大气压力。科学发现的历史和本质

大气压力。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

自古以来，人类就知道空气的存在。生活在公元前六世纪的希腊思想家阿那克西美尼。即，认为空气是万物的基础。同时，空气也是一种难以捉摸、无形的东西——“精神”。

古代原子学家德谟克利特、伊壁鸠鲁和卢克莱修并不怀疑空气的物质性质，在他们看来，空气的原子具有流动性和圆形。此外，他们认为灵魂本身具有原子性，灵魂的原子特别轻、小、流动性强。亚里士多德将空气归类为四种物质元素之一，认为空气有重量，甚至认为他能够通过实验证实这一点，用空气称量一个“空”且膨胀的气泡。亚里士多德已经很清楚稀薄空间的吸力作用，并由此得出“自然不容忍空虚”的原理。

Reron 发明了大量的气动装置，他认为空气由被小空隙隔开的颗粒组成。然而，他认为大空隙的存在是违背自然的，这解释了吸力、泵、虹吸管的作用，以及现在用大气压解释的其他现象。

在中世纪早期，生活在40世纪的埃及科学家阿尔加泽纳（Algazena）表达了大气的概念。他不仅知道空气有重量，而且空气的密度随着高度的增加而降低，并通过这种降低解释了大气折射。观察黄昏的持续时间，Alhazen 估计大气层的高度约为 XNUMX 公里。然而，中世纪的欧洲回到了亚里士多德的四元素概念和“对虚无的恐惧”的原则，留下了对空气海洋物理特性的长期研究。

第一个实际测量海洋空气压力的是意大利的井。以下是伽利略的“对话”中描述这一事实的方式：

萨格雷多的一位对话者说：“我曾经看到一口井，里面放了一台泵来抽水，有人认为用这种方法可以比用水桶取水更容易，或者取水量更大。这个泵有一个活塞带有顶阀的泵，这样水是通过吸力上升的，而不是像带有底阀的泵那样通过压力上升。当井中充满水到一定高度时，泵会完美地吸水并供水，但很快当水位低于此水位时，水泵停止工作第一次注意到这种情况，我以为水泵损坏了，并打电话给修理工；然而，后者说一切正常，但水已经落到泵无法提升的深度，而他补充说，无论是泵还是其他通过吸力提升水的机器都不可能将水提升到十八肘以上的毛发宽度；无论是泵宽或窄，最大高度保持不变。”

伽利略认为水柱的最大高度18肘是衡量“对虚无的恐惧”的标准。伽利略在《对话》中写道：“由于铜比水重九倍，由于害怕空虚，铜棒的抗断裂性等于两肘相同粗细的棒的重量。”

换句话说，“对虚空的恐惧”（即大气压力）要么由 10 米的水柱的重量平衡，要么由 1,12 米高的铜柱的重量平衡，总计，根据伽利略，大约每平方厘米1公斤。因此，从业者对大气压力的估计足够准确，伽利略的计算是正确的，尽管意大利大师对他的观察的解释在本质上仍然是学术性的。必须采取进一步措施。托里切利制造。

伊万杰利斯塔·托里拆利（Evangelista Torricelli，1608-1647 年）出生于意大利法恩扎的一个贵族家庭。托里拆利早年丧父，由他的叔叔（一位博学的僧侣）抚养长大，并把他送到耶稣会学校。

十八岁时，托里切利被送往罗马继续接受数学教育。在罗马，伊万杰利斯塔与伽利略的学生和追随者本代托·卡斯泰利（Bendetto Castelli，1577-1644 年）关系密切。卡斯泰利是一位多米尼加牧师和数学教授。他很早就加入了伽利略的教诲，成为这位伟大科学家的忠实助手和朋友。

1632 年，伽利略著名的《关于世界两种系统的对话》出版，1638 年，他最后一部也是最重要的著作《关于两种科学的对话》出版。这篇文章对托里切利产生了很大的影响，在他的影响下，他撰写了《论自然加速运动》一文，在其中发展了伽利略的思想。

托里切利的手稿，他的老师卡斯特利离开罗马前往威尼斯，带着他，并在途中拜访了伽利略，将他介绍给了她。伽利略非常喜欢托里切利的工作，以至于他邀请了这位年轻的科学家到他的位置。

1641 年 1642 月，托里切利抵达阿尔切特里并开始着手完成对话，但他与伽利略的合作并没有持续多久。伽利略于 XNUMX 年 XNUMX 月去世。

托斯卡纳公爵邀请托里切利接替伽利略的职位。托里切利同意并在这个职位上度过了他短暂的余生。

伽利略去世后，他的两个学生——托里切利和维维亚尼——密切合作。现在他们的主要任务是验证实验方法。其他几个人加入了托里切利和维维亚尼的行列。在这个圈子中，著名的佛罗伦萨经验学院诞生了，它在托里切利逝世十年后的 19 年 1657 月 XNUMX 日接受了组织设计。

早在罗马时代，托里切利就站在了一项基本发现的门槛上——发现空气海洋压力。然而，目前，一种新的动态正在引起他的注意。卡斯泰利 (Castelli) 向伽利略 (Galileo) 提交了《论自然加速运动》(On the Natural Acceleration Motion)一书，该书于 1641 年在佛罗伦萨以意大利语扩展版出版，标题为《重体运动论文》(该论文的拉丁文译本有两种版本)书出版于 1644 年），托里拆利发展了伽利略力学。

托里切利成为第一位在没有空气阻力的情况下解决投掷物体在均匀重力场中的弹道问题的科学家。

托里切利在力学方面的工作最显着的成果是他发现了流体从容器中的孔流出的定律。这一发现与他的老师卡斯特利的研究相得益彰，使他享有液压学创始人的美誉。

最后，托里切利做出了最伟大的发现。他提出了用汞柱的重量来测量大气重量的想法。 1643 年，在他的指导下，托里切利的朋友文森佐·维维亚尼（Vincenzo Viviani）进行了一项实验。实验达到了所有预期，水银在给定的高度停止，并在其上方形成了“托里塞利空洞”。

后来，托里切利用两个管子重复了这个实验，正如 11 年 1644 月 XNUMX 日给意大利数学家里奇的一封信中所报告的那样，这是关于著名实验的唯一出版物。以下是那封信的节选。

“......许多人认为空性根本不存在；另一些人则说只有克服自然的阻力才能获得空性，而且要付出很大的困难。我相信，在所有情况下，当获得空性时，都会清楚地发现对立，没有必要将明显出于完全不同原因的东西归因于空性。我这样说是因为一些科学家认为，无法否认在空性形成过程中由于空气重力而出现的阻力这一事实，不要把这种阻力归因于气压，而是固执地断言大自然阻止了空虚的形成。我们生活在空气海洋的底部，实验无疑证明空气有重量……

我们制作了许多玻璃瓶，管子长两肘；我们用手指按住孔，将它们装满水银；当这些管子被倒入一杯水银中时，它们会倒空，但只是部分地：每个管子中仍然充满了肘部和一根手指的高度。想要证明瓶子（在管子的上部）完全是空的，就用替代的杯子装满水，然后，当管子逐渐升起时，可以看到它的孔一入水中，水银和整个瓶子都从管子里倒了出来，直到最顶端，迅速注满了水。因此，瓶子是空的，但水银仍保留在管中。到目前为止，人们普遍认为，阻止汞自然下落的力量位于管的上部内部——以空的或非常稀薄的物质的形式存在。我并不认为原因在于容器外部：50x3000步的空气柱高压在杯子中液体的表面上 - 液体进入玻璃管（它对玻璃管既没有吸引力也没有排斥力）并不奇怪。）并上升，直到不会被外部空气平衡。水在类似但更长的管子中上升，其高度是水银比水重的几倍……”

为了完全令人信服，托里切利用两条管道进行了实验。他想表明水银不受任何好恶的支配，水银上方空间的形状没有任何作用，只是外部气压的问题。

“这种考虑，”他在同一封信中继续说，“通过实验得到证实，同时放置了两根管子 A 和 B，其中水银始终安装在同一水平线 AB 上，这是一个完全可靠的迹象，表明力不是内部（真空），因为在容器 AB 内部必须有更大的力，其中有更稀薄的东西吸引着东西，并且由于更完全的稀薄，它必须比在非常小的空间 B 中强大得多。

托里切利设法找到了汞柱形成的外部原因的更重要证据。科学家注意到柱子的高度发生了波动，即大气压力发生了变化。因此，托里切利管成为第一个晴雨表。正是从这一经历开始了对天气的科学观测，其中最重要的特征是压力和温度。

值得注意的是，托里切利的实验并非完美无缺。他给出的水银柱高度，如果考虑到佛罗伦萨海拔高度，相当于74,2厘米水银。显然，这个值的小值可以通过“托里塞利空洞”中仍然存在一些空气这一事实来解释。

与恐惧虚无学说的斗争并没有随着托里切利的经历而结束。关于保持水银柱的力量的假设在托里切利死后很长时间仍然存在。著名经历帕斯卡（1623-1662）证明了气压计高度的变化与高度有关并建造了一个水气压计，证实了托里切利的结论。但只有博伊尔和格里克发明了气泵，以及后者进行了证明大气压力的有效实验，才最终打破了恐惧空虚的概念。空气作为某种精神原则的想法终于被埋没了。 Guericke 通过对抽空的容器和装有空气的容器进行称重，通过直接经验证明了空气的重量。这次经历使他得出了一个主要结论：“空气无疑是一种有形的东西。” 因此，空气是一种物质，可以从它所在的地方移走并形成“空隙”、“真空”的概念已经在科学中确立。

作者：萨明 D.K.

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