Атмосферное давление. Много лет тому назад на одной из улиц итальянского города Флоренции, заняв всю проезжую часть, строители рыли колодец.

ЗАГАДКА АТМОСФЕРЫ

Упрямый колодец

Много лет тому назад на одной из улиц итальянского города Флоренции, заняв всю проезжую часть, строители рыли колодец.

Внимание всех жителей Флоренции было приковано к строительству. По городу было объявлено, что по завершении работ состоится торжественное открытие, к которому тщательно подготавливались жители улиц, лежащих вблизи нового колодца.

Больше всех радовался новому колодцу маленький Доменико, по кличке Лохматый. Это прозвище ему дали мальчишки. Его волосы были вечно растрепаны. Да и как им не быть растрепанными. Хозяин лавки, у которого он работал, – жилистый старик старьевщик, высохшая шея которого, казалось, вот‑вот оборвется, когда он вскидывал голову и тряс бородой, – по любому поводу таскал Доменико за вихры. Может быть, поэтому Доменико не удавалось даже в праздники причесать голову так гладко, как это делали другие ежедневно.

А радовался он потому, что колодец строили на его улице, против лавки старьевщика. «Как близко будет ходить по воду!» – мечтал Доменико, прислонившись к тяжелой двери у входа в лавку. А воды для стирки всякого хлама старьевщику требовалось очень много.

Чего только не приносили в лавку в течение дня! Поношенные куртки бедняков, которым не на что купить хлеба, костюмы бродячих артистов, издержавшихся в утомительных переходах из города в город, и вообще тряпье, которое годилось только для заплаток.

Купленный старьевщиком хлам стирала пятнадцатилетняя Лючия – сестра Доменико. Стирка продолжалась с утра до вечера. Стирала Лючия тщательно, перетирая в руках каждую тряпку. А после стирки несколько раз полоскала. Колодец, из которого Доменико носил воду, находился на самом конце улицы. Но нередко приходилось идти на соседнюю улицу, так как насос часто портился.

«Когда же окончатся работы?..» – вздохнул Доменико и посмотрел на строителей колодца.

В это время из лавки донесся знакомый голос: «Доменико, неси воды!» Загремели ведра, и сутулая фигурка мальчика поплелась вдоль улицы к колодцу.

Строители колодца полагали встретить воду на глубине 10–15 метров. Такая глубина колодца не могла кого‑либо удивить. Флорентийцы сооружали более глубокие ямы, которыми опоясывали родной город, защищая его от непрошеных гостей. Что же могло служить поводом для торжественного открытия колодца? Ведь глубина его была пустяковой – около 15 метров. Причиной торжества мог быть только насос. До этого времени еще никто не поднимал воду с такой глубины при помощи насоса.

Насос был известен еще с глубокой древности, с незапамятных времен. Ученые объясняли его всасывающее действие тем, что «природа боится пустоты». В учении о закономерностях природы, созданном великим мыслителем древней Греции Аристотелем, это утверждение занимает основное положение.

Долгое время никому не приходило в голову сомневаться в правильности этого утверждения. Повседневные опыты, казалось бы, не противоречат ему. Если, например, в сосуд налить воду, то воздух, который там находился, уступит место воде. Но стоит опустить в воду камень, как он сразу же займет место воды. А когда высасывают ртом воздух из трубки, его место занимает вода.

В практике строительства насосов, при помощи которых поднимали воду из колодцев, не было случая, чтобы природа отступила от этого правила.

Все они исправно работали!

Возвратимся теперь на улицу Флоренции, где насос уже установили в глубокую яму, на дне которой скопилась прозрачная, хорошо освежающая в жаркие дни вода.

Толпа горожан кольцом окружила колодец, ожидая появления воды. Впереди всех был, конечно, Доменико с сестрой. Вдали от толпы стояла группа мужчин, и среди них находился Эванджелиста Торричелли – ученик великого итальянского ученого Галилео Галилея.

Торричелли родился 15 октября 1608 года в итальянском городе Фаонце. Первым учителем Торричелли, который познакомил его с математикой, был Кастелли, друг Галилео Галилея. Завершив образование, Торричелли выполнил целый ряд исследований по истечению жидкости из сосуда; руководил его исследованиями Г алилей.

Однако научное общение ученика с учителем было вскоре прервано из‑за гонений, которым подвергся Галилей со стороны инквизиторов папской церкви. Последним местом заключения Галилея было селение близ Флоренции, куда в 1641 году, в октябре, было дозволено прибыть его любимому ученику. Вскоре после приезда Торричелли, в январе 1642 года, Галилео Галилей умер.

После смерти Галилея Эванджелиста Торричелли получил место придворного математика во Флоренции.

Эванджелиста Торричелли

И вот он стоит и внимательно смотрит, как, обливаясь потом, качают насос строители колодца.

Нам не придется описывать торжественную церемонию – открытие колодца не состоялось.

Вода поднялась немного, но потом, словно взбунтовавшись, отказалась следовать за поршнем.

Присутствующих охватил трепет. Это противоречило учению великого Аристотеля, которое так свято поддерживала церковь. Поэтому все обвинения посыпались на голову механиков. Насос подвергли тщательному осмотру, но придраться к его изготовлению не удалось.

Флорентийский колодец явно обладал какой‑то странностью. Ведь в десятках колодцев точно такими же, даже худшими, насосами поднимали воду. Изумленные флорентийцы расходились. Но Доменико, которому было некуда идти, опустился на порог лавки, обхватил голову руками и горько плакал.

Атмосферное давление

Загадка колодца взволновала Торричелли. Возвращаясь с несостоявшегося торжества, он думал о происшедшем. Многое пришлось ему перебрать в памяти. И все‑таки ученику Галилея удалось разгадать тайну флорентийского колодца. Торричелли рассуждал таким образом: «Собственно, что произошло? Колодец был глубок, узкая, длинная труба насоса была значительно больше 10 метров, а вода поднималась за поршнем только на высоту 10 метров с небольшим и не желала следовать выше этого уровня. Она отрывалась от поршня».

Так устроен колодец

Перебирая в памяти различные опыты, Торричелли вспомнил опыты Галилея, которые он производил с различными жидкостями, поднимая их поршнем в трубках. И у него жидкости, следуя за поршнем, всегда поднимались на различную, но вполне определенную высоту, а затем отрывались от него. Галилей объяснил это явление, полагая, что столб жидкости разрывается от собственной тяжести, как оборвался бы очень длинный, тяжелый канат, если его поднимать за один конец вверх. И он установил, что высота подъема жидкости зависит от веса единицы ее объема – от удельного веса. Чем меньше удельный вес жидкости, тем выше она поднимается за поршнем, но обязательно на определенной, всегда одной и той же высоте от него оторвется.

Размышляя об опытах Галилео Галилея, Торричелли пришел к заключению, что столб жидкости перестает следовать вверх за поршнем и отрывается от него не потому, что он достиг некоторого определенного веса. Если бы это было так, то в тонкой трубе можно было бы поднять жидкость выше, чем в широкой, чего, однако, не наблюдалось. Видимо, полагал Торричелли, столб жидкости перестает следовать вверх за поршнем и отрывается от него тогда, когда давление этого столба не уравновешивается давлением жидкости снизу. Но откуда возьмется давление жидкости снизу трубки? Если оно существует, то это может происходить лишь потому, что жидкость передает давление воздуха, находящегося над ее поверхностью. Ведь воздух, как доказал Галилео Галилей, обладает тяжестью – имеет вес. Он даже определил, что воздух в четыреста раз легче воды.

Воздух, заключил Торричелли, давит на поверхность воды, благодаря чему она и может подниматься вверх по трубе вслед за поршнем, который создает разреженное пространство над поверхностью жидкости.

Вода следует за поршнем при его подъеме только до тех пор, пока давление столба воды не уравновесит давление воздуха. После этого между столбом воды и поршнем, если его продолжать поднимать, остается пустота. И эту пустоту вода не может заполнить: ведь наступило равенство давления воздуха и поднявшегося столба воды.

Вот, оказывается, в чем заключалась странность флорентийского колодца. И Торричелли задумал опыт, который должен был доказать, что он прав.

Этот опыт спустя три года после неудачи с колодцем осуществил Вивиани – друг Торричелли. Длинная стеклянная трубка, запаянная с одной стороны, была наполнена ртутью и поставлена вертикально в сосуд с ртутью открытым концом. Для того чтобы предотвратить вытекание ртути из трубки при ее опрокидывании, открытый конец закрывался пальцем и открывался после погружения в ртуть, находящуюся в сосуде.

Столб ртути в трубке установился выше уровня ртути в сосуде на высоте 76 сантиметров. А так как длина трубки превышала 76 сантиметров, то внутри нее от поверхности ртути до запаянного конца образовывалось свободное пространство, которое назвали пустотой Торричелли. Значит, Торричелли был прав: ртуть в трубке уравновешивалась давлением воздуха.

Опыт Вивиани

Так было открыто атмосферное давление. А трубка Торричелли стала первым измерителем давления воздуха – барометром.

Всякий раз, когда ртуть в трубке понижалась, наступали дожди, а при очень сильном понижении – буря.

Это происходило потому, что переменам погоды предшествует изменение давления воздуха.

Слава о Торричелли распространилась за пределы Флоренции.

Французский ученый – математик, физик и философ Блез Паскаль устроил в городе Руане небывалый по своим размерам барометр.

Блез Паскаль

Вместо ртути трубка была наполнена водой. Небывалый барометр привлекал внимание горожан, вызывая изумление своими гигантскими размерами. Кроме того, всех удивляла вода, которая не выливалась из трубки без всяких видимых причин.

Блез Паскаль родился во Франции 19 июня 1623 года в городе Клермон‑Ферране, а в 1631 году его увезли в Париж.

В дом к отцу приходили его друзья – физики и математики того времени. Среди них были Роберваль и Мерсенн, с которыми маленький общительный Паскаль быстро подружился. Общение повлекло за собой увлечение математикой. Отец, наблюдая пристрастие, с которым занимается сын, опасался, что он бросит изучение других предметов. Все старания отца отвлечь внимание мальчика от математики были напрасны. Когда отец отобрал у него книги по математике, маленький Блез сам стал изобретать геометрию. Заметив это, отец перестал запрещать ему заниматься любимой наукой, тем более что это совсем не мешало изучению языков и истории.

Шестнадцати лет Паскаль написал сочинение о конических сечениях, в котором разобрал свойства круга и более сложных кривых – эллипса, параболы и гиперболы. В 1647 году в Париже вышла книга Торричелли, из которой Паскаль узнал о давлении воздуха.

Размышляя о сущности атмосферного давления, Паскаль пришел к мысли, что высота подъема ртути в барометре должна уменьшиться на вершине горы, так как часть воздуха лежит ниже вершины и, естественно, не давит на поверхность ртути. Не имея возможности лично проверить эти предположения, Паскаль просит в письме своего родственника, который жил близ горы Пюи‑де‑Дом, повторить на вершине горы, возвышавшейся над уровнем моря более чем на 1000 метров, барометрический опыт Торричелли.

И вот Паскаль получил письмо, из которого узнал о результатах опыта. Высота столба ртути на вершине горы действительно оказалась меньше, чем у подошвы. Читая полученное об этом известие, молодой ученый заметил: «Не скрываю, что это доставило мне удовольствие». Не удовлетворись этими наблюдениями, Паскаль решил выяснить, возможно ли обнаружить различие в давлении на малых высотах.

С этой целью он поднялся на колокольню собора и повторил опыт Торричелли сам. Давление воздуха даже на высоте колокольни было меньше, чем на земле.

Память об этом опыте застыла в бронзе навеки. На колокольне благодарными потомками поставлена статуя Блеза Паскаля.

Очень много сделал Блез Паскаль для развития новой науки – физики.

Особенно заинтересовали его жидкости и газы. Он изучал давление в этих подвижных средах и открыл закон, носящий его имя, – закон Паскаля: «Жидкости и газы передают давление во все стороны одинаково».

При этом, однако, оставалось неясным одно – каким же образом способен передавать давление воздух. Жидкости почти несжимаемы. Поэтому они и передают давление. Но воздух, он так податлив, что трудно представить себе, что он обладает такими же свойствами. Для того чтобы воздух мог передавать давление во все стороны одинаково, он должен обладать упругостью.

Изучением упругости воздуха занимался известный английский физик и химик Роберт Бойль.

Роберт Бойль

Он опирался на открытия Торричелли и Паскаля.

Изучая упругость воздуха, Бойль видоизменил опыт Торричелли. Он взял трубку, согнутую в виде крючка. Заполнив ее ртутью, запаял короткий конец, в котором остался воздух. Воздух в колене над ртутью заменил собой атмосферу, так как в длинном колене ртуть не понизилась.

И этот малый объем воздуха продолжал давить так же, как давит весь столб земной атмосферы. Так Бойль доказал, что уменьшение объема газа влечет увеличение его давления: «Произведение давления газа на его объем при неизменной температуре есть величина постоянная».

Опыт Бойля

Знакомые Бойля шутя рассказывали друг другу, как произошло открытие этого закона.

Однажды Роберт Бойль отправился на прогулку, а своего ученика Рихарда Тоунли усадил в лаборатории производить измерения зависимости объема газа и давления.

Результаты измерений Бойль приказал тщательно записывать.

Производя измерения, Тоунли заметил, что произведение давления на объем остается постоянным…

Чтобы избавить себя от дальнейшей утомительной работы и самому вслед за Бойлем отправиться гулять, он оставшееся место в таблице заполнил цифрами, произведение которых давало одну и ту же величину.

На другой день, когда об этом узнал Бойль, он сформулировал соответствующий закон.

Но это, конечно, только шутка, которую до наших дней пересказывают «злые языки». Основанием этой шутки, видимо, и послужило высказывание самого Бойля, который говорил, что не сразу сам уловил этот закон, а помог ему его ученик Рихард Тоунли.

В наше время эту зависимость называют законом Бойля‑Мариотта, так как они открыли ее независимо друг от друга.

В те далекие от нас времена ученые узнавали об открытиях, либо пересказывая их друг другу, либо сообщая письмом. Но почта пересылала письма медленно и не всегда аккуратно. Письма из Англии, где жил Бойль, шли не так скоро, как сейчас, и французский физик аббат Мариотт долгое время ничего не знал об открытии Бойля. Исследуя упругость воздуха, он пришел к тому же результату, что и Бойль, но несколько лет спустя.

Желая проверить эту закономерность и убедиться, что давление воздуха с течением времени не ослабевает, французский ученый Роберваль зарядил духовое ружье, а выстрел произвел спустя шестнадцать лет! Действие ружья было такое же, как если бы оно было только что заряжено.