Читать книгу Фізика - Группа авторов - Страница 11

Одним з історичних дослідів, що довів існування атмосферного тиску, був дослід Торрічеллі та Вівіані, про який уже згадувалося раніше. Цей дослід полягав у тому, що заповнену ртуттю й запаяну з одного кінця трубку опускали в посудину зі ртуттю. Частина ртуті виливалася в посудину, і так само, як у водяному насосі, над поверхнею ртуті виникала порожнеча.

При цьому помітили, що висота стовпчика ртуті не залежить від форми трубки та об’єму порожнечі над поверхнею ртуті. Відношення висоти, на яку підіймається ртуть, до висоти, на яку в подібному досліді підіймається вода, дорівнює відношенню густини води до густини ртуті.

Результати подібного експерименту переконали не всіх.

Але поступово, після багатьох повторювань, уявлення про можливість порожнечі та існування атмосферного тиску стали загальновизнаними. До справи підключився видатний філософ, математик та фізик Блез Паскаль (1623—1662).

Паскаль припустив, що висота підйому ртуті в трубці Торрічеллі повинна змінитися на високій горі, бо там тиск атмосфери менший.

За вказівками Паскаля його родич Ф. Пер’є провів необхідний експеримент 19 грудня 1648 р., піднявшись на гору Пюї-де-Дом. Він виявив, що існує помітна різниця між висотою стовпчика ртуті біля підніжжя гори та на її вершині – 84 мм.

Паскаль потім сам провів подібний експеримент у Парижі – в знаменитому соборі Нотр-Дам, а потім на вежі Сен-Жак. Ці експерименти підтвердили ідеї Торрічеллі про атмосферний тиск і продемонстрували можливість вимірювання цього тиску.

Таким чином, можна стверджувати, що з дослідів Торрічеллі та Паскаля «виріс» прилад для вимірювання атмосферного тиску – ртутний барометр. З’явилася потім і одиниця вимірювання тиску – міліметр ртутного стовпа, яку застосовують і нині. У Міжнародній системі одиниць саме на честь Паскаля одиниця тиску носить його ім’я – паскаль (Па).

Окрім рідинних приладів (ртутного, водяного), для вимірювання атмосферного тиску використовують й інші – наприклад, барометр-анероїд.

Анероїд, що має шкалу, за якою можна визначити висоту підняття над Землею, називають альтиметром (висотоміром). Треба підкреслити, що принцип його дії той самий, що й у звичайного барометра – різниця полягає, передусім, саме у шкалі, яку попередньо градуюють у метрах (кілометрах) від поверхні землі. Альтиметри широко використовують в авіації, парашутному спорті, альпінізмі тощо.

Перед тим як навести таблицю даних про атмосферний тиск на різних висотах, зазначимо, що ці дані відповідають так званій стандартній атмосфері. У тропосфері та стратосфері повітряної оболонки Землі густина, тиск та температура коливаються у досить широких межах залежно від географічної широти місцевості, пори року та часу доби, метеорологічних умов. Для більших висот фізичні властивості повітря дуже залежать від сонячної активності. Тому для загального уявлення характеристик атмосфери та практичних розрахунків прийнята стандартна атмосфера – умовний розподіл густини, тиску та температури у сухому чистому повітрі залежно від висоти над рівнем моря. Стандартна атмосфера ґрунтується на багаторічних статистичних даних і містить середні значення фізичних параметрів повітря.

Винаходи людей з кожним століттям просуваються далі. Доброта і злість  людська залишаються такими самими, як і були…

Паскаль

Стандартна атмосфера встановлює середні значення цих параметрів для широти 45,4°, які відповідають середньому рівню сонячної активності. Початкові значення повітря на рівні моря приймають такими: температура 15 °С, тиск 101325 Па (760,0 мм рт.ст.), густина 1,225 кг/м³.

Отже, тиск атмосфери на різних висотах над поверхнею Землі:

Існує цікавий історичний анекдот, певним чином пов’язаний з вимірюванням тиску на різних висотах. До речі, цю історію розповідав сам Ернест Резерфорд – видатний фізик, президент Королівської академії, лауреат Нобелівської премії.

Якось колега звернувся до Резерфорда за допомогою. Він збирався поставити найнижчу оцінку з фізики одному із своїх студентів, тоді як цей студент твердив, що заслуговує на вищий бал. Обоє, викладач і студент, погодилися покластися на судження третьої особи, незацікавленого арбітра; вибір припав на Резерфорда.

Екзаменаційне запитання було таким: «Пояснити, яким чином можна виміряти висоту будинку за допомогою барометра».

Відповідь студента була такою: «Треба піднятися з барометром на дах будинку, спустити барометр униз на довгій мотузці, а потім утягти його назад і виміряти довжину мотузки, що й покаже точну висоту будинку».

Випадок був справді складний, оскільки відповідь була повною та правильною! З іншого боку, іспит був з фізики, а в цій відповіді було мало спільного з застосуванням знань у цій галузі.

Студентові запропонували спробувати відповісти ще раз, при цьому підкреслили, що відповідь повинна демонструвати знання фізичних законів.

Через п’ять хвилин він так і не написав нічого в екзаменаційному листі, заявивши, що в нього є кілька рішень цієї проблеми, і він просто вибирає найкраще.

Нова відповідь на запитання була такою. Треба піднятися з барометром на дах будинку і… кинути його вниз, заміряючи час падіння. Потім, використовуючи формулу h = (g.t ²)/2, обчислити висоту будинку. (У цій формулі g = 9,8 м/с² – прискорення вільного падіння).

Потім студент навів ще кілька способів визначення висоти будинку. Наприклад, якщо день сонячний, то треба спочатку виміряти висоту барометра, висоту його тіні, а також виміряти довжину тіні будинку. Потім, склавши досить просту пропорцію, визначити висоту самого будинку.

Ще один спосіб був такий. Треба взяти барометр у руки і почати підніматися сходами, прикладаючи барометр до стіни і роблячи на ній мітки. Порахувавши кількість цих міток і помноживши її на розмір барометра, можна одержати висоту будинку.

Після опису ще кількох способів студент запропонував таке: треба взяти барометр, знайти управляючого будинком і сказати йому, що у вас є чудовий барометр і що він перейде у його власність, якщо той… назве висоту цього будинку.

Коли Резерфорд запитав студента – невже він дійсно не знає, як розв’язати цю задачу, той зізнався, що знає, але сказав при цьому, що йому набридло, коли викладачі нав’язують учням свій спосіб мислення.

Студентом цим був Нільс Бор (1885—1962), майбутній видатний датський фізик, лауреат Нобелівської премії 1922 р.

Ось така історія. Мабуть, вона й справді не тільки про барометр…