Вимірювання атмосферного тиску
Одним з історичних дослідів, які довели існування атмосферного тиску, був досвід Торрічеллі і Вівіані, про який вже згадувалося. Цей досвід полягав у тому, що заповнену ртуттю і запаяну з одного кінця трубку опускали в посудину з ртуттю. Частина ртуті виливалася в посудину, і так само, як у водяному насосі, над поверхнею ртуті виникала порожнеча.
При цьому помітили, що висота стовпчика ртуті не залежить від форми трубки і обсягу порожнечі над поверхнею ртуті. Відношення висоти, на яку піднімається ртуть, до висоти, на яку в подібному досвіді піднімається вода, дорівнює відношенню густини води до щільності ртуті.
Результати подібного експерименту переконали не всіх. Але поступово, після багаторазового його відтворення, уявлення про можливості порожнечі і існування атмосферного тиску стали загальновизнаними.
До справи підключився видатний філософ, математик і фізик Блез Паскаль (1623-1662).
Паскаль припустив, що висота підйому ртуті в трубці Торрічеллі повинна змінитися на високій горі, так як там тиск атмосфери менше.
Прилад для вимірювання атмосферного тиску - барометр-анероїд
Паскаль потім сам провів подібний експеримент в Парижі - в знаменитому соборі Нотр-Дам, а потім на вежі Сен-Жак. Ці експерименти підтвердили ідеї Торрічеллі про атмосферний тиск і продемонстрували можливість вимірювання цього тиску.
Таким чином, можна стверджувати, що з дослідів Торрічеллі і Паскаля «виріс» прилад для вимірювання атмосферного тиску - ртутний барометр. З'явилася потім і одиниця виміру тиску - міліметр ртутного стовпа, яку застосовують і зараз. У Міжнародній системі одиниць саме в честь Паскаля одиниця тиску носить його ім'я - Паскаль (Па).
Крім рідинних приладів (ртутного, водяного), для вимірювання атмосферного тиску використовують і інші - наприклад, барометр-анероїд.
Анероїд, що має шкалу, за якою можна визначити висоту підняття над Землею, називають альтиметром (висотоміром). Треба підкреслити, що принцип його дії той же, що і у звичайного барометра - з різницею лише в шкалі, яку попередньо градуируют в метрах (кілометрах) від поверхні землі. Альтиметр широко використовують в авіації, парашутному спорті, альпінізмі та т. Д.
Перед тим як привести таблицю даних про атмосферний тиск на різних висотах, відзначимо, що ці дані відповідають так званої стандартної атмосфери. У тропосфері і стратосфері повітряної оболонки Землі щільність, тиск і температура коливаються в досить широких межах залежно від географічної широти місцевості, пори року і часу доби, метеорологічних умов. Для великих висот фізичні властивості повітря дуже залежать від сонячної активності. Тому для загального уявлення характеристик атмосфери і практичних розрахунків прийнята стандартна атмосфера - умовний розподіл щільності, тиску і температури в сухому чистому повітрі в залежності від висоти над рівнем моря. Стандартна атмосфера грунтується на багаторічних статистичних даних і містить середні значення фізичних параметрів повітря.
Винаходи людей просуваються вперед із століття в століття. Доброта ж і злість людська в загальному залишаються тими ж. Блез Паскаль
Стандартна атмосфера встановлює середні значення цих параметрів для широти 45,4 °, відповідних середнім рівнем сонячної активності. Початкові значення повітря на рівні моря: температура 15 ° C, тиск 101 325 Па (760,0 мм рт. Ст.), Щільність 1,225 кг / м 3.
Отже, тиск атмосфери на різних висотах над поверхнею Землі:
Існує цікавий історичний анекдот, певним чином пов'язаний з вимірюванням тиску на різних висотах. До речі, цю історію розповідав сам Ернест Резерфорд - видатний фізик, президент Лондонського Королівського товариства, лауреат Нобелівської премії.
Якось колега звернувся до Резерфорда за допомогою. Він збирався поставити найнижчу оцінку з фізики одному зі своїх студентів, в той час як цей студент стверджував, що заслуговує вищий бал. Обидва, викладач і студент, погодилися покластися на думку третьої особи, незацікавленого арбітра, вибір припав на Резерфорда.
Екзаменаційний питання було таким: «Пояснити, яким чином можна виміряти висоту будівлі за допомогою барометра».
Студент відповів: «Потрібно піднятися з барометром на дах будівлі, спустити барометр вниз на довгому мотузку, а потім втягнути його назад і зміряти довжину мотузки, що і покаже точну висоту будівлі».
Випадок був дійсно складний, оскільки відповідь була повним і правильним! З іншого боку, іспит був з фізики, а в цій відповіді було мало спільного з застосуванням знань в цій області.
Студенту запропонували спробувати відповісти ще раз, при цьому підкреслили, що відповідь повинна демонструвати знання фізичних законів.
Через п'ять хвилин він так і не написав нічого в екзаменаційному листі, заявивши, що у нього є кілька рішень цієї проблеми, і він просто вибирає краще.
Нова відповідь на питання був таким. Треба піднятися з барометром на дах будинку і ... кинути його вниз, заміряючи час падіння. Потім, використовуючи формулу h = (g · t 2): 2, обчислити висоту будівлі. (У цій формулі g = 9,8 м / с 2 - прискорення вільного падіння.)
Потім студент привів ще кілька способів визначення висоти будівлі. Наприклад, якщо день сонячний, то потрібно спочатку виміряти висоту барометра, висоту його тіні, а також виміряти довжину тіні будівлі. Потім, склавши досить просту пропорцію, визначити висоту самої будівлі.
Ще один спосіб був такий. Потрібно взяти барометр в руки і почати підніматися по сходах, прикладаючи барометр до стіни і роблячи на ній позначки. Порахувавши кількість цих міток і помноживши її на розмір барометра, можна отримати висоту будівлі.
Після опису ще кількох способів студент запропонував наступне: треба взяти барометр, знайти керуючого будинком і сказати йому, що у вас є чудовий барометр, і він перейде в його власність, якщо той ... назве висоту цієї будівлі.
Коли Резерфорд запитав студента - невже він справді не знає, як вирішити цю задачу, той зізнався, що знає, але сказав при цьому, що йому набридло, коли викладачі нав'язують учням свій спосіб мислення.
Студентом цим був Нільс Бор (1885-1962), майбутній видатний датський фізик, лауреат Нобелівської премії 1922 р
Ось така історія. Мабуть, вона і справді не тільки про барометр ...
Значний внесок у розвиток гідростатики - розділу фізики, в якому вивчаються властивості нерухомої рідини, - вніс французький учений Блез Паскаль, про який ми вже згадували.
За вказівкою Паскаля, міцну дубову бочку по вінця наповнили водою і наглухо закрили кришкою. У невеликий отвір в кришці вставили і закріпили кінець вертикальної скляної трубки такої довжини, щоб її верхній кінець був на рівні другого поверху будинку.
Вийшовши на балкон, Паскаль почав наповнювати трубку водою. Не встиг він вилити і десятка склянок, як раптом бочка з тріском лопнула. Її розірвала досить значна сила. Паскаль впевнений: сила, розірвала бочку, зовсім не залежить від кількості води в трубці. Все залежить від висоти, з якої трубка була заповнена.
Далі розкривається дивна властивість води - «передавати тиск», що створюється на поверхні води, по всьому об'єму всередині рідини.
Так Паскаль приходить до відкриття закону розподілу тиску в рідині, який пізніше назвали його ім'ям.
Крім цього досить відомого експерименту, Паскаль проводив і інші. Він брав посудину з отворами з однаковим перетином в стінках і дні. В отвори вставлялися трубки з поршнями. Коли посудину наповнювався водою, то вода тиснула на поршні, які утримувалися міцними нитками.
Вивчаючи істину, можна мати троякую мета: відкрити істину, коли шукаємо її; довести її, коли знайшли; нарешті, відрізнити від брехні, коли її розглядаємо. Блез Паскаль
Щоб виміряти силу тиску на кожен поршень, Паскаль прикріплював до них нитки, які з'єднувалися за допомогою блоків з чашкою ваг. Гирі на іншій чашці терезів, які утримують поршень в рівновазі, показували силу тиску, що діє на поршень.
Ці досліди підтвердили, що тиск на дно посудини пропорційно щільності рідини і висоті її рівня від дна. Формула гідростатичного тиску, яку ми застосовуємо для вирішення різних цікавих завдань, виведена саме з цих дослідів: p = ρ · g · h.
Паскаль довів також, що тиск усередині рідини передається у всіх напрямках, у тому числі і напрямки вертикально вгору. Для цього посудину з водою щільно закривали кришкою, що мала два отвори.
В отвори вставляли однакові (по площі поперечного перерізу) трубки, закриті однаковими поршнями. Коли на один поршень клали гирю, то спостерігали, що поршень в інший трубці піднімався. Щоб утримати поршень в інший трубці в рівновазі, потрібно було покласти на нього таку ж гирю.
Якщо діаметр одного поршня в порівнянні з діаметром іншого поршня, був більше, наприклад, в два рази, то для утримування першого поршня в рівновазі необхідно було покласти гирю в чотири рази важче, ніж на поршень у вузькій трубці.
Описуючи ці досліди в своєму «Трактаті про рівновагу рідин» (1654 г.), Паскаль писав:
«Посудина, заповнений водою, є новим принципом механіки і новою машиною для збільшення сил в міру необхідності, оскільки таким чином людина може підняти будь-яку запропоновану йому вагу».
Ви, напевно, вже здогадалися, що мова йде про гідравлічної машині, яка широко застосовується і в наукових дослідженнях, і в техніці.