Эванджелиста торричелли (1608–1647)

И тальянский математик и физик Эванджелиста Торричелли родился в Фаэнце в небогатой семье, воспитывался у дяди. Учился в иезуитском колледже, а затем получил математическое образование в Риме. В 1641 г. Торричелли переехал в Арчетри, где помогал Галилею в обработке его трудов. С 1642 г., после смерти Галилея, придворный математик великого герцога Тосканского и одновременно профессор математики Флорентийского университета.

Наиболее известны труды Торричелли в области пневматики и механики. Он в 1643 году изобрел прибор для измерения атмосферного давления – барометр.

Наличие атмосферного давления привело людей в замешательство в 1638 году, когда не удалась затея герцога Тосканского украсить сады Флоренции фонтанами — вода не поднималась выше 10,3 метров. Поиски причин этого и опыты с более тяжелым веществом — ртутью, предпринятые Эванджелиста Торричелли привели к тому, что в 1643 он доказал, что воздух имеет вес. Своим достаточно простым опытом Эванжелиста Торричелли измерил атмосферное давление и сделал первые выводы о давлении столба жидкости, которые зафиксированы в основном законе гидростатики. В опыте, поставленном в 1643 г. использовалась запаянная с одного конца тонкая стеклянная трубка, которую наполняли ртутью, после чего переворачивали и открытым концом опускали в стеклянную ванночку, также наполненную ртутью (см. рис.). Только часть ртути перетекала в корытце, а у запаянного конца трубки возникала т.н. пустота Торричелли (на самом деле, эта «пустота» была наполнена насыщенными парами ртути, но их давление при комнатной температуре гораздо меньше атмосферного, поэтому приближенно можно назвать эту область пустотой).

Наблюдаемый эффект свидетельствовал о том, что ртуть от полного выливания удерживала некоторая сила, действующая со стороны нижнего конца трубки. Эта силу и создавало атмосферное давление, противостоящее весу столба жидкости.

В настоящее время давление атмосферы, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °С, принято называть нормальным атмосферным давлением.

Чтобы рассчитать это давление в паскалях, воспользуемся формулой гидростатического давления: Р=р g h

Подставляя в эту формулу значения р= 13595,1 кг/м³ (плотность ртути при 0 °С), g = 9,80665 м/с² (ускорение свободного падения) и h = 760 мм = 0,76 м (высота столба ртути, соответствующая нормальному атмосферному давлению), получим следующую величину: Р=р g h = 13595,1 кг/м³Х 9,80665 м/с²Х 0,76 м = 101 325 Па.

Это и есть нормальное атмосферное давление.

Столб ртути в трубке имел всегда одну и ту же высоту, равную примерно 760мм. Отсюда и единица измерения давления — миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). По формуле выше мы получаем, что в Паскалях

Торричелли обнаружил, что высота столба ртути в его опыте не зависит ни от формы трубки,ни от ее наклона. На уровне моря высота ртутного столба всегда была около 760мм.

Ученый предположил, что высота столба жидкости уравновешивается давлением воздуха. Зная высоту столба и плотность жидкости, можно определить величину давления атмосферы. Правильность предположения Торричелли была подтверждена в 1648 голу опытом Паскаля на горе Пью-де-Дом. Паскаль доказал, что меньший столб воздуха оказывает меньшее давление. Вследствие притяжения Земли и недостаточной скорости молекулы воздуха не могут покинуть околоземное пространство. Однако они не падают на поверхность Земли, а парят над ней, т.к. находятся в непрерывном тепловом движении.

Благодаря тепловому движению и притяжению молекул к Земле их распределение в атмосфере неравномерно. На небольших высотах каждые 12 м подъема уменьшают атмосферное давление на 1 мм рт.ст. На больших высотах эта закономерность нарушается.

Происходит это потому, что высота воздушного столба, оказывающего давление, при подъеме уменьшается. Кроме того, в верхних слоях атмосферы воздух менее плотен.