托里拆利实验:小铁球震惊大皇帝

1640年,意大利的佛罗伦萨有一位叫作托斯坎斯基的贵族请人打了一口深井,他使用当时最优良的泵,结果水只抽到10米高就再也抽不上来了。 怎么努力都是白费工夫。 检查一下吧,机器完好无损,引水管亦无漏洞,为什么抽不上来呢?

当时的工程师们学识、技术有限,解决不了这个问题。 于是,托斯坎斯基就去向大物理学家伽利略请教这个难题。 遗憾的是,那时伽利略已经老迈,还受着宗教势力的迫害,他已双目失明,没有精力去寻求答案。 1642年,惨遭罗马教皇迫害的伽利略饮恨而亡,这个问题未获解决。

继伽利略之后,托里拆利对这个问题进行了深入研究。 当时人们信奉的是亚里士多德“自然惧怕真空”学说。 水泵为什么能抽水呢?根据亚里士多德的学说,人们解释道:“当活塞上拔时,管内形成真空,而‘自然是惧怕真空’的,所以水就升上来填补这个空缺。 ”根据这一学说,人们应该能把水提到任意高度。 可是,现在抽水机把水提至10米后,水就再也不肯上升,亚里士多德的理论不灵了。 1643年,托里拆利决定亲自动手实验。

托里拆利给一根1米长的一端密封的玻璃管灌满水银,另一头用手指堵住开口。 把它倒转过来,让密封的一头向上,插入水银槽中;把手松开后,管子里的水银柱迅速下降流入槽内,水银柱上方出现了真空。 可是不论把管子垂直或者倾斜,管子里的水银柱长度总在760毫米上下。

1644年6月,托里拆利写信给朋友,详细介绍了这个实验。 他认为:环绕地球周围的气体,不仅很厚而且有很大的压力,大气产生的重量向下,压在槽内液体上,这个压力恰好和管子里760毫米长的水银柱的压强相等。 所以水银柱总是保持在这个高度,不会再下降。 也就是说,在一平方厘米的面积上,物体承受的大气压力约有10牛顿。 这一革命性思想,推翻了亚里士多德空气没有重量,大自然惧怕真空的概念。

当实验结果发表后,托里拆利遭到保守势力的围攻。 人们不仅不信,就是科学家们也对这一结论持否定态度。

1654年,德国的马德堡市市长奥托·格利克作为杰出的业余科学家,不惜私人破费八千马克,请人用铁精心制作了两个直径为37厘米的半球壳。 他在两个半球中间垫上胶皮圈,两个半球合在一起就成为不漏气的空心铁球。 制好实验用具后他马上发出邀请,皇帝、贵族、高官与平民百姓都来参观了,实验场上十分热闹。

格利克先把两个半球灌满水合了起来,然后把水全部抽出,球内形成了真空,两半球浑然一体。 他把气嘴上的龙头拧死后,再在每个半球的耳环上套上结实的带子,两边各拴上几匹马。 两边的马在马夫皮鞭的指挥下奋力向相反方向拉,但是这几匹马的力量太小了,拉不开这两个合拢的半球壳。

格利克命令再增加马匹,一直增到16匹马时,两个半球壳才勉强被拉开了。 在分开的一刹那,外面的空气以巨大的力量、极快的速度冲进球内,发出震耳的巨响。

在场的人们——皇帝、贵族、高官与平民百姓,无不为这科学的力量而惊叹,这就是著名的马德堡半球实验。

自此以后,托里拆利的理论才被人们接受。

【科学小链接】

一个成年人的身体表面面积为2平方米,合2万平方厘米。 如果按每平方厘米承受1千克物体的重量计算,压在人体表面的大气大约有2万千克重。 为什么我们没有被压得粉身碎骨呢?这是因为所有的生物都习惯了这个压力,自从地球上有生命以来,生物体的各部分乃至各个细胞,都有一个向外膨胀的内压力,内压力恰好与大气压力相平衡。

 

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