第六章液体和气体的性质 6.10空气的压力
第六章液体和气体的性质 6.10空气的压力
在十七世纪中期,累根斯堡的居民曾经看到过一件奇事十六匹马八匹拉向一面,八匹拉向另一面,用尽全力也没把彼此合在一起的两个铜制的半球拉开来。是什么力量使它们合得这样紧呢?“没有什么”,是空气。市长奥托·冯·格里凯就这样让大家亲眼看到了空气并不是“没有什么”,而是有重量并且能对地面上所有物体施很大的压力的。
这个试验是在1654年五月八日举行的。
关于著名的“马德堡半球”实验,物理学教科书里都有叙述。我还是相信,读者如果能从格里凯本人嘴里听到这个故事,一定会更有趣味。叙述他的实验的这一本书篇幅很大,是用拉丁文写的,1672年在阿姆斯特丹出版。同那个时代所有的书一样,这本书的书名很长
这本书的第23章专讲这个实验。让我们直译几段出来
证明空气的压力能够把两个半球紧压得甚至连16匹马都不能拉开它们的试验。
我定做了两个铜制的半球,直径是四分之三马德堡肘①,活来。两个半球倒能够完全吻合。在一个半球上装了一个活栓;通过这个活栓可以抽掉球里的空气,并阻止外面的空气钻进球里去。,在两个半球上还安了四个环,环上穿着绳子,绳子缚在马的驾具上。我又叫人缝了一个皮圈;把皮圈放在蜡和松节油的混合物里浸透。把皮圈紧夹在两个半球的中间以后,空气就一点也不会漏进球里去了。活栓接上抽气筒的管子,把球里的空气抽出来。这时候可以看出,两个半球是用多大的力量通过皮圈紧紧粘附在一起。外面空气的压力把它们压得这样紧,连16匹马(拚命挣扎着)都不能把它们拉开,或者只有费了很大的劲才能拉开它们。当马用尽了全力把两个半球拉开的时候,还发出了很大的响声,象放炮一样。
可是只要把活栓转一下,使空气能够流进球里去,两个半球就很容易被手拉开。
简单的算法能够告诉我们,为什么要用这样大的力量(每一边八匹马)才能把一个空球分开。空气的压力作用在每一平方厘米上大约是一公斤,直径0.67肘(37厘米)的圆的面积②等于1060平方厘米。这就是说,大气加在每一个半球上的压力在1000公斤(一吨)以上。每一边都应该用一吨的力量来拉,才能抵消掉球外空气的压力。
看起来这个重量对每一边八匹马说来好象并不很大。可是不要忘记,平常马在拉一吨重的货物的时候,所要克服的力量并不是一吨,而是比一吨小得多,只是车轮和轮轴之间、车轮和道路之间的摩擦力。这种摩擦力,譬如在公路上,不过是货物重的5%,也就是一吨货物的摩擦力只有50公斤。(实践告诉我们,八匹马一起拉货的时候要损失拉力一半,这一点我们在这里不谈。),八匹马的一吨拉力相当于拉20吨重的一辆货车。你看马德堡市长的马所要拉的这个空气的重压有多么重!它们好象是在拉着一台不在轨道上的小火车头。
可是只要把活栓转一下,使空气能够流进球里去,两个半球就很容易被手拉开。
简单的算法能够告诉我们,为什么要用这样大的力量(每一边八匹马)才能把一个空球分开。空气的压力作用在每一平方厘米上大约是一公斤,直径0.67肘(37厘米)的圆的面积②等于1060平方厘米。这就是说,大气加在每一个半球上的压力在1000公斤(一吨)以上。每一边都应该用一吨的力量来拉,才能抵消掉球外空气的压力。
看起来这个重量对每一边八匹马说来好象并不很大。可是不要忘记,平常马在拉一吨重的货物的时候,所要克服的力量并不是一吨,而是比一吨小得多,只是车轮和轮轴之间、车轮和道路之间的摩擦力。这种摩擦力,譬如在公路上,不过是货物重的5%,也就是一吨货物的摩擦力只有50公斤。(实践告诉我们,八匹马一起拉货的时候要损失拉力一半,这一点我们在这里不谈。),八匹马的一吨拉力相当于拉20吨重的一辆货车。你看马德堡市长的马所要拉的这个空气的重压有多么重!它们好象是在拉着一台不在轨道上的小火车头。
曾经测量过,壮健的驮马拉货车的时候所用的力量,不过80公斤①。所以为了拉开马德堡半球,在平稳的拉曳情况下,每一得用1000÷80=13匹马②。
读者如果知道我们骨胳的某些关节所以不会脱落,同马德堡半球不容易分开有同样的原因,那一定会觉得惊奇的。我们的髋部关节正是这样的马德堡半球。我们可以把连在这个关节上的肌肉和软骨都去掉,可是大腿还是不会掉下来大气压力把它们压在一起了,因为关节之间的间隙是没有空气的。
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