Массу атмосферного воздуха можно измерить с помощью опыта Торричелли: давление атмосферы уравновешивается столбом жидкости в запаянной трубке. На уровне моря вес воздуха давит на чашу с ртутью так сильно, что заталкивает жидкий металл в трубку на высоту ровно 760 мм. Зная площадь сечения трубки и плотность ртути, мы вычисляем, что на каждый квадратный сантиметр поверхности давит ровно 1,033 кг воздуха. Это позволяет «взвесить» всю атмосферу Земли через простые геометрические вычисления.
Опустите сейчас палец в обычную чашку с водой. Вы чувствуете легкое сопротивление жидкости, её прохладу и мокроту. Но чувствуете ли Вы вес десяти километров воздуха, который прямо сейчас давит на поверхность этой воды в чашке? И на Ваши плечи? И на Вашу голову? Торжественно и незаметно над Вами нависает многотонная невидимая колонна.
Многие в XVII веке полагают, что воздух абсолютно невесом, а природа просто «боится пустоты». Но в 1643 году Эванджелиста Торричелли решил доказать обратное. Яков Исидорович Перельман считал этот опыт самым красивым в истории мировой физики - за его предельную простоту и сокрушительную убедительность. Перед нами - великий весовой прибор, где гирей служит всё небо планеты. Степенно. Торжественно. Весомо.
Остановитесь на полминуты. Не листайте. Попробуйте догадаться: почему ртуть в трубке Торричелли останавливается именно на высоте 76 сантиметров? Почему она не выливается вся в чашку под действием гравитации и не заполняет трубку до самого верха?
Битва ртути и небесного давления
Опыт Торричелли гениален в своей лаконичности: он наполнил длинную трубку ртутью, зажал конец пальцем и перевернул в чашу с той же ртутью. Жидкость в трубке начала падать, но вдруг замерла. Сверху образовалась абсолютная пустота («Торричеллиева пустота»).
Почему ртуть не упала до конца? Потому что воздух снаружи яростно давит на поверхность ртути в чаше. Он буквально вталкивает её обратно в трубку. В этот миг весы пришли в идеальное равновесие: вес ртутного столба внутри равен весу воздушного столба снаружи. Перельман в своё время писал, что мы живем на самом дне океана, только вместо воды над нами - смесь газов. Мы - глубоководные рыбы, которые привыкли к чудовищному давлению и просто не замечают его.
Сколько весит Ваша ладонь для атмосферы?
Честно говоря, цифры пугают неподготовленного человека. Опыт показал, что на каждый квадратный сантиметр поверхности давит один килограмм воздуха. Площадь Вашей ладони - около 150 кв. см. Значит, прямо сейчас на Вашу руку давит 150 килограммов! Это вес двух взрослых мужчин.
Почему же Ваша ладонь не расплющивается и не падает? Секрет, который Перельман объяснял своим читателям еще в 1913 году, в том, что воздух давит со всех сторон одновременно. И внутри Вашего тела давление точно такое же. Силы идеально уравновешены. Вы - как надутый мяч, который не чувствует давления атмосферы, пока его не проткнут. Допущение грубоватое, но для воспитания «числового чутья» - в самый раз.
«А вы знали?»: Почему Торричелли отказался от воды?
Если бы Торричелли взял обычную воду вместо ртути, его прибор должен был быть высотой... более 10 метров! Ртуть в 13,5 раз тяжелее воды, поэтому ей хватает 76 сантиметров, чтобы уравновесить все небо. В своё время в некоторых европейских городах строили водяные барометры высотой с трехэтажный дом - это было величественное научное зрелище, которое собирало толпы любопытных.
Что далее
Мы вернёмся к спорту и движению. «Почему футбольный мяч летит по дуге?» Мы разберём эффект Магнуса и узнаем, как вращение заставляет воздух толкать мяч в сторону вопреки нашей интуиции.
Читайте также:
Подпишись на канал Перельман «А вы знали?», чтобы чувствовать вес настоящих знаний. А Вы верите, что на Вас сейчас давит пара центнеров воздуха? Проверьте это завтра с помощью обычного стакана воды!
Канал «А вы знали?» - задачи, фокусы и наука. Каждый день - повод удивиться.