«Пустота – это место без помещенных туда тел», – шутил Аристотель. Люди с давних пор подозревали, что воздух – это не «место без помещенных туда тел», а нечто легкое, эфемерное, но реальное. Однако убедиться в существовании воздушной атмосферы через опыт люди до XVII в. так и не смогли. Вот с чего все началось.

В 1640 г. великий герцог Тосканский задумал устроить фонтан на террасе своего дворца и приказал провести для этого воду из соседнего озера при помощи всасывающего насоса. Но флорентийские мастера, которым поручили это дело, убедились, что поднять воду всасывающим насосом выше, чем на 32 фута (1 фут = 0,3048 м, 32 фута = 9,75 м), невозможно.

Возмущенный герцог обратился к уже престарелому 80-летнему Галилею за разрешением проблемы. Всасывание воды в то время приписывали «страху» природы перед пустотой: чтобы не возникало пустоты, вода и следует вверх за поршнем в насосе (рис. 194). Но почему же природа боится пустоты лишь до высоты 32 фута, а затем уже нет?

Рис. 194. Вода следует за поршнем во всасывающем насосе потому, что на нее действует атмосферное давление

Рис. 195. Насосы: а – всасывающий; б – комбинированный – всасывающе-нагнетающий

Галилей осмотрел насосы и убедился, что они превосходны. Тогда Галилей начал подумывать о давлении воздуха и решил доказать, что он имеет вес, или, правильнее, массу. Он вскипятил воду в бутыли, изгнав горячим паром оттуда воздух, закупорил ее и взвесил. Затем открыл пробку, впустил воздух и взвесил снова – оказалось, что воздух что-то весит. Не подумайте, что автор критикует Галилея, но получается так, что всегда кто-то ухитрялся все успеть раньше него. В 1630 г. французский врач Жан Рей опубликовал свое открытие веса воздуха в таких словах: «Наполните воздухом баллон при большом давлении… и вы увидите, что он будет весить больше, чем пустой».

Окончательно решил вопрос о давлении атмосферы и определил, что его уравновешивает столб воды в 32 фута высотой, ученик Галилея итальянец Эванджелиста Торричелли.

Опыт Торричелли состоял в следующем. Стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца, наполняли ртутью. Затем, плотно закрыв незапаянный конец трубки, ее перевертывали, опускали в чашу с ртутью и вновь открывали незапаянный конец. Часть ртути при этом выливалась в чашку, а в трубке оставался столб ртути высотой около 760 мм. В трубке же над ртутью было безвоздушное пространство (рис. 196).

Торричелли, предложивший этот опыт, объяснил его так. Атмосфера давит на поверхность ртути в чашке. Ртуть находится в равновесии. Значит, по закону Паскаля давление в трубке на уровне ртути в чашке тоже равно атмосферному давлению. Но в верхней части трубки воздуха нет, поэтому давление в трубке на том же уровне и создается только весом столба ртути в трубке. Отсюда следует, что атмосферное давление равно давлению столба ртути в трубке.

Рис. 196. Давление атмосферы уравновешивает столб ртути высотой около 760 мм

Измерив высоту столба ртути в опыте Торричелли, можно рассчитать давление, которое он производит: оно и будет равно атмосферному давлению. g Чем больше атмосферное давление, тем выше столб ртути в опыте Торричелли, поэтому на практике часто измеряют атмосферное давление высотой ртутного столба в миллиметрах или сантиметрах. Если, например, давление атмосферы равно 760 мм рт. ст., то значит, что воздух производит такое же давление, какое производит вертикальный столб ртути высотой 760 мм.

Наблюдая день за днем за высотой ртутного столба в трубке, Торричелли обнаружил, что эта высота меняется: то увеличивается, то уменьшается. Отсюда он заключил, что атмосферное давление не постоянно, оно может меняться. Торричелли заметил также, что изменения атмосферного давления как-то связаны с изменением погоды.

Прикрепив к трубке со ртутью вертикальную шкалу, Торричелли получил простейший ртутный барометр – прибор для измерения атмосферного давления. Слово «барометр» происходит от «барос» – тяжесть и «метрео» – измеряю.

В 1646 г. Б. Паскаль в городе Руане повторил опыт Торричелли (рис. 197), но уже с очень высокой трубкой, опущенной в бадью с водой, а затем и с вином (вино во Франции дешевле воды!).

Рис. 197. Опыт Паскаля в Руане с «винным» барометром, 1646 г. (со старинного рисунка)

Трубка была высотой 46 футов (14 м), а вода остановилась на высоте 32 фута. Трудно поверить этому, но и вино, говорят, тоже остановилось точно на той же отметке. Недоверие к опыту состоит не только в том, что сухое (почти без остаточного сахара) вино обычно легче воды за счет 10—13 % спирта. Дело в том, что в верхней части трубки образуется пустота, называемая торричеллиевой, и жидкость – ртуть, вода, вино – начинает интенсивно испаряться, заполняя эту пустоту. Таким образом, торричеллиева пустота у самого Торричелли была заполнена ртутными парами, а у Паскаля, простите, винными. Винные, а правильнее спиртовые, пары образуются гораздо легче и создают в пустоте больше давления, чем пары водяные, а тем более ртутные. Так что равенство водяного и винного столбов можно объяснить разве только случайностью или плохим качеством вина, употребленного Паскалем (разумеется, для опыта!). Но так или иначе, столб воздуха атмосферы весит примерно столько же, сколько 10 м воды или вина и 760 мм ртути.

Стараясь определить точность барометра, ученые переносили прибор на высоту – то в Клермонский монастырь, то на башню св. Якова в Париже (рис. 198), и везде барометр точно отслеживал падение давления с высотой.

Рис. 198. Барометрический опыт Паскаля на башне церкви св. Якова в Париже (со старинного рисунка)

Так и было определено атмосферное давление. А вот с высотой атмосферы дело посложнее. Плотность воздуха уменьшается с высотой. Так, на высоте 5,4 км над уровнем океана плотность воздуха падает вдвое, на высоте 11 км – вчетверо и т. д. (рис. 199). Поэтому верхняя граница атмосферы размыта, а чтобы ее нагляднее можно было представить, здесь помещен рис. 200 из старинной книги [49].

Рис. 199. Высота столба ртути в барометре на различных высотах

Рис. 200. Примерная форма атмосферы Земли (видно, что на экваторе она выше – опять же следствие инерции)

Надо сказать, еще великий Аристотель подозревал, что воздух есть тело «весомое». Желая проверить это, ученый взвешивал бурдюки – пустой и заполненный воздухом. И оказалось, конечно, что эти бурдюки весили одинаково. Вот, казалось бы, мудрец, а маху-то дал – ведь он взвешивал воздух в воздухе! Неужели не мог опустить в воду (море-то близко в Греции!) и взвесить там бурдюк с водой и без нее. Ответ был бы тот же – вода не имеет веса! Или хотя бы взвешивал на точных весах, тогда полный воздухом бурдюк, будучи хоть под каким-то давлением, оказался бы большего веса, чем пустой! Даже повышенное содержание углекислого газа (бурдюк-то ртом надували!) могло дать эту разницу. Но фатальное невезение – и на тысячи лет воздух принято было считать невесомым. А вес-то у него немалый – почти 1,3 кг · м³.

Автор на лекциях всегда спрашивает своих студентов, смогли бы они поднять воздух в этой аудитории одной рукой, на что в ответ – громкий смех. Но смех этот становится еще громче, когда студенты узнают, сколько этот воздух действительно весит – обычно свыше 100 кг!

В заключение опишем простой опыт, который одним махом подтверждает наличие атмосферного давления. Этот опыт производит потрясающее впечатление на окружающих, хотя каждый если не видел, то хотя бы слышал о нем.

Рис. 201. «Потрясающий» опыт со стаканом

Надо наполнить стакан водой, лучше до краев, прикрыть его листком гладкой писчей (не газетной!) бумаги и, придерживая листок рукой, перевернуть. Затем отпустить листок (рис. 201). Вода не выльется из стакана, так как на листок снизу давит атмосферное давление! Если бы стакан был высотой более 10 м, то атмосферного давления не хватило бы и листок отпал. А на обычном стакане держится, даже внутрь прогибается, если стакан неполный.

Особенно эффектно выглядит этот опыт, когда стакан заполняют красным вином (а-ля Паскаль!) и незаметно прикрывают его прозрачным листком чертежной или другой жесткой пленки. Вино как бы висит в стакане, ничем не удерживаемое!

Рис. 202. Магдебургские полушария

Нормальное давление атмосферы примерно 101,3 кПа. Опыт бургомистра города Магдебурга Отто фон Герике в 1654 г. со знаменитыми Магдебургскими полушариями (рис. 202) показал, что при их диаметре в 65 см сила атмосферного давления, сжимающая их, достигала 35 кН и их не могли растащить даже восемь пар лошадей (рис. 203)! Хитер был бургомистр Магдебурга – он мог вполне обойтись лишь одной восьмеркой лошадей, прикрепив другой крюк к стене. Сила-то, разрывающая полушария, была бы той же! Хотя бы по третьему закону Ньютона. Но восемь пар лошадей эффектнее, и кто-кто, а сам бургомистр мог это себе позволить!

Рис. 203. Опыт Отто фон Герике с магдебургскими полушариями