Вместо того, чтобы втягивать воздух из трубочки лёгкими, будем поднимать его плотно притёртым поршнем. Мы увидим, что вода будет подниматься вслед за поршнем, заполняя трубку.
Когда поршень внутри трубки касается воды, уровень жидкости в трубке и в чашке находится на одном уровне. Вода прижимается к поршню снизу внешним атмосферным давлением, действующим на поверхность воды в чашке. Сверху на поршень (будем считать его невесомым) также действует внешнее атмосферное давление давление. Со своей стороны поршень, по закону равенства действия и противодействия, действует на воду в трубке, оказывая на нее давление, равное внешнему атмосферному давлению, действующему на поверхность воды в чашке.
Закон равенства действия и противодействия или третий закон Ньютона гласит, что взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.
Поднимем теперь поршень на некоторую высоту; для этого к нему придется приложить силу, направленную вверх. Внешнее атмосферное давление вгонит воду в трубку вслед за поршнем; теперь столб воды будет касаться поршня, прижимаясь к нему с меньшей силой, то есть оказывать на него меньшее давление, чем раньше.
Соответственно и противодействующее давление поршня на воду в трубке будет меньше. Внешнее атмосферное давление, действующее на поверхность воды в чашке, будет при этом уравновешиваться давлением поршня, сложенным с давлением, создаваемым весом водяного столба, поднятого в трубке.
Поднимем поршень на большую высоту - вода тоже поднимется, следуя за поршнем, и водяной столб удлинится. Давление, вызванное весом столба, увеличится; следовательно, давление поршня на верхний конец столба уменьшится, так как оба эти давления в сумме по-прежнему должны давать атмосферное давление. Теперь вода будет с ещё меньшей силой прижата к поршню. Для удержания поршня на месте придется теперь приложить большую силу: при поднятии поршня давление воды на нижнюю поверхность поршня будет все в меньшей степени уравновешивать атмосферное давление на его верхнюю поверхность.
Что произойдет, если, взяв трубку достаточной длины, поднимать поршень все выше и выше?
Давление воды на поршень будет делаться все меньше и меньше; наконец давление воды на поршень и давление поршня на воду обратятся в нуль.
При этой длине столба давление, вызванное весом воды в трубке, будет равно атмосферному. Высота столба воды должна быть при этом равна около 10,33 метра.
При дальнейшем поднятии поршня уровень водяного столба уже не будет повышаться, так как внешнее давление не в состоянии уравновесить более высокий столб: между водой и нижней поверхностью поршня будет оставаться пустое пространство.
В действительности это пространство не будет вполне пустым: оно будет заполнено воздухом, выделившимся из воды, в которой всегда есть немного растворенного воздуха; кроме того, в этом пространстве будет и водяной пар. Поэтому давление в пространстве между поршнем и водяным столбом не будет в точности равно нулю, и это давление будет несколько понижать высоту столба.
Описанный опыт очень громоздок из-за большой высоты столба воды. Если бы этот опыт повторить, заменив воду ртутью, то высота столба получилась бы значительно меньшей.
Читайте также: