Ciśnienie atmosferyczne. Historia i istota odkryć naukowych

NAJWAŻNIEJSZE ODKRYCIA NAUKOWE
Darmowa biblioteka / Katalog / Najważniejsze odkrycia naukowe

Ciśnienie atmosferyczne. Historia i istota odkryć naukowych

Najważniejsze odkrycia naukowe

Katalog / Najważniejsze odkrycia naukowe

Istnienie powietrza było znane człowiekowi od czasów starożytnych. Grecki myśliciel Anaksymenes, który żył w VI wieku pne. e. uważał powietrze za podstawę wszystkich rzeczy. Jednocześnie powietrze jest czymś nieuchwytnym, jakby niematerialnym - „duchem”.

Starożytni atomiści Demokryt, Epikur i Lukrecjusz nie wątpili w materialną naturę powietrza, którego atomy, ich zdaniem, mają ruchliwość i okrągły kształt. Ponadto wierzyli, że sama dusza ma charakter atomistyczny, atomy duszy są szczególnie lekkie, małe i ruchome. Arystoteles, zaliczając powietrze do jednego z czterech materialnych elementów, uważał, że powietrze ma wagę, a nawet sądził, że jest w stanie potwierdzić to eksperymentalnie, ważąc „pustą” i wypełnioną powietrzem bańkę. Arystoteles był już dobrze świadomy efektu ssącego rozrzedzonej przestrzeni i wyprowadził z tego zasadę „natura nie toleruje pustki”.

Duża liczba urządzeń pneumatycznych została wynaleziona przez Rerona, który uważał, że powietrze składa się z cząstek oddzielonych małymi pustkami. Uważał jednak, że istnienie dużych pustych przestrzeni jest sprzeczne z naturą, co wyjaśniało ssanie, działanie pomp, syfonów i inne zjawiska, które teraz tłumaczy się ciśnieniem atmosferycznym.

We wczesnym średniowieczu ideę atmosfery wyrażał żyjący w XI wieku egipski naukowiec Al Haytama (Algazena). Nie tylko wiedział, że powietrze ma wagę, ale że gęstość powietrza maleje wraz z wysokością, i tym spadkiem wyjaśnił załamanie atmosferyczne. Obserwując czas trwania zmierzchu, Alhazen oszacował wysokość atmosfery na około 40 kilometrów. Jednak średniowieczna Europa powróciła do arystotelesowskiej koncepcji czterech żywiołów i zasady „strachu przed pustką”, pozostawiając na długo badanie fizycznych właściwości powietrza oceanu.

Pierwszymi, które praktycznie zmierzyły ciśnienie powietrza oceanicznego, były włoskie studnie. Oto jak ten fakt jest opisany w „Rozmowach” Galileusza:

„Widziałem – opowiada jeden z rozmówców Sagredo – kiedyś studnię, w której ktoś postawił pompę do pompowania wody przez kogoś, kto pomyślał, że w ten sposób łatwiej lub w większej ilości niż tylko wiadra nabierze wody. Ta pompa miała tłok z zaworem górnym, dzięki czemu woda była podnoszona przez zasysanie, a nie ciśnienie, jak to ma miejsce w pompach z zaworem dolnym. Dopóki studnia była napełniona wodą do określonej wysokości, pompa zasysała i tłoczyła ją doskonale, ale jak tylko woda opadła poniżej tego poziomu pompa przestała działać Pierwszy raz zauważyłem taki przypadek myślałem że pompa jest uszkodzona i wezwałem majstra do naprawy ten jednak stwierdził że wszystko jest w porządku , ale że woda opadła do głębokości, z której pompa nie mogła jej podnieść, podczas gdy dodał, że ani pompy, ani inne maszyny, które podnoszą wodę przez zasysanie, nie mogą podnieść wody nawet o włos powyżej osiemnastu łokci; czy pompy są szerokie lub wąskie, maksymalna wysokość pozostaje taka sama.

Galileusz wierzył, że maksymalna wysokość słupa wody wynosząca 18 łokci jest miarą „strachu przed pustką”. „Ponieważ miedź jest dziewięć razy cięższa od wody, odporność pręta miedzianego na rozerwanie, z powodu strachu przed pustką, jest równa wadze dwóch łokci pręta o tej samej grubości” – napisał Galileusz w Rozmowach.

Innymi słowy, „strach przed pustką” (tj. siła ciśnienia atmosferycznego) jest równoważony albo przez ciężar słupa wody o wysokości 10 metrów, albo przez ciężar słupa miedzianego o wysokości 1,12 metra, który wynosi, zgodnie z Galileo, do około 1 kilograma na centymetr kwadratowy. Tak więc praktykujący z wystarczającą dokładnością oszacowali siłę ciśnienia atmosferycznego, a obliczenia Galileusza są poprawne, chociaż interpretacja jego obserwacji dokonana przez włoskich mistrzów ma nadal charakter scholastyczny. Trzeba było zrobić kolejny krok. Wykonane przez Torricelli.

Evangelista Torricelli (1608–1647) urodził się w Faenzy we Włoszech w rodzinie szlacheckiej. Torricelli, który wcześnie stracił ojca, był wychowywany przez wuja, uczonego mnicha, który wysłał go do szkoły jezuickiej.

W wieku osiemnastu lat Torricelli został wysłany do Rzymu, aby kontynuować naukę matematyki. W Rzymie Ewangelista zbliżył się do ucznia i naśladowcy Galileusza – Bendetto Castelli (1577-1644). Castelli był dominikaninem i profesorem matematyki. Wcześnie dołączył do nauk Galileusza i został wiernym pomocnikiem i przyjacielem wielkiego naukowca.

W 1632 ukazał się słynny „Dialog dotyczący dwóch systemów świata” Galileusza, a w 1638 jego ostatnia i najważniejsza praca „Rozmowa dotycząca dwóch nauk”. Ten esej wywarł silny wpływ na Torricelliego i pod jego wpływem napisał esej „O naturalnym przyspieszaniu ruchu”, w którym rozwinął idee Galileusza.

Rękopis Torricelliego, jego nauczyciel Castelli, wyjeżdżając z Rzymu do Wenecji, zabrał ze sobą i po drodze, odwiedziwszy Galileusza, przedstawił go jej. Galileuszowi tak bardzo spodobała się praca Torricelliego, że zaprosił młodego naukowca na swoje miejsce.

W październiku 1641 Torricelli przybył do Arcetri i zaczął pracować nad ukończeniem Rozmów, ale jego współpraca z Galileuszem nie trwała długo. W styczniu 1642 zmarł Galileusz.

Książę Toskanii zaprosił Torricelli do objęcia stanowiska Galileusza. Torricelli zgodził się i spędził na tym stanowisku resztę swego krótkiego życia.

Po śmierci Galileusza jego dwaj uczniowie - Torricelli i Viviani - ściśle współpracowali. Teraz ich głównym zadaniem była walidacja metody eksperymentalnej. Kilka innych osób dołączyło do Torricelli i Viviani. Z tego kręgu narodziła się słynna florencka Akademia Doświadczeń, która swój projekt organizacyjny otrzymała 19 czerwca 1657 r., dziesięć lat po śmierci Torricelli.

Już w rzymskim okresie swego życia Torricelli stanął u progu fundamentalnego odkrycia – odkrycia ciśnienia oceanu powietrznego. Na razie jednak jego uwagę zwraca nowa dynamika. W pracy „O naturalnym ruchu przyspieszającym”, którą Castelli przedstawił Galileuszowi i opublikowano w rozszerzonej formie we Florencji w 1641 r. W języku włoskim pod tytułem „Traktat o ruchu ciał ciężkich” (łac. książki ukazały się w 1644 roku), Torricelli rozwija mechanikę Galileusza.

Torricelli został pierwszym naukowcem, który rozwiązał balistyczny problem trajektorii rzuconego ciała w jednolitym polu grawitacyjnym przy braku oporu powietrza.

Najbardziej niezwykłym wynikiem prac Torricellego nad mechaniką jest odkrycie przez niego praw przepływu płynu z otworu w naczyniu. To odkrycie, sąsiadujące z badaniami jego nauczyciela Castelli, przyniosło mu sławę twórcy hydrauliki.

I wreszcie Torricelli dokonuje największego odkrycia. Wpada na pomysł, aby zmierzyć ciężar atmosfery ciężarem słupa rtęci. W 1643 r. pod jego kierownictwem przyjaciel Torricelliego, Vincenzo Viviani, przeprowadził eksperyment. Eksperyment spełnił wszelkie oczekiwania, rtęć zatrzymała się na określonej wysokości, a nad nią utworzyła się „pustka torricellańska”.

Później Torricelli powtórzył eksperyment z dwiema rurkami, o czym donosił w liście do włoskiego matematyka Ricciego z 11 czerwca 1644 r., który jest jedyną publikacją o słynnych eksperymentach. Oto fragmenty tego listu.

„... Wielu twierdzi, że pustka w ogóle nie istnieje; inni twierdzą, że jej uzyskanie jest możliwe tylko pokonując opór natury i to z wielkim trudem. Wierzę, że we wszystkich przypadkach, w których wyraźnie widać sprzeciw przy uzyskiwaniu pustki , nie ma potrzeby o tym mówić, ponieważ niektórzy naukowcy, widząc niemożność zaprzeczenia faktowi opozycji, jaka przejawia się grawitacją powietrza podczas tworzenia się pustki, nie przypisują tego oporu ciśnieniu powietrza, lecz uparcie twierdzą, że sama natura zapobiega powstawaniu pustki Żyjemy na dnie oceanu powietrza, a eksperymenty dowodzą ponad wszelką wątpliwość, że powietrze ma wagę...

Zrobiliśmy wiele szklanych czasz z rurką długą na dwa łokcie; napełnialiśmy je rtęcią, przytrzymując otwór palcem; kiedy rurki zostały następnie przechylone do kubka z rtęcią, zostały opróżnione, ale tylko częściowo: każda rurka pozostała wypełniona rtęcią do wysokości łokcia i jednego palca. Chcąc udowodnić, że fiolka (w górnej części rurki) była całkowicie pusta, podstawiony kubek uzupełniono wodą, a następnie, w miarę stopniowego podnoszenia rurki, widać było, że gdy tylko jej otwór w wodzie rtęć i cała fiolka wylana z rurki, aż po samą górę, szybko wypełniona wodą. Tak więc fiolka jest pusta, ale rtęć pozostaje w probówce. Do tej pory zakładano, że siła, która powstrzymuje rtęć przed jej naturalną tendencją do opadania, znajduje się wewnątrz górnej części rurki - w postaci pustki lub bardzo rozrzedzonej materii. Nie twierdzę, że przyczyna leży poza naczyniem: kolumna powietrza 50x3000 stopni mocno naciska na powierzchnię cieczy w kubku - nic dziwnego, że ciecz wchodzi do szklanej rurki (do której ani nie przyciąga, ani nie odpycha ) i unosi się, dopóki nie zostanie zrównoważone powietrzem zewnętrznym. Woda jednak unosi się w podobnej, ale znacznie dłuższej rurze, tyle razy wyżej, ile razy rtęć jest cięższa od wody… "

Aby być całkowicie przekonującym, Torricelli zorganizował eksperyment z dwiema rurami. Chce pokazać, że rtęci nie trzymają żadne sympatie ani antypatie, a kształt przestrzeni nad rtęcią nie odgrywa żadnej roli i jest to tylko kwestia zewnętrznego ciśnienia powietrza.

„Ten argument”, kontynuuje w tym samym liście, „został potwierdzony eksperymentem, umieszczonym jednocześnie z dwiema rurami A i B, w których rtęć była zawsze instalowana na tym samym horyzoncie AB, jest to całkowicie wiarygodny wskaźnik, że siła nie jest wewnątrz (próżnia), ponieważ w naczyniu AB musi być większa siła, w której jest coś bardziej rozrzedzonego, i musi być znacznie silniejsza ze względu na pełniejsze rozrzedzenie niż w bardzo małej przestrzeni B.

Torricelli zdołał znaleźć jeszcze ważniejszy dowód na zewnętrzną przyczynę powstawania słupa rtęci. Naukowiec zauważył, że wysokość kolumny zmieniała się, czyli zmieniało się ciśnienie atmosfery. W ten sposób rurka Torricellego stała się pierwszym barometrem. To właśnie z tego doświadczenia rozpoczęła się naukowa obserwacja pogody, której najważniejszymi cechami są ciśnienie i temperatura.

Warto zauważyć, że eksperyment Torricellego nie był bezbłędny. Podana przez niego wysokość słupa rtęciowego, jeśli weźmiemy pod uwagę wysokość Florencji nad poziomem morza, odpowiada 74,2 centymetrowi słupa rtęci. Najwyraźniej niewielką wartość tej wartości można wytłumaczyć faktem, że pewna ilość powietrza nadal pozostała w „pustce torricellskiej”.

Walka z doktryną strachu przed pustką nie zakończyła się wraz z doświadczeniem Torricellego. Hipoteza o siłach utrzymujących kolumnę rtęciową przetrwała długo po śmierci Torricellego. Znane doświadczenia Pascal (1623–1662), który udowodnił, że zmiana wysokości barometru jest związana z wysokością i zbudował barometr wodny, potwierdził wnioski Torricelliego. Jednak dopiero wynalezienie pompy powietrza przez Boyle'a i Guericke oraz skuteczne eksperymenty demonstrowania siły ciśnienia atmosferycznego, jakich dokonali, ostatecznie zburzyły pojęcie strachu przed pustką. Idea powietrza jako jakiejś zasady duchowej została ostatecznie pogrzebana. Guericke udowodnił w bezpośrednim doświadczeniu wagę powietrza, ważąc ewakuowane naczynie i naczynie powietrzem. To doświadczenie doprowadziło go do głównego wniosku: „Powietrze jest niewątpliwie czymś cielesnym”. Tak więc w nauce ugruntował się pogląd, że powietrze jest jednym z rodzajów materii, które można usunąć z zajmowanego przez nie miejsca i utworzyć „pustkę”, „próżnię”.

Autor: Samin D.K.

Polecamy ciekawe artykuły Sekcja Najważniejsze odkrycia naukowe:

▪ Radioaktywność

▪ reakcja rozszczepienia

▪ Podstawy Embriologii

Zobacz inne artykuły Sekcja Najważniejsze odkrycia naukowe.

Czytaj i pisz przydatne komentarze do tego artykułu.

<< Wstecz

Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:

Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi 05.05.2024

Współczesny świat nauki i technologii rozwija się dynamicznie i każdego dnia pojawiają się nowe metody i technologie, które otwierają przed nami nowe perspektywy w różnych dziedzinach. Jedną z takich innowacji jest opracowanie przez niemieckich naukowców nowego sposobu sterowania sygnałami optycznymi, co może doprowadzić do znacznego postępu w dziedzinie fotoniki. Niedawne badania pozwoliły niemieckim naukowcom stworzyć przestrajalną płytkę falową wewnątrz falowodu ze stopionej krzemionki. Metoda ta, bazująca na zastosowaniu warstwy ciekłokrystalicznej, pozwala na efektywną zmianę polaryzacji światła przechodzącego przez falowód. Ten przełom technologiczny otwiera nowe perspektywy rozwoju kompaktowych i wydajnych urządzeń fotonicznych zdolnych do przetwarzania dużych ilości danych. Elektrooptyczna kontrola polaryzacji zapewniona dzięki nowej metodzie może stanowić podstawę dla nowej klasy zintegrowanych urządzeń fotonicznych. Otwiera to ogromne możliwości dla ... >>

Klawiatura Primium Seneca 05.05.2024

Klawiatury są integralną częścią naszej codziennej pracy przy komputerze. Jednak jednym z głównych problemów, z jakimi borykają się użytkownicy, jest hałas, szczególnie w przypadku modeli premium. Ale dzięki nowej klawiaturze Seneca firmy Norbauer & Co może się to zmienić. Seneca to nie tylko klawiatura, to wynik pięciu lat prac rozwojowych nad stworzeniem idealnego urządzenia. Każdy aspekt tej klawiatury, od właściwości akustycznych po właściwości mechaniczne, został starannie przemyślany i wyważony. Jedną z kluczowych cech Seneki są ciche stabilizatory, które rozwiązują problem hałasu typowy dla wielu klawiatur. Ponadto klawiatura obsługuje różne szerokości klawiszy, dzięki czemu jest wygodna dla każdego użytkownika. Chociaż Seneca nie jest jeszcze dostępna w sprzedaży, jej premiera zaplanowana jest na późne lato. Seneca firmy Norbauer & Co reprezentuje nowe standardy w projektowaniu klawiatur. Jej ... >>

Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie 04.05.2024

Odkrywanie kosmosu i jego tajemnic to zadanie, które przyciąga uwagę astronomów z całego świata. Na świeżym powietrzu wysokich gór, z dala od miejskiego zanieczyszczenia światłem, gwiazdy i planety z większą wyrazistością odkrywają swoje tajemnice. Nowa karta w historii astronomii otwiera się wraz z otwarciem najwyższego na świecie obserwatorium astronomicznego - Obserwatorium Atacama na Uniwersytecie Tokijskim. Obserwatorium Atacama, położone na wysokości 5640 metrów nad poziomem morza, otwiera przed astronomami nowe możliwości w badaniu kosmosu. Miejsce to stało się najwyżej położonym miejscem dla teleskopu naziemnego, zapewniając badaczom unikalne narzędzie do badania fal podczerwonych we Wszechświecie. Chociaż lokalizacja na dużej wysokości zapewnia czystsze niebo i mniej zakłóceń ze strony atmosfery, budowa obserwatorium na wysokiej górze stwarza ogromne trudności i wyzwania. Jednak pomimo trudności nowe obserwatorium otwiera przed astronomami szerokie perspektywy badawcze. ... >>

Przypadkowe wiadomości z Archiwum

szkło z dwutlenku węgla 18.01.2007

Grupa chemików z Uniwersytetu we Florencji (Włochy) uzyskała przezroczysty szklisty materiał z dwutlenku węgla poprzez sprasowanie „suchego lodu” między dwoma diamentowymi tłokami pod ciśnieniem 640 700 atmosfer w temperaturze XNUMX kelwinów.

W tak ekstremalnych warunkach cząsteczki CO2, które charakteryzują się podwójnymi wiązaniami atomu węgla z każdym z atomów tlenu, przegrupowują się w cząsteczki z pojedynczymi wiązaniami, ułożonymi losowo, jak w zwykłym szkle. Powstała substancja jest około dziesięć razy twardsza niż kwarc, ale bardziej miękka niż diament. Jest to najtwardszy materiał amorficzny znany nauce.

Gdy tylko ciśnienie zostanie usunięte, niezwykła substancja zamienia się z powrotem w zwykły „suchy lód”, a następnie w gazowy dwutlenek węgla. Ale chemicy sugerują, że jeśli to „szkło gazowe” zmiesza się z dwutlenkiem krzemu w jeszcze wyższych temperaturach, możliwe będzie uzyskanie niezwykle twardej substancji podobnej do szkła, która jest stabilna w zwykłych warunkach. Znajdzie zastosowanie w technice iw tej postaci wygodnie będzie magazynować nadmiar dwutlenku węgla, który jest obecnie emitowany do atmosfery i powoduje globalne ocieplenie.

Węgiel i krzem sąsiadują z układem okresowym pierwiastków, ale dwutlenek węgla w normalnych warunkach jest gazem, a dwutlenek krzemu jest albo krystalicznym kwarcem, albo szkłem. Zakłada się, że wysokie ciśnienie zmienia właściwości chemiczne węgla w kierunku krzemu.

Inne ciekawe wiadomości:

▪ Nieszkodliwe bakterie stają się śmiertelne

▪ Procesor Toshiba do urządzeń elektronicznych do noszenia

▪ Hulajnoga elektryczna będzie przestrzegać zasad ruchu drogowego

▪ Inteligentny pierścień od Samsunga

▪ Nowy bezprzewodowy system przesyłania plików

Wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika

Ciekawe materiały z bezpłatnej biblioteki technicznej:

▪ sekcja serwisu Audiotechnika. Wybór artykułu

▪ artykuł Wszystkie drogi prowadzą do Rzymu. Popularne wyrażenie

▪ artykuł Który kraj jest liderem pod względem liczby różnych nazw w różnych językach? Szczegółowa odpowiedź

▪ Artykuł Praca z narzędziami ręcznymi i osprzętem. Standardowe instrukcje dotyczące ochrony pracy