Барометр
Земля окружена газовой оболочкой толщиной около 1000 км — атмосферой. Атмосфера состоит из воздуха, водяного пара и пыли, имеет вес и под воздействием земной гравитации давит на Землю и на всех её обитателей. Это давление называется атмосферным. Для измерения атмосферного давления придумали прибор — барометр.
«Боязнь пустоты»
В 1638 г. герцог Тосканский решил украсить фонтанами сады Флоренции. Воду для фонтанов качали из источника поршневыми насосами, подобными насосу Герона. Но вода «не желала» подниматься по цилиндрам (трубам) насосов выше, чем на 34 фута (10 м). За решением этой проблемы герцог обратился к престарелому Галилею.
До этого времени движение столбика воды за поршнем насоса объяснялось утверждением Аристотеля, что «природа боится пустоты». Считалось, что, как только поршень вытеснит воздух из цилиндра насоса, природа тут же заполнит эту пустоту — вакуум — любым веществом, способным туда проникнуть, — например, водой.
Но почему природа не хочет наполнять пустую трубу выше 10 м? Галилей в ответ герцогу отшутился: «Выше 34 футов природа пустоты не боится», — и предложил разобраться в этом явлении своим ученикам Э. Торричелли и В. Вивиани.
Под давлением
Торричелли и Вивиани провели ряд опытов и пришли к выводу, что вода заполняет вакуум не «из-за боязни пустоты», а под воздействием атмосферного давления. Атмосфера давит на поверхность источника, заставляя воду устремляться туда, где есть свободное место — в трубу насоса, откуда поршень выкачал воздух, образовав вакуум, зону низкого давления. Но вода тяжелее воздуха, и давление многокилометрового столба атмосферы равно давлению 10-метрового столба воды. Поэтому атмосферное давление может «выдавить» воду лишь на 10 м, а затем давление атмосферы и давление воды уравновесятся.
Вакуум (от лат. vacuus — пустой) — пространство без вещества. Создать полный вакуум невозможно. На практике вакуумом называют среду, в которой малое количество газа создаёт давление значительно ниже атмосферного.
Проверка ртутью
Торричелли проверил свои выводы, заменив воду более плотной и тяжёлой жидкостью — ртутью. Он заполнил ртутью запаянную с одного конца стеклянную трубку длиной в 1 м и опустил открытый конец трубки в ртуть в открытом сосуде. Немного ртути слилось в сосуд, образовав в трубке вакуум — «торричеллеву пустоту». Но в трубке остался ртутный столбик высотой 760 мм — его вес уравновесил давление атмосферы. Так в 1643 г. Торричелли впервые измерил атмосферное давление и изобрёл ртутный барометр. Ртутным барометром, как самым точным прибором измерения давления, пользуются и сейчас, и в прогнозах погоды мы слышим: «Атмосферное давление в норме и составляет 760 мм ртутного столба».
Давление и погода
Люди и животные не ощущают тяжести атмосферного давления, потому что его уравновешивает давление нашей крови. Но при повышении или понижении кровяного давления люди чувствуют себя плохо — они начинают испытывать либо силу давления собственной крови, либо силу давления атмосферы.
Атмосферное давление тоже не постоянно. В атмосфере образуются циклоны — атмосферные вихри, где давление понижено (до 560 мм рт. ст.), и области повышенного давления (до 816 мм рт. ст.) — антициклоны. Циклоны и антициклоны медленно перемещаются над поверхностью Земли, влияя на самочувствие людей и определяя смену погоды. Циклон низким давлением «притягивает» влагу и вызывает пасмурную погоду, дожди, снегопады. Высокое давление антициклона, напротив, вытесняет из зоны своего воздействия скопление водяных паров и устанавливает ясную сухую погоду. Измерив давление, можно предсказать погоду. Давление измеряют барометром.
Доказательство Герике
Наличие атмосферного давления в 1654 г. убедительно доказал физик О. Гэрике из немецкого г. Магдебурга. Он плотно соединил два медных полушария и из образовавшейся полой сферы откачал воздух. Внутри сферы образовался вакуум и почти не было давления. На сферу воздействовало лишь атмосферное давление снаружи. Сила этого давления оказалась столь велика, что разомкнуть сжатые полушария смогли только силой 16 лошадей. Но, как только в сферу накачали воздух, внутреннее и внешнее давление уравновесилось, и сфера распалась сама.
Развитие идеи
Открытие атмосферного давления и того, что воздух имеет вес (что потом экспериментально доказал сам Галилей), не сразу было воспринято учёными, привыкшими верить в «боязнь пустоты». Потребовались годы опытов, доказывающих наличие атмосферного давления. Французский учёный Б. Паскаль, подтверждая выводы итальянцев о том, что атмосферное давление уравновешивается весом столба жидкости в трубке, доказал, что высота этого столба различна на разных расстояниях от поверхности Земли. На вершине горы Пьи-де-Дом ртуть в трубке ртутного барометра опустилась ниже, чем была у подножия, потому что на высоте толща атмосферы меньше и меньше её вес и давление на ртуть.
В честь Паскаля названа единица измерения давления: 1Па = 0,0075 мм ртутного столба. Исследуя свойства давления, Герике в 1661 г. сконструировал манометр — прибор для измерения давления жидкостей и газов. В 1843 г. был изобретён анероид — механический барометр с вакуумным цилиндром с чувствительной мембраной. Мембрана вдавливается или расправляется под воздействием изменения давления и через пружину и систему рычагов двигает стрелку, указывающую давление на накале.
