История одного предмета: барометр

История одного предмета: барометр

По сути, атмосфера нашей планеты представляет собой колоссальных размеров океан, только вместо воды в нем — воздух. Если продолжать следовать этой логической цепочке, то получается, что мы живем на дне воздушного океана. Как давление воды на глубине действует на живых существ, так и воздух давит на обитателей планеты. И, как и глубоководные жители океана, мы тоже приспособились к давлению воздуха, да так, что большинство вообще не замечает колебаний этого показателя, а единственное ощутимое всеми людьми возмущение воздушного океана — ветер. Но зато эти изменения хорошо заметны специальному прибору — барометру, первая модель которого появилась еще в XVII веке.

Не так давно искала информацию о том, как спастись от закладывания ушей при посадке и взлете самолета, и о причинах возникновения этого ощущения. При любом резком изменении привычной высоты (читать — привычного давления) наш организм реагирует соответствующим образом, пытаясь защититься от перегрузок, возникающих из-за изменения количества воздушной массы, которая на нас давит. В то же время плавный подъем на гору никакими неприятностями организму не сулит, при условии, что этот организм изначально вполне здоров. Но барометр был изобретен людьми, далекими от медицины и метеозависимости. Даже больше скажу — он вообще случайно появился, став, по сути, побочным продуктом научного спора между физиками XVII столетия.

Есть ли вакуум?

Ищем определение в словаре: барометр — это прибор для измерения атмосферного давления. Его название сформировалось из двух греческих слов: “барос” — “тяжесть” и “метрео” — “измеряю”. Сейчас он редкий гость в домах простых обывателей, и присутствует в основном на метеорологических станциях, а в XIX веке его легко можно было встретить в обычном доме, вне зависимости от того, связан его владелец с физикой, или гуманитарий от Бога.

Еще со времен Аристотеля в ученом мире не утихали споры о том, существует ли вообще такое состояние, как вакуум. Попытки это доказать и привели к появлению первых прототипов устройства, которое через множество модификаций и лет стали называть барометром. Именно этот прибор доказывает, точнее, подтверждает существование вакуума. В свое время он произвел настоящий фурор в мире физики.

Всем знакома фраза Аристотеля о том, что природа не терпит пустоты. Она относится и к вакууму в том числе, так как по мнению Аристотеля пустое пространство просто не могло существовать в природе, и его обязательно заполнит какая-нибудь материя. Только через несколько тысячелетий в горячих спорах изобретателям удалось оспорить слова античного ученого. Даже не удалось — им пришлось это сделать.

Первым звоночком стал случай в шахте: в XVII веке Галилео Галилей получил письмо от владельца шахты. Тот рассказывал, что вода, которую откачивали из шахты насосом, поднималась только на высоту 10,3 м, и не более. Заинтересовавшись, Галилей собрал своих учеников и направил все силы на изучение феномена.

Основное предположение Галилея строилось на том, что сначала из шахты выкачивается воздух, а уже потом — вода. Когда воздух заканчивался, на его месте оставалась пустота и вода стремилась ее заполнить. Но силы, способствующей этому заполнению, хватало только на определенную высоту, поэтому вода и останавливалась на отметке в 10,3 м. Примечательно, что сам Галилей не верил в существование вакуума, поэтому поручил исследование своим последователям.

Среди учеников Галилея был Гаспаро Берти. Ему принадлежит опыт со стеклянной трубкой, которую он наполнил водой, запечатал с обеих сторон и один из запечатанных концов установил в емкость с водой. Оставив верхнюю печать на месте, Берти удалил ту, что находилась под водой. Жидкость из трубки почти полностью вылилась в резервуар, но остановилась на той же отметке, что и в шахте — 10,3 м. Берти пришел к выводу, что в пустой части находится не что иное, как вакуум, ведь вода не могла просочиться ни через стекло, ни тем более через запечатанную часть вверху трубки. Сам того не подозревая, Гаспаро Берти изобрел первый прототип барометра.

Опыт Торричелли

Ученый мир того времени был, мягко говоря, не впечатлен результатами исследований Берти, и даже его наставник посчитал, что тот допустил ошибку. Только один человек решил повторить опыт, но при этом акцентировать внимание не на жидкости внутри трубки, а на окружающем мире. Целью своих исследований Эванджелиста Торричелли назвал все, что может повлиять на жидкость в трубке. В результате работы он понял, что воздух, оказывая давление на окружающие предметы и воду в том числе, мешает снижаться ее уровню, и наоборот. Именно Торричелли понял, что Берти изобрел не просто способ доказать существование вакуума, но и дал ученому миру возможность измерить атмосферное давление.

Казалось бы, что вот сейчас будет всемирное признание, но мы же помним, в какое время все это происходило. Середина XVII века, тогда верили, что воздух абсолютно ничего не весит, и, естественно, не может оказывать никакого давления. Торричелли тоже не получил одобрения, ни от наставника Галилея, ни от прочих ученых.

Тогда он решил изменить условия опыта, и залить в трубку ртуть вместо воды. Таким образом он убивал сразу двух зайцев: во-первых, это позволяло конструировать трубку гораздо меньшей высоты — удалось обойтись всего лишь полутора метрами, так как ртуть гораздо плотнее воды, а во-вторых, будет доказано, что опыт коллеги был проведен правильно. Ртуть в трубке остановилась на уровне 76 см: сейчас именно давление в 760 мм ртутного столба считается нормой.

Без помощи со стороны не обошлось: Торричелли посодействовали Блез Паскаль и его сводный брат. Последний взял опытный образец нового прибора с собой в горы, чтобы посмотреть, как ртуть ведет себя на высоте. На отметке 1800 м над уровнем моря уровень ртути снизился более чем на 10 см. В этот момент было доказано сразу две теории: и то, что существует давление воздуха, и то, что оно уменьшается вместе с увеличением высоты. Кстати, сейчас давление измеряется именно в паскалях, в честь этого ученого.

Снова вспомню время, в которое происходит эта ситуация. Открытие Торричелли долгие годы оставалось безвестным, даже засекреченным — ведь Церковь не признавала существование вакуума, и подобные исследования могли счесть за ересь. Непризнанный ученый был похоронен без каких-либо почестей, в могиле без достойного обрамления. И только спустя десятилетия устройство, которое он изобрел, постепенно появляется в домах. Даже название ему дал не Торричелли — "отцом" термина стал другой известный физик, Роберт Бойль. В качестве маркетинговой заманухи использовалась возможность самостоятельно и довольно точно предсказывать погоду, не выходя из дома, поэтому комнатные барометры появились во многих аристократических домах. Не гнушались барометром и ученые, используя его для измерения глубины шахт и высоты гор. Прототип Торричелли использовался очень долго, пока ртутные барометры не запретили для использования в домах из-за опасности этого металла, точнее, токсичности его паров.

Как обойтись без ртути?

Уже в начале XVIII века существовал проект безжидкостного барометра, но воплотить его в жизни не удалось, как как уровень развития науки оставлял желать лучшего. Авторство проекта принадлежало Готфриду Лейбницу. Первый рабочий прототип подобного прибора появился в 1844 году: его создал ученый из Франции, Люсьен Видье. Усовершенствованная модель этого барометра применяется и поныне. В ней не используется ртуть, и какая-либо иная жидкость: вместо этого в анероидном, то есть безжидкостном, барометре находится металлическая капсула, материалом для которой стал сплав бериллия и меди. Капсула, в свою очередь, находится в камере в окружении вакуума. Если изменялось давление воздуха снаружи, сплав, незаметно для человека, расширялся или сжимался. Специальная система, сплошь состоящая из шестеренок и рычагов, выводила любое изменение на приспособленную для него шкалу. Анероидные барометры не так точны, как ртутные, но они намного безопаснее и крепче, а потому постепенно вытеснили с рынка своих жидкостных собратьев.

В России первый барометр появился еще при царе Алексее Михайловиче, будучи привезенным из Италии в качестве заморской диковинки. Для присмотра за ним был назначен отдельный служащий, но толку было мало: придворный синоптик предпочел ограничиться отписками о сегодняшней погоде, не обращая внимания на показания барометра. Регулярные же наблюдения за погодой в целом и давлением в частности начались только в 1725 году, с подачи Петра I, и с тех пор термометры и барометры прочно вошли в обиход.

Что касается современного использования барометров, то и ртутные, и анероидные сейчас практически не применяются, и представляют интерес больше для антикваров, чем для обычных пользователей. В лабораториях их место заняли цифровые устройства. Для вычисления атмосферного давления в них используется не ртуть и не капсулы, а микрочипы и процессоры. Это настолько крошечные устройства, что встретить их можно где угодно, например, в простом смартфоне, с которого я сейчас пишу эту статью. Насчет идеальности определения погоды врать не буду, не засекала, но в целом, судя по самочувствию метеозависимого человека, показания совпадают.

Но, как бы то ни было, идея Торричелли существует и поныне. Да, доведенная до ума другими физиками, но существует же. Своим появлением барометр доказывает не только необходимость совершенствоваться в выбранном направлении деятельности, но и нечто другое — возможность не принимать старые догмы за истину в последней инстанции, не считать своего наставника пределом развития, и не вгонять собственные мысли в установленные невесть кем рамки. Ну, или в стеклянные трубки.

 

Рейтинг
последние 5

Велена

рейтинг

+1

просмотров

430

комментариев

3
закладки

Комментарии