توریچلی: رمزگشای فشار نامرئی هوا
در جستوجوی خلأ: یک معما برای دانشمندان
برای قرنها، یک پرسش بزرگ ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود: «آیا خلأ، یعنی فضای کاملاً خالی از ماده، در طبیعت ممکن است؟» ارسطو(Aristotle) و پیروانش معتقد بودند «طبیعت از خلأ نفرت دارد» و ایجاد فضای خالی غیرممکن است. حتی وقتی با پمپ آب را از چاه بالا میکشیدند، آب فقط تا ارتفاع مشخصی بالا میآمد و بعد دیگر بالا نمیآمد. چرا؟ پاسخ این راز در هوا نهفته بود.
گالیله(Galileo Galilei)، استاد توریچلی، نیز به این مسئله فکر میکرد. او مشاهده کرده بود که وقتی آبی را با یک پمپ از چاه عمیقی بالا میکشند، آب هیچگاه از ارتفاع 10 متر بالاتر نمیرود. او حدس زد که شاید وزن ستون آب با نیرویی که هوا وارد میکند در تعادل است، اما نتوانست این نظریه را بهطور کامل ثابت کند.
| نظریه پرداز | ایده اصلی | نقطه ضعف |
|---|---|---|
| ارسطو و طرفدارانش | «طبیعت از خلأ متنفر است» (Horror vacui). خلأ امکانپذیر نیست و اگر سعی در ایجاد آن کنیم، ماده بلافاصله جای آن را پر میکند. | توضیحی برای محدودیت ارتفاع مکش آب یا جیوه نداشتند. |
| گالیله | نیروی مکش پمپ محدود است و شاید ستون آب تحت تأثیر وزن خودش بشکند. | نظریهای کمی و عددی برای محاسبه این محدودیت ارائه نداد. |
| اوانجلیستا توریچلی | هوا وزن دارد و بر سطح فشار وارد میکند. این فشار است که ستون مایع را در لوله نگه میدارد و ارتفاع آن را تعیین میکند. | پاسخ صحیح |
آزمایش تاریخی توریچلی: یک لوله، یک ظرف و کمی جیوه
توریچلی در سال 1643 میلادی، آزمایش خود را طراحی کرد. او از یک لولهی شیشهای بلند (حدود 1 متر) که از یک سر بسته بود استفاده کرد. لوله را کاملاً از جیوه پر کرد و با گذاشتن انگشت بر سر باز آن، آن را وارونه در یک ظرف پر از جیوه فرو برد. وقتی انگشتش را برداشت، سطح جیوه در لوله پایین آمد و در ارتفاع مشخصی، حدود 76 سانتیمتر بالاتر از سطح جیوه در ظرف، ثابت ماند. فضای خالی بالای ستون جیوه در لوله چه بود؟ توریچلی استدلال کرد که این فضا باید خلأ باشد و جیوه بهدلیل فشار هوا بر سطح جیوه درون ظرف، در لوله نگه داشته شده است. اگر هوا فشاری نداشت، تمام جیوه باید از لوله به داخل ظرف میریخت.
فشار هوا در زندگی روزمره: از نی نوشابه تا بادبادک
شاید فکر کنید فشار هوا یک مفهوم پیچیده و دور از زندگی است، اما در واقع شما هر روز آن را تجربه میکنید. چند مثال ملموس:
۱. مکیدن نوشابه با نی: وقتی با نی مایعی را میمکید، در واقع هوای داخل نی را خارج میکنید و فشار داخل نی کاهش مییابد. فشار هوای بیرون که بیشتر است، به سطح مایع در لیوان فشار وارد میکند و آن را به سمت بالا و داخل نی هل میدهد. اگر یک سوراخ در لیوان ایجاد کنید یا درپوش آن را بردارید، این کار به راحتی انجام میشود چون فشار هوا میتواند روی مایع اثر بگذارد.
۲. چسبندگی پنجرههای مکنده: بعضی از پنجرههای پلاستیکی قدیمی وقتی کاملاً بسته میشوند، به سختی باز میشوند. دلیلش این است که با بستن پنجره، مقداری از هوای داخل خارج میشود و فشار هوای داخل کمی کمتر از بیرون میشود. فشار هوای بیرون، پنجره را محکم به قاب میچسباند.
۳. پرواز بادبادک: بادبادک در هوا به پرواز درمیآید زیرا باد (هوای متحرک) فشار روی سطح مایل بادبادک را تغییر میدهد. این اختلاف فشار بین سطح بالا و پایین بادبادک، یک نیروی بالا برنده ایجاد میکند.
۴. کار کردن قطرهچکان: وقتی حباب پلاستیکی قطرهچکان را فشار میدهید و رها میکنید، فشار داخل آن کاهش مییابد و فشار هوای بیرون، مایع دارو را به داخل قطرهچکان میراند.
بارسنج: دستاورد ماندگار یک آزمایش
دستگاهی که توریچلی ساخت، در واقع اولین بارسنج یا فشارسنج جیوهای بود. این وسیله نه فقط وجود فشار هوا، بلکه تغییرات آن را نیز نشان میداد. توریچلی متوجه شد که ارتفاع ستون جیوه در روزهای مختلف کمی تغییر میکند. او حدس زد که این تغییرات مربوط به تغییر وضعیت آبوهواست. امروزه میدانیم که فشارسنج ابزار اصلی پیشبینی هواست. معمولاً وقتی فشار هوا پایین میآید، احتمال بارندگی و طوفان بیشتر است و وقتی فشار بالا میرود، هوا معمولاً آفتابی و پایدار میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 فشار هوا (Atmospheric Pressure): نیرویی که ستون هوای بالای یک سطح بر آن وارد میکند.
2 بارسنج (Barometer): وسیلهای برای اندازهگیری فشار هوا.
3 خلأ (Vacuum): فضایی که در آن مقدار ماده (و بنابراین فشار) بسیار کمتر از فشار جو است.
4 چگالی (Density): جرم یک ماده در واحد حجم آن که با نماد $\rho$ نشان داده میشود.
