Коротко про дослід Торрічеллі з ртуттю і скляною трубкою

Коротко про дослід Торрічеллі з ртуттю і скляною трубкою Фізика

Кожен школяр старших класів, який цікавиться фізикою, може розповісти коротко про дослід Торрічеллі. Цей нескладний експеримент був поставлений італійським вченим в епоху, коли сучасна наука тільки зароджувалася, і людство ще не мало чітких уявлень про закони механіки.

Біографія вченого

Перш ніж говорити про суть експерименту Торрічеллі, цікаво познайомитися з біографією цього відомого вченого. Народився він в Італії в місті Флоренція в 1608 році. Батьки покладали з самого народження великі надії на їх обдарованого сина, тому назвали його ім’ям з біблійним корінням — Еванджеліста.

У 1627 році у віці 19 років він відправляється до Риму з метою вивчення наук. У столиці протягом 5 років він був учнем Бенедетто Кателлі (Benedetto Castelli). У 1632 році на прохання свого вчителя Торрічеллі бере сам Галілео Галілей в якості свого помічника при виконанні різних наукових експериментів. Однак, з Галілеєм Торрічеллі попрацював небагато, оскільки його новий учитель помер, через 3 місяці, в 1633 році.

Після смерті Галілея вченого запрошує герцог Фердинандо II Медічі в його рідне місто Флоренцію в якості філософа і математика Флоренської Академії. Торрічеллі з радістю прийняв цю пропозицію. Помер Еванджеліста у віці 39 років (у 1647 році) від черевного тифу.

Знаменитий експеримент

Еванджеліста Торрічеллі увійшов в історію як перший вчений, який отримав математичне вираження для атмосферного тиску. Вимірювання в досліді Торрічеллі призвели до наступних результатів:

  • Було доведено, що повітря створює тиск на поверхню абсолютно будь-яких предметів.
  • Була виміряна величина цього тиску за допомогою ртуті.
  • Створено перший прилад для вимірювання тиску – ртутний барометр.
  • Продемонстрована проста можливість створення вакууму.

Описати експеримент Торрічеллі легко.

Суть досліду

У 1643 році, працюючи в Академії Флоренції, вчений поставив наступний дослід: він взяв порожню скляну трубку довжиною 1 метр, яка була запаяна лише з одного боку. Потім вчений заповнив її Ртуттю і закрив пальцем відкритий кінець. Після цього він перевернув трубку, занурив її в посудину, що містить рідку ртуть, і прибрав палець. У цей момент Торрічеллі спостерігав, як стовп рідини зменшується. На подив багатьох, і попри те що один кінець скляної трубки був занурений в рідину і був відкритим, вся ртуть не витекла, а виставився певний її рівень.

Експеримент італієць проводив на висоті рівня моря, тому виміряна ним висота стовпа ртуті в трубці склала 76 см або 760 мм. Причому ця величина не змінювалася, якщо нахиляли трубку під різними кутами або використовували прилади різного діаметру. До теперішнього часу значення 760 мм ртутного стовпа вважається нормальним тиском.

Фізичні процеси

Для більшості людей залишається незрозумілим, чому вся ртуть не витекла зі скляної трубки. Для того щоб зрозуміти, в чому полягає дослід, з точки зору фізики, необхідно згадати принцип, що всі поточні субстанції (рідини і гази) передають чиниться на них тиск в усіх напрямках однаково. Причому рідини не змінюють величину зовнішнього тиску, оскільки є нестисливими.

У досліді Торрічеллі з ртуттю стовп цієї рідини має деяку вагу, який створює тиск на обмежену діаметром трубки майданчик. Це тиск точно врівноважується тією ж самою величиною, яку створює вся маса повітря. Слід зауважити, що врівноважуються саме тиску, а не ваги, як іноді помилково говорять. Цей умовивід теоретично можна довести, якщо провести наступну послідовність фізико-математичних міркувань:

Згідно з визначенням, тиск – це діюча на майданчик сила. Для зручності використання всіх формул слід фізичні величини представляти в одиницях виміру міжнародної системи СІ. Тиск розраховується за наступною простою формулою:

p = m*g/S

  • Тут добуток маси тіла m на прискорення вільного падіння g є вагою,
  • S — площа, на яку спирається тіло.

Об’єм ртуті, яка заповнює скляну трубку, може бути обчислений таким чином:

V = S*h

  • де h — висота стовпа, яка становить 0,76 метра.

Формула для V є типовою для циліндра. Тоді тиск ртуті на дно судини може бути обчислено так:

p = ρ*g*h*S/S = ρ*g*h

де

  • ρ — густина рідини.

Якщо звернутися до довідника, то можна виписати ρ = 13534 кг/м3, g = 9,80665 м/с2. Тепер відомі всі величини, і можна розрахувати тиск: p = ρ*g*h = 100869 Па. Уточнення щільності ртуті для температури + 20 °C призводить до точної величини p = 101325 Па. Цей тиск дорівнює одній атмосфері (1 атм.).

Опустившись на деяку величину щодо запаяного кінця трубки, ртуть залишає над собою вільний від повітря простір — це торрічеллієва порожнеча, яка характеризується досить високим рівнем вакууму (певна частка парів ртуті і деяких інших газів в ній все ж присутній).

Проаналізувавши всі фізичні процеси свого досліду, Еванджеліста Торрічеллі зробив наступний короткий висновок:»ми живемо на дні океану, що складається з повітря, який, як незаперечно показує дослід, володіє власною вагою”. Скляна трубка зі ртуттю стала першим в історії барометром.

Величини Вимірювання і зміна тиску

Фізична величина, яка вимірюється в ньютонах на квадратний метр, називається тиском. В системі СІ 1 Н/м2 = 1 Па (Паскаль). Значення 1 Па є настільки маленьким, що в повсякденному житті воно практично не використовується. Для цього застосовуються такі одиниці виміру:

  • 1 мм рт. ст. (міліметр ртутного стовпа), який дорівнює 1/760 атмосфери;
  • 1 тор = 1 мм рт. ст. – Ця одиниця отримала свою назву на честь Торрічеллі;
  • 1 атм. = 101325 Па – нормальний тиск атмосфери на поверхні планети поблизу рівня моря;
  • 1 бар приблизно дорівнює 1 атм. – величина часто використовується в техніці.

Зміна атмосферного тиску в досліді Торрічеллі можна виявити, якщо його провести яскравим сонячним днем і в дощову погоду. У першому випадку воно буде вище 760 мм рт. ст., у другому – нижче цього значення. Цей факт послужив відправною точкою для розвитку вимірювальних тиск приладів (барометрів) і метеорології в цілому.

Тиск залежить не тільки від погоди, але і від висоти над поверхнею нашої планети. Чим вона вища, тим менше розглянута величина. Чому це відбувається, зрозуміти нескладно, якщо врахувати, що створюване повітрям тиск пов’язано виключно з вагою, з яким верхні шари тиснуть на нижні. Чим вище піднімається людина, тим менше повітряний стовп над ним, і, відповідно, менше буде тиск. Приблизно на висоті 5000 метрів досліджувана величина становить 0,5 атм.

Унаслідок зменшення тиску люди, які піднімаються в гори, відчувають труднощі при диханні. Процентний склад повітря залишається той же самий, що і на поверхні Землі, проте скорочується число молекул, які потрапляють в легені під час вдиху. Крім того, мандрівники також помічають, що починають надуватися герметично закриті сумки з м’якого матеріалу. Відбувається це тому, що всередині цих сумок тиск виявляється більше (Рівне 1 атм.), ніж зовні.

Крім висоти, температура і вологість – це ще два фактори, які впливають на значення тиску в атмосфері.

Види барометрів

У повідомленні слід зазначити, що починаючи з середини XVII століття було помічено, що зміна атмосферного тиску є надійним індикатором прогнозів стану погоди в найближчі години і навіть дні. Відтоді людина стала використовувати ці знання в метеорологічних цілях. Для цього необхідні були точні прилади, здатні вловлювати найменші зміни тиску.

Першим барометром став ртутний, створений Торрічеллі. Він являє собою скляну трубку довжиною 0,85 метра, яка зверху запаяна, а знизу відкритим кінцем поміщена в невеликий резервуар зі ртуттю. Резервуар має пряме сполучення з атмосферою. На скляну трубку нанесена точна шкала, що дозволяє визначити десяті частки міліметра. Цей прилад має високу точність, проте є наступні недоліки його використання:

  • Токсичність рідкої ртуті, з цієї причини такий тип барометрів в цей час рідко використовується.
  • Температурне розширення і зміна щільності ртуті, хоча остання величина для 0 °C і +40°C відрізняється всього на 0,7%.
  • Громіздкість приладу, що має майже 1 метр в довжину.

З цих причин зараз широкого поширення набули анероїди. Ці барометри являють собою невеликий металевий корпус, в якому знаходиться робоча капсула. Вона, як правило, виготовлена зі сплаву берилію і міді, який відчуває помітні пружні деформації при зміні зовнішнього тиску. Капсула з’єднується зі стрілкою, яка вказує на певний поділ шкали.

Анероїдні барометри є більш безпечними, зручними і придатними для використання, якщо їх порівнювати зі ртутними. Однак, вони менш точні, оскільки робоча капсула має лінійне пружне поведінку під час деформації лише в дуже вузьких межах.

Таким чином, дослід італійського вченого Торрічеллі доводить існування ваги у повітря і вимірює чиниться їм тиск. Також в процесі експерименту був створений перший в світі барометр, що відрізняється високою точністю показань.

Оцініть статтю