§ 174. Опыт Торричелли. Ртутный барометр и барометр-анероид

В 1643 г. по предложению итальянского физика Эванджелисты Торричелли (1бб8—1647) был произведен следующий опыт. Стеклянную трубку длины около 1 м, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Отверстие трубки закрывают пальцем, чтобы ртуть не вылилась, и трубку опускают в вертикальном положении отверстием вниз в сосуд с ртутью. Если теперь отнять палец от отверстия трубки, то столб ртути упадет до высоты около 760 мм над уровнем ртути в сосуде (рис. 290).

Рис. 290. Трубка Торричелли

Пользуясь рассуждениями предыдущего параграфа, легко объяснить этот опыт. На свободную поверхность ртути в сосуде действует атмосферное давление. Так как после опускания ртути в трубке над ртутью остается пустота, то давление столба ртути, создаваемое внутри трубки на уровне поверхности ртути в сосуде, должно равняться атмосферному давлению. Поэтому взятая в миллиметрах высота столба над свободной поверхностью ртути прямо измеряет давление атмосферы в миллиметрах ртутного столба. Таким образом, трубка Торричелли может служить для измерения давления атмосферы. Она играет роль «барометра». Практически конструкция ртутного барометра более сложна (рис. 291).

Рис. 291. Ртутный барометр

Рис. 292. При наклонении трубки Торричелли уровень ртути остается на одной и той же высоте

Итак, опыт показывает, что атмосферное давление составляет около 760 мм.рт.ст. Так как  (§ 154), то атмосферное давление равно .

Таким образом, атмосферное давление равно давлению столба воды высоты больше 10 м.

Пространство над столбом ртути в трубке в опыте Торричелли называют торричеллиевой пустотой. Конечно, это не абсолютная пустота: в этом пространстве имеется пар ртути; своим давлением он немного понижает столб ртути в трубке. Однако практически этим можно пренебречь, так как давление пара ртути при комнатной температуре ничтожно. Будем придавать трубке в опыте Торричелли различные наклоны (рис. 292). Мы увидим, что конец столба ртути при изменении наклона остается на той же высоте над свободной поверхностью ртути, хотя длина столба становится при наклоне больше. Это объясняется тем, что, как мы уже знаем, давление зависит лишь от высоты столба жидкости, отсчитанной по вертикали. При достаточном наклоне трубки ртуть заполняет ее всю; это указывает на отсутствие воздуха в трубке. При изменении атмосферного давления меняется и высота столба ртути в трубке. При увеличении давления столбик удлиняется — «барометр поднимается». При уменьшении давления «барометр падает» — столб ртути уменьшает свою высоту.

Давление атмосферы можно измерять таким же мембранным манометром, каким мы пользовались для жидкостей (рис. 293). Для повышения точности измерения из коробки 1 манометра выкачивается часть воздуха; мембрана 2 оттягивается наружу пружиной 3. Мембрана обычно делается волнистой для повышения ее гибкости. Мембранные манометры для измерения атмосферного давления называют барометрами-анероидами (рис. 294). Анероиды градуируются и выверяются по ртутному барометру. Они менее надежны, чем ртутный барометр, так как имеют пружины и мембраны, которые с течением времени могут вытягиваться или изменять свою упругость. Зато анероид — прибор гораздо более удобный в обращении, чем ртутный барометр, содержащий жидкость. Поэтому анероиды получили очень большое распространение в тех случаях, когда не требуется очень большой точности. При достаточно частой сверке с ртутным барометром они дают надежные показания.

Рис. 293. Схема устройства мембранного манометра для газов

Рис. 294. Барометр-анероид

174.1. Как нужно изменить шкалу барометрической трубки, наклоненной под углом  к вертикали, чтобы отсчет можно было производить в миллиметрах ртутного столба? Какой длины нужно взять  трубку?

174.2. Цилиндрический сосуд массы 10 кг, площадь основания которого равна , накрывается крышкой. При выкачивании воздуха из сосуда крышка прижимается к сосуду атмосферным давлением. Если воздух откачай до давления 50 мм.рт.ст., то какой массы груз нужно привесить к сосуду, чтобы оторвать его от крышки?