Как доказали, что есть атмосферное давление?

Все знают, что можно пить напиток через трубочку. Нам кажется, что мы создаем силу тем, что дуем в себя, и под действием этой силы вода начинает течь. Однако это не так. Когда мы пьем через трубочку, то просто создаем отсутствие воздуха в трубке. На напиток в чашке давит воздух атмосферы, а в трубочке создается относительный вакуум, здесь на жидкость почти ничего не давит. Поэтому сила атмосферного давления как бы проталкивает напиток в трубку, в область с пониженным давлением.

Древние люди умели строить колодцы, хотя ничего не знали об атмосферном давлении. Они знали, что если поднимать поршень, то вода будет двигаться за ним. Но они не знали почему это происходит. Мыслитель того времени Аристотель высказал гипотезу, что просто «природа не терпит пустоты».

Если в воду вставлена труба, а в трубе находится поршень, то если его поднимать, под ним могла бы образовываться пустота, так как воздух сюда не может попасть (ведь внизу вода, по бокам стенки трубы, а вверху плотно подогнанный поршень). Однако, так как по Аристотелю «природа не терпит пустоты», вода заливается в эту трубу и поднимается в верх в след за поршнем, «игнорируя» притяжение Земли.

Но оказалось, не так все просто. В древности люди знали, что вода не поднимается выше 10 метров. Если поршень двигался выше 10 м, то под ним все-таки образовывалась пустота. Природа почему-то начинала ее «терпеть».

В XVII веке итальянец Э. Торричелли догадался, что дело вовсе не в нетерпимости к пустоте, воду что-то толкает в трубу. И это что-то — сила давления атмосферы. Когда вес высоты столба воды в трубе уравновешивает вес атмосферы, давящей на поверхность воды вне трубы, то вода перестает двигаться вверх.

Он проделал следующий опыт (осторожно: пары ртути ядовиты!, но он об этом не знал). Налил в емкость ртуть и установил в нее вертикально трубку с ртутью, запаянную сверху. Из трубки ртуть немного вылилась в емкость, однако далеко не вся. Столб ртути в трубке всегда составлял около 760 мм, иногда чуть больше, иногда чуть меньше.

Почему же вода поднимается на более чем 10 метров, а ртуть всего 0,76 метра? Потому что плотность ртути намного больше плотности воды, ртуть тяжелее. Поэтому надо меньшее ее количество, чтобы уравновесить давление атмосферы.

Расчеты показывают, что если плотность воды равна 998,2 кг/м3, а ртути - 13546 кг/м3, вода поднимается поршнем при нормальном атмосферном давлении до уровня 10,3 м, а ртуть — на 0,76 м, то давление столба воды составляет p = 998,2 кг/м3 * 9,8 Н/кг * 10,3 м ≈ 100758 Па, а ртути p = 13546 * 9,8 * 0,76 ≈ 100891 Па. Это близкие значения. Что подтверждает существование атмосферного давления.

В том же веке в немецком городе Магдебурге был проведен еще один очень наглядный опыт, доказывающий существование атмосферного давления. Две полусферы скрепили между собой и откачали из образовавшейся сферы воздух. После этого полусферы не могли оторвать друг от друга даже повозки лошадей, тянущие полусферы в разные стороны друг от друга. Но стоило открыть доступ воздуха в полость сферы, как полусферы легко можно было разделить.

Причина, по которой полусферы нельзя было оторвать друг от друга, заключается в том, что с внешней стороны на них оказывала давление атмосфера, а внутри ничего не давило. Это атмосферное давление так сильно, что оно сильнее сил множества лошадей.