Отто фон Герике
Отто фон Герике (1602-1686) — гениальный физик-экспериментатор родился в Магдебурге, в знатной семье. Он изучал скачала право, затем обратился к физике, математике и инженерным проблемам. О степени его авторитета как инженера говорит тот факт, что ему поручали руководство строительством укреплений в различных городах Германии; в то время это было главной задачей техники.
В период 1635 — 1645 гг. Герике занимался административной и политической деятельностью, оставлявшей достаточно времени для научной работы. Начало его замечательным экспериментам было положено изобретением вакуумного насоса (его называли воздушным насосом). Принцип действия наcoca изображен на рисунке 4.
Поучителен путь к изобретению. Вначале мысль была такая. Если хорошо просмоленную бочку наполнить водой, а затем насосом выкачать ее то в бочке должен быть вакуум. Однако опыты не дали результата. Герике догадался, что неудача была следствием пористости дерева, и решил заменить бочку медным шаром. Первый опыт откачивания воды кончился тем, что медный шар внезапно лопнул с громким треском. Герике догадался о причине: на шаре было плоское место. Совершенно круглый шар выдержал атмосферное давление.
Существование и сила атмосферного давления стали уже очевидными после первого опыта, когда Герике открыл кран A у откаченного шара R: воздух со свистом врывался в сосуд, руку над краном нельзя было держать, ибо ее притягивало с опасной силой. Пользуясь насосом, Герике получил возможность значительно точнее взвесить воздух нежели Галилей. Для этого достаточно, было сравнить вес сосуда с воздухом и эвакуированного. В процессе этих опытов Герике сделал важное открытие. Он показал, что в воздухе на тела действует архимедова подъемная сила. По существу это было обобщение закона Архимеда, и оно вошло в систему точных физических представлений.
Далее Герике теоретизирует. Если атмосферное давление уравновешивает давление водяного столба высотой 10 м, то можно вычислить давление любого цилиндрического столба воздуха. Он задает диаметр цилиндра и путем вычислений находит давление воздуха. Нужно теперь на опыте показать, что это давление огромно. Герике изготовил два медных полушария. Одно из них было снабжено краном для откачки воздуха. Между полушариями прокладывалось кожаное кольцо, хорошо пропитанное воском и растительным маслом, так что оно не пропускало воздух. Опыт показал, что после откачивания только 16 лошадей могли разорвать полушария.
На видео ниже, в городе Биттерфельд-Вольфен воссоздали попытку Отто фон Герика с магдебургскими полусферами, в доказательство существования воздушного давления.
После этих опытов представление об атмосферном давлении стало общепринятым.
Однако природа атмосферного давления была не известна. В настоящее время, когда мы четко представляем себе Землю вместе с атмосферой, нелегко представить себе сложность проблемы для того времени. Газовые законы еще не открыты, состав воздуха не известен, закон всемирного тяготения появится только через 50 лет. Тем не менее Герике нашел решение. В сочинении «О пустом пространстве» он писал: «Некоторые ученые считают причиной его (атмосферного давления.- В, Д.) доходящие до нас со всех сторон лучи звезд. Но если бы. это было так, то земной шар должен был бы тоже испытывать это Давление и оказывать ему сопротивление. Однако, когда два тела давят друг на друга, то помещенный между ними предмет испытывает с обеих сторон одинаковое давление. Отсюда с необходимостью следует, что верхние слои атмосферы испытывали бы такое же давление, как и нижние части ее, а это отвергается опытами».
Герике проделал в доказательство простой и в высшей степени остроумный эксперимент. Он закрывал кран стеклянного сосуда и поднимался с ним на вершину башни. Открывал кран и наблюдал, что воздух выходит из сосуда. Затем кран снова закрывал и опускался с сосудом к подножью: здесь при открытом кране воздух, наоборот, входил в сосуд.
Обобщая опытные факты, Герике заключил: «Так как нижние слои воздуха сжимаются сильнее, чем верхние,- причем эта разница наблюдается не только на высоких горах, но и на башнях,- то отсюда следует, что воздух простирается недалеко от Земли и что высота его, по сравнению с огромными расстояниями до звезд, ничтожна».
Особое значение имело изобретение Герике водяного барометра. Казалось бы, простая мысль: воспользоваться устройством Паскаля, который экспериментировал с длинными трубками, наполненными водой. В трубке при опускании воды так еже образуется «торричеллива пустота», как и в опытах со ртутью,- тот же барометр Торричелли и Вивиани, только увеличенных размеров. Однако мысль Герике шла обратным путем. Пытаясь найти дополнительные аргументы против horror vacui, он начал впускать в эвакуированный сосуд воду из чана и поднимал сосуд. Если бы поднятие жидкости объяснялось боязнью пустоты, рассуждал Герике, то вода должна следовать за сосудом до какой угодно высоты. Когда длина трубки, соединяющей сосуд с чаном достигла 10 м, вода, естественно, только доходила до сосуда. Эти опыты привели к конструкции водяного барометра: деревянная фигурка, плавающая на поверхности воды в верхней эвакуированной части трубы, указывала на величину атмосферного давления.
Наблюдения показали, что это давление изменяется. Герике впервые связал этот факт с метеорологическими явлениями. «Изменение уровня воды,- писал Герике, — является вернейшим доказательством того, что не только подъем ее, но и колебания ее высоты зависят от некоторой внешней причины. Таким образом, высота водяного столба зависит не от испытываемой природой боязнью перед пустым пространством, а от равновесия между давлением водяного столба и атмосферным давлением».
Так было преодолено почти тысячелетнее заблуждение. Герике одновременно открыл возможность научных предсказаний погоды.
Герике произвел множество опытов в вакууме. Ему принадлежат широко известные демонстрации под колоколом воздушного насоса. Прежде всего это замирание звука звонка — опыт, впервые показавший, что звук распространяется только в веществе. В то же время Герике показал, что свет распространяется в вакууме так же, как в воздухе.