа має атомістичну природу, атоми душі особливо легкі, малі та рухливі. Аристотель, зараховуючи повітря до одним із чотирьох матеріальних елементів, вважав, що повітря має вагу, і навіть думав, що йому вдалося це підтвердити досвідом, зважуючи "порожній" і надутий повітрям міхур. Аристотель вже добре знав всмоктувальну дію розрідженого простору і вивів із цього факту принцип "природа не терпить порожнечі".

Велика кількість пневматичних приладів була винайдена Рерон, який вважав, що повітря складається з частинок, розділених малими порожнинами. Однак існування великих порожнин він вважав неприємним природі і цим пояснював всмоктування, дію насосів, сифонів, а також інші явища, які нині пояснюються атмосферним тиском.

В епоху раннього середньовіччя уявлення про атмосферу висловив єгипетський учений Ал Хайсама (Альгазена), який жив у ХІ столітті. Він не тільки знав, що повітря має вагу, але що густина повітря зменшується з висотою, і цим зменшенням пояснював атмосферну рефракцію. Спостерігаючи за тривалістю сутінків, Альгазен оцінював висоту атмосфери приблизно 40 кілометрів. Проте середньовічна Європа повернулася до арістотелівської концепції чотирьох елементів і принципу "побоювання порожнечі", залишивши надовго вивчення фізичних властивостей повітряного океану.

Першими, хто практично виміряв тиск повітряного океану, були італійські колодязі. Ось як про цей факт розповідається у "Бесідах" Галілея:

"Я бачив, - каже один із співрозмовників Сагредо, - одного разу колодязь, в який був поміщений насос для накачування води кимось, хто думав таким чином діставати воду з меншою працею або у більшій кількості, ніж просто відрами. Цей насос мав поршень з верхнім клапаном, так що вода піднімалася всмоктуванням, а не тиском, як то робиться в насосах з нижнім клапаном.Поки колодязь був наповнений водою до певної висоти, насос всмоктував і подавав її чудово, але як тільки вода опускалася нижче цього рівня - насос переставав працювати Помітивши перший раз такий випадок, я подумав, що насос зіпсований, і покликав майстра для ремонту, останній заявив, проте, що все було справно, але вода опустилася до тієї глибини, з якої вона не може бути піднята насосом вгору, при цьому він додав, що ні насосами, ні іншими машинами, що піднімають воду всмоктуванням, неможливо підняти воду і на волосся вище вісімнадцяти ліктів; чи будуть насоси широкими чи вузькими - гранична висота залишається такою самою".

Галілей вважав, що гранична висота водяного стовпа 18 ліктів є мірою "побоювання порожнечі". "Оскільки мідь у дев'ять разів важча за воду, то опір розриву мідного стрижня, обумовлений страхом порожнечі, дорівнює вазі двох ліктів стрижня тієї ж товщини", - писав Галілей у "Беседах".

Іншими словами, "страх порожнечі" (тобто сила атмосферного тиску) врівноважується або вагою водяного стовпа в 10 метрів, або вагою мідного стовпа висотою в 1,12 метра, становлячи, за оцінкою Галілея, близько 1 кілограма на квадратний сантиметр. Таким чином, практики з достатньою точністю оцінили силу атмосферного тиску і підрахунки Галілея правильні, хоча інтерпретація його спостереження, зробленого італійськими майстрами, носить ще схоластичний характер. Потрібно було зробити подальший крок. Його зробив Торрічеллі.

Еванджеліста Торрічеллі (1608–1647) народився у Фаенці в Італії, у знатній родині. Рано втративши батька, Торрічеллі виховувався своїм дядьком - вченим ченцем, який віддав його до єзуїтської школи.

У вісімнадцять років Торрічеллі відправили до Риму для продовження математичної освіти. У Римі Еванджеліста зблизився з учнем та послідовником Галілея - Бендетто Кастеллі (1577-1644). Кастеллі був домініканським священиком та професором математики. Він рано приєднався до вчення Галілея і став вірним помічником та другом великого вченого.

У 1632 році вийшов знаменитий "Діалог про дві системи світу" Галілея, а в 1638 році був надрукований його останній і найважливіший твір "Бесіда про дві науки". Цей твір вплинув на Торрічеллі, і під його враженням він написав твір "Про природний прискорювальний рух", в якому розвивав ідеї Галілея.

Рукопис Торрічеллі його вчитель Кастеллі, їдучи з Риму до Венеції, захопив із собою і дорогою, побувавши в Галілея, познайомив його з нею. Робота Торрічеллі настільки сподобалася Галілею, що він запросив до себе молодого вченого.

У жовтні 1641 року Торрічеллі прибув до Арчетрі і почав працювати над завершенням "Бесід", проте його спільна робота з Галілеєм тривала недовго. У січні 1642 року Галілей помер.

Герцог Тосканський запропонував Торрічеллі обійняти посаду Галілея. Торрічеллі погодився і на цій посаді провів решту свого короткого життя.

Після смерті Галілея його двоє учнів - Торрічеллі та Вівіані - працювали в тісній співдружності. Тепер їхнім головним завданням було затвердження експериментального методу. До Торрічеллі та Вівіані приєдналися ще кілька людей. З цього гуртка і народилася знаменита Флорентійська академія досвіду, що отримала своє організаційне оформлення 19 червня 1657, через десять років після смерті Торрічеллі.

Вже римський період життя Торрічеллі стояв на порозі фундаментального відкриття - відкриття тиску повітряного океану. Однак поки що його увагу привертає нова динаміка. У творі "Про природному прискорювальному русі", яке було представлено Кастеллі Галілею і видано у розширеному вигляді у Флоренції в 1641 на італійській мові під назвою "Трактат про рух важких тіл" (латинський переклад трактату в двох книгах вийшов в 1644), Торричел розвиває механіку Галілея.

Торрічеллі став першим ученим, який вирішив балістичну задачу про траєкторію покинутого тіла в однорідному полі тяжкості без опору повітря.

Найбільш чудовим результатом робіт Торрічеллі з механіки є відкриття ним законів закінчення рідини з отвору в посудині. Це відкриття, що примикає до досліджень його вчителя Кастеллі, створило славу засновника гідравліки.

І, нарешті, Торрічеллі робить найбільше відкриття. Йому спадає на думку думка виміряти вагу атмосфери вагою ртутного стовпа. У 1643 році за його вказівкою експеримент був зроблений другом Торрічеллі Вінченцо Вівіані. Досвід виправдав усі очікування, ртуть зупинилася на заданій висоті, над нею утворилася "торрічеллієва порожнеча".

Пізніше Торрічеллі повторив досвід із двома трубками, про що повідомляє в листі до італійського математика Річчі від 11 червня 1644 року, який є єдиною публікацією про знамениті досліди. Ось витяг з цього листа.

Багато хто стверджує, що порожнечі взагалі не існує; інші ж кажуть, що отримання її досяжно лише подоланням опору природи і при тому з великими труднощами. Я вважаю, що у всіх випадках, коли при отриманні порожнечі явно виявляється протидія, немає потреби приписувати порожнечі те, що, очевидно, обумовлено зовсім іншою причиною: говорю так тому, що деякі вчені, бачачи неможливість заперечувати факт протидії, що проявляється внаслідок тяжкості повітря при утворенні порожнечі, не приписують цього опору тиску повітря, а вперто стверджують, що сама природа перешкоджає утворенню порожнечі.Ми живемо на дні повітряного океану, і досліди з безперечністю доводять, що повітря має вагу.

Нами було виготовлено багато скляних бульбашок із трубкою завдовжки два лікті; ми наповнювали їх ртуттю, притримуючи отвір пальцем; коли потім трубки перекидали в чашку з ртуттю, вони випорожнювались, але лише частково: кожна трубка залишалася наповненою ртуттю до висоти ліктя та одного пальця. Бажаючи довести, що пляшечку (у верхній частині трубки) зовсім порожній, підставлену чашку доливали водою, і тоді, при поступовому підніманні трубки, можна було бачити, що, як тільки її отвір опинявся у воді, з трубки виливалася ртуть і весь пляшечку, до самого верху, швидко наповнювався водою. Отже, бульбашка порожня, ртуть тримається в трубці. Досі приймали, що сила, яка утримує ртуть від природного прагнення опускатися, знаходиться всередині верхньої частини трубки - у вигляді порожнечі або дуже розрідженої матерії. Я не стверджую, що причина лежить поза посудиною: на поверхню рідини в чашці тисне повітряний стовп висотою 50x3000 кроків - не дивно, що рідина входить усередину скляної трубки (до якої вона не має ні потягу, ні відштовхування) і піднімається доти, доки не врівноважується зовнішнім повітрям. Вода ж піднімається в подібній, але набагато довшій трубці в стільки разів вище, у скільки разів ртуть важча за воду..."

Для повної переконливості Торрічеллі поставив досвід із двома трубками. Він хоче показати, що ртуть не утримується ніякими симпатіями чи антипатіями, а форма простору над ртуттю не відіграє жодної ролі і справа лише у зовнішньому тиску повітря.

"Це міркування, - продовжує він у тому листі, - підтвердилося досвідом, поставленим одночасно з двома трубками А і В, в яких ртуть завжди встановлювалася на однаковому горизонті АВ, це цілком надійна вказівка на те, що сила не знаходиться всередині (вакууму) , так як велика сила повинна бути всередині судини АВ, в якій знаходиться більш розріджене щось, що притягує, і вона повинна бути набагато сильніше через більш повне розрідження, ніж в дуже малому просторі В".

Торрічеллі вдалося знайти ще важливіший доказ зовнішньої причини утворення ртутного стовпа. Вчений зауважив, що висота стовпа зазнавала вагань, тобто тиск атмосфери змінювався. Таким чином, трубка Торрічеллі стала першим барометром. Саме з цього досвіду розпочалося наукове спостереження за погодою, найважливішими характеристиками якої є тиск та температура.

Варто зауважити, що експеримент Торрічеллі був не бездоганний. Ця висота ртутного стовпа, якщо взяти до уваги висоту Флоренції над рівнем моря, відповідає 74,2 сантиметрам ртутного стовпа. Мале значення цієї величини, мабуть, можна пояснити тим, що в "торрічеллієвій порожнечі" залишалося ще кілька повітря.

Боротьба проти вчення про побоювання порожнечі не закінчилася досвідом Торрічеллі. Гіпотеза про сили, що утримують ртутний стовп, жила ще довго після смерті Торрічеллі. Знамениті досліди Паскаля (1623-1662), який доказав, що зміна висоти барометра пов'язана з висотою і побудував водяний барометр, підтвердили висновки Торрічеллі. Але винахід повітряного насоса Бойлем і Герике, і навіть ефективні досліди з демонстрації сили атмосферного тиску, вироблені останнім, остаточно розбили концепцію страху порожнечі. Було остаточно поховано уявлення про повітря як про якийсь духовний початок. Геріке довів прямим досвідом вагомість повітря, зважуючи відкачаний посуд і посуд з повітрям. Цей досвід привів його до основного висновку: "Повітря, безсумнівно, є тілесним щось". Таким чином, у науці утвердилося уявлення про те, що повітря є одним із видів матерії, яку можна видалити з займаного нею місця та утворити "порожнечу", "вакуум".

Автор: Самін Д.К.

Рекомендуємо цікаві статті розділу Найважливіші наукові відкриття:

▪ Електромагнітна теорія світла

▪ біосфера

▪ Хромосомна теорія спадковості

Дивіться інші статті розділу Найважливіші наукові відкриття.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Молоко, що допомагає від виразки 15.04.2006

При виразці шлунка здавна рекомендується молочна дієта, але відколи відкрили, що в цій хворобі винен особливий мікроб, стало ясно, що для лікування потрібна не стільки дієта, скільки антибіотики.

Проте австралійська фірма "Агрібіотех" пропонує молоко, яке дійсно допомагає від виразки. Його одержують від корів, яким зробили щеплення ослабленого штаму виразкової бактерії – гелікобактеру. Антитіла виділяються з молоком і знешкоджують бактерії в шлунку людини, що випила.

Оскільки гелікобактер нерідко зустрічається і у здорових, не викликаючи до певного часу хвороба, молоко з антитілами може служити і для профілактики.

Інші цікаві новини:

▪ Цунамі утихомирюється математикою

▪ Двовимірні матеріали змінюють форму та накопичують енергію

▪ Клавіатура Leap Motion працює без дотиків

▪ Домашнє прибирання сприяє релаксу

▪ Синтезатор частоти Texas Instruments LMX2594

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Цифрова техніка. Добірка статей

▪ стаття Добру і злу слухаючи байдуже. Крилатий вислів

▪ стаття Як з'явилося прізвище контр-адмірала Іванова-Тринадцятого? Детальна відповідь

▪ стаття Вимірник магнітного поля. Дитяча наукова лабораторія