大气压力的发现

公元14世纪左右，佛罗伦萨是一个多么热闹的地方。它位于意大利南北之间的大街上，人口10万。手工业工厂非常发达，仅毛纺厂就有300多家。它不是自己生产的。原材料来自西班牙，染料来自埃及，产品销往英国和法国。来自世界各地的商人来来往往。就文化而言，它也是文艺复兴的重要基地。一些著名的代表是练师。更不用说伽利略了，还有但丁，他写了《神曲》，列奥纳多·达·芬奇，他画了《蒙娜丽莎》，米开朗基罗，他制作了大卫的雕像，还有伯鲁涅列斯基，他建造了著名的无圆柱圆顶教堂。尽管一些新的文化名人如伽利略在这里被杀害，甚至那些上层贵族也无法抵抗这种新文明的冲击。一些精英总是想把自己打扮成知识分子，想把他们的庭院装饰得更加奢华，以便向市民和外国商人炫耀。目前，佛罗伦萨大公托斯卡纳有一个独特的计划，要在他的院子里建造一个大喷泉。他想，谁能比得上这种财富呢？钱不是问题，至于设计，他想要新的自动手。他布置了水池、洒水器和假山，在山与山之间种植了从国外进口的异国花卉和树木，还建造了四周都有烛台的亭台楼阁和走廊，这样他就可以在晚上尽情地喝酒和游泳。为了增加水量，他特别命令管家找一个钻井工人为喷泉挖一口井。还挖了井，安装了水泵。只有当机器转动时，珠子才能在荷叶上滚动，银珠才能落到水面上，这样人们就可以通过窗帘和湿雾来伪装自己跳舞。然而，公爵并不准备独自拥有这一切。这是一个向整个城市展示他的知识、财富、才华和风度的好机会。在这一天，他选择了一个吉祥的日子，并邀请了所有的城市的主要人物，主要车间业主，教授，艺术家，以及达佳，一个富有的商人从波斯，西班牙和其他东西方国家。他还特别邀请了著名的诺鲁神父来新泳池参加“开幕式”。西山上的日子一天天过去，城主的大门上汽车声震天响，大门内廊上的亭子里等待着美酒佳肴。不一会儿，红烛高照，明亮的灯光在一起演奏。音乐在树梢的屋檐上轻轻地播放。这时，托斯卡纳公爵举起一杯红酒，笑着说:“先生们，今天本公爵亲自设计的喷泉完工了。我特别邀请你来参观我卑微的作品，并参加我们的家庭庆祝会。我的妻子和家人非常感激。让我们为这个庭院工程的成功完成干杯。”然后我听到了玻璃杯的叮当声。然后公爵向一直在亭子外等候的工匠挥手:“开始抽水！”然而，这口井里的水半天不能抽到地下，更不用说从喷嘴里喷出来了。工匠们摇晃着水泵的把手，汗流浃背。他们只听说水似乎提到了半个腰，但随着一声咕噜咕噜的声音，他们又下去了，好像一个人已经咽下了他们的呼吸。公爵命令工匠仔细检查。每个螺丝都检查过了。机器状况良好，设计没有出现任何问题。现在就连公爵自己的脸都出汗了。这时，一个年轻人从客席走了出来。他略带嘲笑地看了公爵一眼，说道:“不用麻烦了，这口井里的水今天不会上来了。”“你怎么知道？”“伽利略说过。”这句话就像是有人突然在晚餐中放了一颗炸弹，顿时所有人都震惊了。伽利略不是已经被教会*了吗？为什么他的鬼魂今天又来了？年轻人看着吃惊的人们，哼了一声，“你当然已经忘记他了，但是不管你是否忘记，地球仍然在转动，水不会听你的，不会浮到地面上来。下午，我刚从乡下回来。他的父亲知道这口井正在这里钻，他说只要它超过10米，水就不会上来！”“为什么？”“因为抽水依赖于将管道中的空气抽出并产生真空，所以外部大气压力将水从管道中向上推。然而，这种压力是一个死亡数字。管子很长，没有那么大的强度，所以自然不能被挤压。”“什么？你说真空是什么意思？里面什么都没有。这是不可能的。”这时，一位在场的牧师立即站起来和他辩论。“是的，没有什么。甚至上帝也不存在。”年轻人似乎很高兴有人出来打架。“你是谁？”“我是伽利略的学生。伽利略。”这个年轻人叫托里切利(1608 ~ 1647)。他崇拜伽利略，并声称自己是无处不在的伽利略。他比伽利略更直言不讳地宣传他的理论。公爵和牧师没想到今天会有一个伽利略学生出现在这个场合，这让他们很失望。他们生气地说，“既然你发现了任何真空，就在公共场合展示给每个人看。”他们笑了，并为自己提出了如此美妙的问题而感到非常自豪。我想看看这个年轻人的尴尬。年轻人不慌不忙地说，“这很容易。现在我要做一个实验，给你看一个“真空”。但是在看之前，让我们提出一个条件:如果实验完成了，尊贵的公爵和受人尊敬的牧师，你必须公开承认伽利略的理论是正确的。”“如果它不起作用呢？”公爵甚至不想想他会成功，所以他匆忙问道。“让你想做什么就做什么。”“好吧，那就马上送你去梵蒂冈接受审判。”牧师急忙宣布。他知道，伽利略被监禁后，另一个名为佛罗伦萨中心实验学会的青年团体仍在各地进行实验，以推广伽利略的理论。梵蒂冈已经逮捕了一些人。当时，一名年轻男子拒捕并跳楼身亡。我不敢相信今天在这里遇到了这么大胆的孩子。“好吧，一言为定！”我看见托里切利从桌子上拉出一个又薄又平的黑盒子，打开后取出一瓶水银和一个一端有开口的一米长的细玻璃管，玻璃管上有刻度。他随手拿起一个小碗，把它装满水银，把玻璃管装满水银，用大拇指紧紧地压着开口，然后把它翻过来，把手指伸进碗中，然后伸出手指。只有细管中的水银开始下落，但是当液面下降到76厘米时，它就停止了移动。托里切利指着76厘米的管子说，“先生们，请看，这个管子是空的。里面没有空气。”“但是为什么水银不会落下，让管子空着呢？”一些客人显然对此感兴趣，并忙着提问。“是的。为什么水星不再下降？这是因为空气的压力。这个压力就像井水的压力。它能把水银保持在这个高度。汞的密度为136克/立方厘米，因此汞柱的压力为136×76 = 10336克/平方厘米，即空气压力。水的密度为1g/cm3。如果井管深10米，水柱为1×1000 = 1000克/平方厘米，几乎等于大气压。如果井的深度超过10米，你认为水还能被压上来吗？幸运的是，公爵打了一口水井。如果它是一口水银井，如果它不到一米深，就会被废弃。”托里切利说道，用嘲弄的目光望着公爵。这就是为什么他如此年轻，以至于他决心让这些高贵的人们难堪。这时，一些客人点头同意，而其他人则饶有兴趣地听取了这个前所未有的新话题。诺鲁神父看着这一幕，让小男孩控制他。没有看他的尊严，他突然站起来说:“你在变魔术。你怎么能证明上面的管道真的是空的呢？我们怎样才能证明这个水银柱真的是由空气压力支撑的呢？”“别忙了！”托里切利嘲弄地对牧师笑了笑，然后从黑盒子里拿出一个Y形的管子来验证真空的存在。这是一根直管，弯曲顶端的变化形成一个钩子，就像一根拐杖(见图)。肘部有一个洞。我看见托里切利用手指堵住了小孔，弯下腰，把它装满水银，然后像以前一样把它浸在水银碗里，这样长直的管子就是一个76厘米的水银柱，一片水银也储存在弯的底部，但上面有一个真空。这个连接管里有两块水银，两块真空。托里切利扫了一眼每个人，说道:“现在，当我的手指离开这个小孔时，长管中的水银将全部落入碗中，而小弯管中的水银将由于空气产生的压力而被空气带到管头。这只是表明刚才这里真的没有空气。你相信吗？”“没有？”公爵痛苦地回答。只见托里切利将手一抬，直管中的水银柱像悬在空中的断了线一样，刷地落入碗中，而水银肘底部似乎有一只看不见的手在下面推着，无助地升到管的顶部，像贴在管上一样不再向下。这时，大厅里的所有人都不在乎美味的食物和美酒。他们一个接一个伸长脖子，看着魔管。一些人仍然交叉胸前，轻声哭泣，“哦，上帝！”这时，托里切利非常严肃地抬起头，但他开玩笑地说，“那不是上帝，那是空气！”公爵看着这神奇的一幕，拿出手帕擦汗说:“伽利略可能是对的。”看到公爵终于说出了这些话，托里切利拿起他的黑盒子，鞠了一躬，飘走了。这时，长时间没有开口的公爵夫人看着这令人失望的一幕，然后想起给女管家打电话，愤怒地喊道:“他是怎么进来的？”管家胆怯地说，“我看见他夹了一个盒子，以为他是乐队的。”这是1643年著名的托里切利真空实验。汞柱上的真空也被后人称为“托里切利真空”，玻璃管也被称为“托里切利管”。此外，真空试验的消息立即传开了。人们正竞相演示这个实验。消息传到了法国。数学家布莱士·帕斯卡(1623 ~ 1662)不仅在家里做实验，而且在山上和山下做比较实验。他发现气压与海拔高度有关。在2000米内，每高出海平面12米，托里切利管中的水银柱就会下降1毫米。这个消息传到了法国，法国马德琳市市长奥托·格利克甚至放弃了他的重责大任去玩科学游戏。他认为这个想法更新颖。他用两个直径为20厘米的铁半球将它们固定在一起，不需要任何焊接。他只吸走它们的空气，所以不管大力士有多强，一旦他抓住了一半，他就不能把它们分开。人们几乎不能相信这个球的魔力。1654年，在法国勒根斯堡郊外，春天温暖而绿色。这一天，成千上万的人聚集在山坡下的空地上。草地上充满了舞蹈和赛马。非常热闹。山坡上搭建了一个临时平台，上面悬挂着华丽的旗帜、手杖和鼓乐。原来今天皇帝和皇后也在这里和人们一起玩。过了一会儿，奥托·格利克来到皇帝面前，一手拿着他设计的半球，请求为国王陛下表演一场科学游戏。皇帝兴高采烈，欣然答应。我看到他的手将两个半球合在一起，他的助手递过来一个小泵。三两次之后，他几乎把里面的空气都倒空了。球的半径只有20厘米，里面的空间最多只能容纳三个拳头。然后奥托·格利克把两条又粗又结实的丝线绑在半球两侧的环上，并示意这两个大汉一个一个地把这条河拉上来。我看到他们的脸从红色变成了紫色。左右两边都在前进和后退，而球的两半平稳地握在一起。皇帝和皇后看起来很震惊。刚才很明显，这两个半球是随意结合的。他们怎么能吸得这么紧？这时奥托·格利克命令两边各增加两个人，三个人。铁球似乎越来越紧了。草地上成千上万的人群沉默了。奥托·格里克喝道:“停下。”他只是牵着两匹马，一边一匹，两个车夫挥舞着鞭子，两匹马发出长长的嘶嘶声抬起头，把蹄子拉到两边。但是球还是一样的。奥托·格利克在两边各加了一匹马，后来又加了一匹马，这样两边各加了七匹健康的马。然而，目前还不清楚。这时，女王在臣民面前忘记了她的尊敬，她的嘴唇张开着，她的右手紧紧抓住皇帝的手腕。奥托·格利克在两边各点了一匹马。司机的鞭子像鞭炮一样爆炸了。马嘶吹口哨，尘土飞扬。围观的人群也沸腾起来，大声喊加油。只听到“砰”的一声，铁球终于裂成两半，而两边的八匹马带着半个球冲出数百米。这时，皇后沉默了，松了一口气，皇帝的手腕已经被五根手指踩住了。他把奥托·格里叫到舞台上，问道:“你变了什么魔法？这两个小半球怎么会有这么大的吸力？”“我想提醒陛下，这个球上的力不是吸力，而是气压。”“你知道这有多紧张吗？”“根据托里切利的计算，物体上的气压是每平方厘米一公斤。球的横截面积是半径的平方乘以周长比，等于1256平方厘米。作用在球上的力是1256公斤。每匹马在每边的八个区域中需要157公斤才能把它分开。”皇帝半信半疑地听了。他想了一会儿，说道:“这样一个拳头大小的球将承受来自大气的巨大压力。我的宫殿不会被摧毁吗？”“陛下不用担心。铁球不能被拉开，因为里面有真空，只有外面有压力。陛下宫殿的高门和大窗户让空气*进出。自然，不会有真空，上下压力会相互抵消。”“那么，当我们每天生活在大气层中时，难道我们人类不需要被压碎吗？”“是的，我们一般人的身体面积大约是2平方米。他日夜承受着两万公斤的压力。但是陛下不必担心。我们有鼻子和嘴可以呼吸，所以我们的胃里永远不会有真空。”当皇帝听到这个消息时，他意识到自己是个虚惊一场的人。他不必为此担心。他脸上还带着轻松的微笑，说道:“我没想到你，市长，知道这么多新知识。”说完这些后，他命令把酒摆好，和奥托·格利克以及他的官员们好好喝一杯。在草地上，鼓和音乐一起演奏，优雅地跳舞。