Великие немецкие изобретатели. Первые опыты с вакуумом Эксперимент герике с вакуумным насосом
Актюбинская область Алгинский район Маржанбулакская средняя школа
Научные общество учащихся ”Жас қанат”
Смирнов Сергей Андреевич
Камзин Исажан Мырзаханович
Тема :
Атмосферное давление
Направление :
Научно-технический прогресс – как ключевое звено
экономического роста
Секция: техника
Руководитель: Есмагамбетов
Қарымсақ Арыстанұлы,
учитель физики
Научный руководитель:
Доцент Актюбинского регионального
государственного университета им.К.Жубанова
кандидат ф-м наук С.К. Тулепбергенов
Маржанбұлақ-2013
I. Введение
(О воздушной оболочке Земли)
II. Исследовательская часть
2.1. Эванджелиста Торричелли (1608–1647)
2.2. Даниил Бернулли (1700-1782)
2.3. Исторический опыт Отто фон Герике (1654 год)
2.4. Водяной барометр Паскаля (1646 год)
2.5. Занимательные опыты по атмосферному давлению
Простые опыты помогают понять, как действует закон Бернулли
II. Заключение
IV. Список использованной литературы
Введение
(О воздушной оболочке Земли)
Ещё в глубокой древности человек замечал, что воздух оказывает давление на наземные предметы, особенно во время бурь и ураганов. Он пользовался этим давлением, заставляя ветер двигать парусные суда, вращать крылья ветряных мельниц. Однако долго не удавалось доказать, что воздух имеет вес. Только в XVII веке был поставлен опыт, доказавший весомость воздуха. В Италии в 1640 году герцог Тосканский задумал устроить фонтан на террасе своего дворца. Воду для этого фонтана должны были накачивать из соседнего озера, но вода не шла выше 10.3м. Герцог обратился за разъяснениями к Галилею, тогда уже глубокому старцу. Великий ученый был смущен и не нашелся сразу, как объяснить это явление. И только ученик Галилея, Эванджелиста Торричелли в 1643 году показал, что воздух имеет вес. Совместно с В. Вивиани Торричелли провёл первый опыт по измерению атмосферного давления, изобретя трубку Торричелли (первый ртутный барометр), - стеклянную трубку, в которой нет воздуха. В такой трубке ртуть поднимается на высоту около 760 мм, он так же показал, что давление атмосферы уравновешивается столбом воды в 32 фута, или 10.3 м. 
Атмосферное давление - давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и Земную поверхность. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле.
По решению Международного геофизического союза (1951 г.) принято считать, что атмосфера Земли состоит из 5 слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы. Эти слои не везде имеют четкие границы, их толщина колеблется в зависимости от географической широты, места наблюдения и времени.
Говоря о значении атмосферы, надо отметить, что атмосфера защищает все живое на Земле от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей, от быстрого нагревания Земли лучами Солнца и быстрого остывания. Она так же является передатчиком звука. Атмосфера рассеивает солнечный свет, она тем самым освещает те места, куда не попадают прямые лучи Солнца.
ЧТО ПРОИЗОШЛО БЫ НА ЗЕМЛЕ, если бы воздушная атмосфера вдруг исчезла?
На Земле установилась бы температура приблизительно -170 °С, замерзли бы все водные пространства, а суша покрылась бы ледяной корой.Наступила бы полная тишина, так как звук в пустоте не распространяется; небо стало бы черным, поскольку окраска небесного свода зависит от воздуха; не стало бы сумерек, зорь, белых ночей Прекратилось бы мерцание звезд, а сами звезды были бы видны не только ночью, но и днем (днем мы их не видим из-за рассеивания частичками воздуха солнечного света).Погибли бы животные и растения.
На земной поверхности атмосферное давление изменяется от места к месту и во времени. Особенно важны определяющие погоду непериодические изменения атмосферного давления, связанные с возникновением, развитием и разрушением медленно движущихся областей высокого давления (антициклонов) и относительно быстро перемещающихся огромных вихрей (циклонов), в которых господствует пониженное давление. Отмечены колебания атмосферного давления на уровне моря в пределах 641 - 816 мм рт. ст. (внутри смерча давление падает и может достигать значения 560 мм ртутного столба).
Нормальным атмосферным давлением называют давление в 760 мм рт.ст. на уровне моря при температуре 0°C. (Международная стандартная атмосфера - МСА)(101 325 Па). Каждое утро в сводках погоды передаются данные об атмосферном давлении на уровне моря.
Почему же атмосферное давление, измеренное на суше, чаще всего приводят к уровню моря? Дело в том, что атмосферное давление убывает с высотой и довольно существенно. Так на высоте 5000 м оно уже примерно в два раза ниже. Поэтому для получения представления о реальном пространственном распределении атмосферного давления и для сравнимости его величины в различных местностях и на разных высотах, для составления синоптических карт и т.п., давление приводят к единому уровню, т.е. к уровню моря.
Измеренное на площадке метеостанции расположенной на высоте 187 м над уровнем моря атмосферное давление, в среднем на 16-18 мм.рт. ст. ниже, чем внизу на берегу моря. При подъеме на 10,5 метра атмосферное давление понижается на 1 мм ртутного столба.
Атмосферное давление изменяется не только с высотой. В одном и том же пункте на земной поверхности атмосферное давление, то увеличивается, то уменьшается. Причина колебаний атмосферного давления заключается в том, что давление воздуха зависит от его температуры. Воздух при нагревании расширяется. Теплый воздух легче холодного, поэтому 1м 3 воздуха на одной и той же высоте весит меньше, чем 1 м 3 холодного. Значит, давление теплого воздуха на земную поверхность меньше, чем холодного.
«Нормальным» атмосферным давлением называется давление, равное весу ртутного столба высотой 760 мм, находящегося при температуре 0,0 °C, на широте 45° и на уровне моря. Основной единицей давления в системе СИ, служит паскаль [Па]; 1 Па= 1 Н/м2. В системе СИ 101325 Па или 101.3 кПа или 0,1 Мпа.
ЭВАНДЖЕЛИСТА ТОРРИЧЕЛЛИ(1608–1647)
Итальянский математик и физик Эванджелиста Торричелли родился в Фаэнце в небогатой семье, воспитывался у дяди. Учился в иезуитском колледже, а затем получил математическое образование в Риме. В 1641 г. Торричелли переехал в Арчетри, где помогал Галилею в обработке его трудов. С 1642 г., после смерти Галилея, придворный математик великого герцога Тосканского и одновременно профессор математики Флорентийского университета.
Наиболее известны труды Торричелли в области пневматики и механики. Он в 1643 году изобрел прибор для измерения атмосферного давления – барометр.
Наличие атмосферного давления привело людей в замешательство в 1638 году, когда не удалась затея герцога Тосканского украсить сады Флоренции фонтанами - вода не поднималась выше 10,3 метров. Поиски причин этого и опыты с более тяжелым веществом - ртутью, предпринятые Эванджелиста Торричелли привели к тому, что в 1643 он доказал, что воздух имеет вес. Своим достаточно простым опытом Эванжелиста Торричелли измерил атмосферное давление и сделал первые выводы о давлении столба жидкости, которые зафиксированы в основном законе гидростатики. В опыте, поставленном в 1643 г. использовалась запаянная с одного конца тонкая стеклянная трубка, которую наполняли ртутью, после чего переворачивали и открытым концом опускали в стеклянную ванночку, также наполненную ртутью (см. рис.). Только часть ртути перетекала в корытце, а у запаянного конца трубки возникала т.н. пустота Торричелли (на самом деле, эта «пустота» была наполнена насыщенными парами ртути, но их давление при комнатной температуре гораздо меньше атмосферного, поэтому приближенно можно назвать эту область пустотой).
Наблюдаемый эффект свидетельствовал о том, что ртуть от полного выливания удерживала некоторая сила, действующая со стороны нижнего конца трубки. Эта силу и создавало атмосферное давление, противостоящее весу столба жидкости.
В настоящее время давление атмосферы, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °С, принято называть нормальным атмосферным давлением.
Подставляя в эту формулу значения р= 13595,1 кг/м 3 (плотность ртути при 0 °С), g = 9,80665 м/с 2 (ускорение свободного падения) и h = 760 мм = 0,76 м (высота столба ртути, соответствующая нормальному атмосферному давлению), получим следующую величину: Р=р g h = 13595,1 кг/м 3 Х 9,80665 м/с 2 Х 0,76 м = 101 325 Па.
Это и есть нормальное атмосферное давление.
Столб ртути в трубке имел всегда одну и ту же высоту, равную примерно 760мм. Отсюда и единица измерения давления - миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). По формуле выше мы получаем, что в Паскалях
Торричелли обнаружил, что высота столба ртути в его опыте не зависит ни от формы трубки,ни от ее наклона. На уровне моря высота ртутного столба всегда была около 760мм.
Ученый предположил, что высота столба жидкости уравновешивается давлением воздуха. Зная высоту столба и плотность жидкости, можно определить величину давления атмосферы. Правильность предположения Торричелли была подтверждена в 1648 голу опытом Паскаля на горе Пью-де-Дом. Паскаль доказал, что меньший столб воздуха оказывает меньшее давление. Вследствие притяжения Земли и недостаточной скорости молекулы воздуха не могут покинуть околоземное пространство. Однако они не падают на поверхность Земли, а парят над ней, т.к. находятся в непрерывном тепловом движении.
Благодаря тепловому движению и притяжению молекул к Земле их распределение в атмосфере неравномерно. На небольших высотах каждые 12 м подъема уменьшают атмосферное давление на 1 мм рт.ст. На больших высотах эта закономерность нарушается.
Происходит это потому, что высота воздушного столба, оказывающего давление, при подъеме уменьшается. Кроме того, в верхних слоях атмосферы воздух менее плотен.
ДАНИИЛ БЕРНУЛЛИ(1700-1782)
В 18 веке математик и механик академик Петербургской академии наук Даниил Бернулли проводил опыт с трубой разной толщины, по которой текла жидкость. Предположим, что жидкость течет по горизон-тальной трубе, сечение которой в разных местах различное. Выделим мыслен-но несколько сечений в трубе, их площади: S1 S2, S3. S4.
За какой-то промежуток времени t через каждое из этих сечений должна пройти жидкость одного и того же объема. Вся жидкость, которая за время t проходит через первое сечение, должна за это же время пройти и все остальные отрезки меньшего диаметра. Если бы это было не так и через сечение площадью S3 за время t прошло меньше жидкости, чем через сечение площадью S1 , то избыток жидкости должен был где-то накапливаться. Но жидкость заполняет трубу, и накапливаться ей негде. Заметим, что мы считаем, что жидкость несжимаема и повсюду имеет один и тот же объем. Как же может жидкость, протекшая через первое сечение, «успеть» за то же время протечь и через значительно меньшее сечение площадью S3? Очевидно, что для этого при прохождении узких частей трубы скорость движения жидкости должна быть больше, чем при прохождении широких.
В разных по толщине отрезках трубы вертикально впаяна трубка – манометр. В узких местах трубы, высота столбика жидкости меньше, чем в широких. Это значит, что в узких местах давление меньше.
Давление жидкости, текущей в трубе, больше в тех частях трубы, где скорость ее движения меньше, и, наоборот, в тех частях, где скорость больше, давление меньше. В этом и состоит Закон Бернулли.
В широкой части трубы скорость меньше, чем в узкой части во столько раз, во сколько раз площадь поперечного сечения 1 больше 2.
Пусть жидкость течет без трения по трубе переменного сечения:
Иначе говоря, через все сечения трубы проходят одинаковые объемы жидкости, иначе жидкости пришлось бы либо разорваться где-нибудь, либо сжаться, что невозможно. За время t через сечение S 1 пройдет объем
, а через сечение S 2 – объем . Но так как эти объемы равны, то
Скорость течения жидкости в трубе переменного сечения обратно пропорциональна площади поперечного сечения.
Если площадь поперечного сечения увеличилась в 4 раза, то скорость уменьшилась во столько же раз и наоборот, во сколько раз уменьшилось сечение трубы, во столько же раз увеличилась скорость течения жидкости или газа. Где наблюдается такое явление изменения скорости? Например, на реке, впадающей в море, наблюдается уменьшение скорости, вода из ванны - скорость увеличивается, мы наблюдаем турбулентное течение воды. Если скорость невелика, то жидкость течет как бы разделенная на слои (“ламиниа” – слой). Течение называется ламинарным.
Итак, выяснили, что при течении жидкости из узкой части в широкую или наоборот,скорость изменяется, следовательно, жидкость движется с ускорением. А что является причиной возникновения ускорения? (Сила (второй закон Ньютона)). Какая же сила сообщает жидкости ускорение? Этой силой может быть только разность сил давления жидкости в широкой и узкой частях трубы.
Уравнение Бернулли показывает, что давление текущей жидкости или газа больше там, где скорость меньше, и давление меньше там, где скорость течения больше. Этот казалось бы парадоксальный вывод подтверждается прямыми опытами.
К этому выводу впервые пришел академик Петербургской академии наук Даниил Бернулли в 1726 году и закон теперь носит его имя.
Он остается в силе для движения жидкости и для газов, не ограниченного стенками трубы,- в свободном потоке жидкости.
ИСТОРИЧЕСКИЙ ОПЫТ ОТТО ФОН ГЕРИКЕ (1654 ГОД)
К выводу о существовании атмосферного давления немецкий физик Отто фон Герике (1602-1686) пришел независимо от Торричелли (об опытах которого он узнал с опозданием на девять лет). Откачивая как-то воздух из тонкостенного металлического шара, Герике вдруг увидел, как этот шар сплющился. Размышляя над причиной аварии, он понял, что расплющивание шара произошло под действием давления окружающего воздуха.
Открыв атмосферное давление, Герике построил около фасада своего дома в г. Магдебурге водяной барометр, в котором на поверхности жидкости плавала фигурка в виде человечка, указывающего на деления, нанесенные на стекле.
В 1654 г. Герике, желая убедить всех в существовании атмосферного давления, произвел знаменитый опыт с «магдебургскими полушариями». На демонстрации опыта присутствовали император Фердинанд III и члены Регенсбургского рейхстага. В их присутствии из полости между двумя сложенными вместе металлическими полушариями выкачали воздух. При этом силы атмосферного давления так сильно прижали эти полушария друг к другу, что их не смогли разъединить несколько пар лошадей.Ниже представлена знаменитый рисунок Г. Шотта, на котором изображены 16 лошадей, по 8 с каждой стороны от металлических Магдебургских полушарий, между которыми создан вакуум. Полушария прижимает друг к другу не что иное как атмосферное давление, и эта сила столь велика, что оторвать полушария друг от друга не может даже такая приличная упряжь. 
ВОДЯНОЙ БАРОМЕТР ПАСКАЛЯ (1646 г)
Опыты Торричелли заинтересовали многих ученых – его современников. Когда о них узнал фрацузский ученый Блез Паскаль, он повторил их с разными жидкостями (маслом, вином и водой).
На рисунке изображен водяной барометр, созданный Паскалем в 1646 г. Столб воды, уравновешивающий давление атмосферы, оказался намного выше столба ртути. Он оказался равен 10,3 метра.
ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ ОПЫТЫ ПО АТМОСФЕРНОМУ ДАВЛЕНИЮ
Рассмотрим ряд опытов, связанных с действием атмосферного давления.
Воздух имеет вес:
С помощью вакуумного насоса откачаем из стеклянной колбы воздух и уравновесим колбу на рычажных весах. Откроем краник и запустим воздух в колбу, и мы видим, что равновесие весов нарушилась. Этот опыт убедительно показывает, что воздух имеет вес. Поэтому воздух оказывает давление на все предметы вблизи поверхности Земли. Атмосферное давление это давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и Земную поверхность. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле и тепловым движеним молекул воздуха.
Надувание детского шарика откачиванием воздуха!?:
Почему при выкачивании воздуха из-под колокола насоса, находящегося на его тарелке, камера детского, воздушного шарика с хорошо завязанным отростком начинает, как бы надуваться?
Ответ: Внутри камеры давление все время остается постоянным(атмосферное), а снаружи уменьшается. Вследствие разности давлений шарик «надувается».
Опыт с пробиркой с заткнутой резиновой пробкой:
Можно поставить аналогичный опыт с пробиркой с заткнутой резиновой пробкой. При откачивании воздуха из-под колокола пробка из склянки вылетает?! Почему? Ответ: Пробка вылетает вследствие разности давлений: в колбе давление атмосферное, а вне ее, под колоколом, пониженное.
Еще один опыт с пробирками:
Берем две такие пробирки, чтобы одна из них могла свободно входить в другую. В широкую нальем немного воды, а затем вставим в нее короткую узкую пробирку. Если теперь перевернуть пробирки, то мы увидим, что узкая пробирка не упадет, а, наоборот, по мере вытекания воды будет подниматься вверх, втягиваясь в широкую пробирку.
Почему же это происходит?
Ответ: Давление внутри большой пробирки меньше наружного, вследствие вытекания воды там организовался пустота, поэтому атмосферное давление загоняет маленькую пробирку вовнутрь большого.
Перевернутый стакан:
Наполним обыкновенный стакан до краёв водой. Накроем его листком бумаги, плотно прикрыв его рукой, перевернём бумагой вниз. Осторожно уберём руку, держа стакан за дно. Вода не выливается. Почему это происходит?
Ответ: Воду удерживает давление воздуха. Давление воздуха распространяется во все стороны одинаково (по закону Паскаля), значит, и вверх тоже. Бумага служит только для того, чтобы поверхность воды оставалась совершенно ровной.
Опыт с магдебургскими полушариями:
Берем две самодельные железные полушария (диаметр 10 см.) Края полушарий смажем жидким машинным маслом, слегка прижимаем их друг к другу и откачаем с помощью вакуумного насоса воздух. Закроем краник и, как показано на фотографии, повесим на них двух килограммовую гирю, полушария не отрываються. Внутри полушария воздуха нет, или его мало, поэтому наружное атмосферное давление их плотно прижимает друг к другу и не дает им разорваться. В 1654 году немецкий физик Отто фон Герике, желая убедить всех в существовании атмосферного давления, произвел знаменитый опыт в г. Магдебурге с подобными полушариями диаметром около одного метра, где их не смогли разорвать восемь пар лошадей. В честь этого знаменитого опыта такие полушария назвали «магдебургскими полушариями».
Барометр Торричелли:
Берем тонкую стеклянную трубку, закрытую с одного конца, заполняем его с подсиненой водой (для лучщей видимости) и после чего переворачиваем его и открытым концом опускаем в стеклянную ванночку. При этом некоторая часть воды вылиется на чашку, пока не закроется горловина трубки и дальше вода не выливается, так как его держит атмосферное давление.
Итальянский математик и физик Эванджелиста Торричелли впервые в 1643 году поставил аналогичный опыт с ртутью: столб ртути в трубке имел высоту, равную примерно 760мм. Такой прибор впоследствии назвали ртутным барометром. Французский ученый Блез Паскаль в 1646 году проделал аналогичный опыт с водой, столб воды, уравновешивающий давление атмосферы, оказался намного выше столба ртути. Он оказался равен 10,3 метра.
На фотографии видно, как исползуя атмосферное давление изготовить простейщую автопойлку для птиц. Для этого достаточно каким- либо образом вертикально закрепить наполненную водой пластиковую бутылку горловиной вниз и поставить снизу плоскую посуду. Когда птицы будуть пить воду, вода из бутылки вылиется настолько чтобы закрыть горлышко бутыля.
Как работает шприц?
Как видно на фотографии вода движется за поршнем. Загоняет жидкость в шприц атмосферное давление.
Переносим воду дырявой кружкой:
Можно ли перенести воду дырявой кружкой? Отвечаем, да можно! Для этого достаточно чем- нибудь плотно закрыть верх кружки и можно переносить воду, атмосферное давление не дасть воде вылиться. Мы такой прибор для опыта, как видно на фотографии, изготовили из пустой консервной банки.
ПРОСТЫЕ ОПЫТЫ ПОМОГАЮТ ПОНЯТЬ, КАК ДЕЙСТВУЕТ ЗАКОН БЕРНУЛЛИ:
Опыт 1:
Прижимаем тарелки и лепестки отталкивая их воздушной струей!:
Когда продуваем воздух между тарелками и лепестками вместо того, чтобы расходиться, они прижимаються друг к другу. Это происходит потому что между тарелками и лепестками скорость воздуха увеличивается, а давление между ними уменшается в сравнении с атмосферным. Эта разность давлений и прижимает их.
Опыт 2: Парящий шарик:
Е сли в струю воздуха положить легкий теннисный шарик, то он будет “плясать” в струе, даже если её расположить слегка наклонно. Почему? Скорость воздушной струи, создаваемой феном, большая, значит давление в этой области низкое. Скорость воздуха во всей комнате небольшая, значит давление – высокое.Область высокого давления не даст шарику упасть из области низкого.
Опыт 3: Столкновение двух корабликов:
З апустим два кораблика в одном направлении.Они начнут сближаться и столкнутся.
Между бортами получается как бы водяной канал.
В узком месте между корабликами давление оказывается ниже, чем в пространстве вокруг них, более высокое давление окружающей воды сближает их и сталкивает.
Историческая справка: Именно закон Бернулли позволил понять, почему в 1912 году небольшой броненосный крейсер “Гаук”, проходя мимо самого большого корабля в мире “Олимпик”, когда корабли приняли положение, как показано на рисунке, словно повинуясь какой-то невидимой силе, “Гаук”неожиданно повернулся носом к “Олимпику”, и не слушаясь руля, двинулся прямо на него и проделал в борту «Олимпика» большую пробоину. В этом же году затонул двойник «Олимпика» - “Титаник”, который не сумел избежать столкновения с айсбергом.
Как вы думаете, что стало причиной кораблекрушения? В данном случае, между движущимися в одном направлении кораблями образовался канал с текущей в обратную сторону водой. А в струе воды давление меньше, чем вокруг, в покоящемся океане. Огромная разность давлений заставила более легкий корабль врезаться в “плавучий город” “Олимпик”, поэтому и “Титаник” не сумел избежать столкновения с айсбергом. Этот пример показывает, что явление Бернулли пройсходит не только на атмосфере, но и на море.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы живем на дне огромного воздушного океана, который называется атмосфера. Слово это («атмос» - воздух, «сфера» - шар) ввел в русский язык М.Ю. Ломоносов.
Если человек не чувствует давление воздуха, потому что внешнее и внутреннее давление уравновешиваются, значит давление проявляет себя в ситуации, когда рядом давления нет или оно очень мало.
Мы собрали большой исторический и теоретическии материал по атмосферному давлению. Проведены качественные эксперименты, подтвердившие известные свойства атмосферного давления.
Однако идея нашей работы не научиться измерять атмосферное давление, а показать, что оно существует. На промышленной основе выпускается только один прибор «Шар Паскаля» для демонстраций закона распространения давления внутри жидкости и газов. Мы изготовили множество простых приборов основанных на действии атмосферного давления и показывающих существование атмосферного давления. На оснаваний этих приборов можно ввести понятие атмосферного давления и показать на занимательных опытах действие атмосферного давления.
Для изготовления приборов не требуется дефицитных материалов. Устройства приборов предельно простое, размеры и параметры не требуют особой точности, хорошо согласуется с имеющимися приборами кабинета физики.
Результаты нашей работы могут быть использованы для демонстрации свойств атмосферного давления на уроках и кружковых- факультативных занятиях по физике.
ЛИТЕРАТУРА
1. «Опытно-экспериментальная и практическая направленность в преподавании физики» Составители: К.А.Есмагамбетов; М.Г.Мукашев г.Актобе, 2002, 46стр.
2. К.А.Есмагамбетов «Оқытудың үш өлшемдік әдістемелік жүйесі: эксперименттік зерттеу мен нәтиже». Актобе, 2010.- 62 бет.
3. П.Л.Головин. Школьный физико-технический кружок. М.:«Просвещение»1991
4. С.А. Хорошавин. Физико-техническое моделирование. М.:Просвещение 1988. –207 стр.
5. Современный урок физики в средней школе. Под редакцией В.Г.Разумовского,
Л.С.Хижняковой М. : «Просвещение» 1983 г. –224 стр.
6. Е.Н. Горячкин. Лабораторная техника и ремесленные приемы.М.: «Просвещение»
1969. –472 стр.
7. Журнал Физика в школе №6 1984г. С.А.Хорошовин «Демонстрационный эксперимент как источник знаний учащихся» стр.56.
Немецкий физик, инженер и философ Отто фон Герике родился в Магдебурге 20 ноября 1602 года. По окончании городского училища он продолжил обучение в университетах Лейпцига, Хельмштадта, Йены и Лейдена.
Некоторое время служил инженером в Швеции. Особенно его интересовала физика, прикладная математика, механика и фортификация. Юность Герике пришлась на начало жестокой Тридцатилетней войны. Как стратегически важный центр восточной Германии Магдебург неоднократно переходил из рук в руки, а в 1631 году был практически полностью разрушен. Герике, как члену городского совета, пришлось в эти годы проявить не только выдающиеся инженерные, но и незаурядные дипломатические способности. За заслуги в защите и восстановлении Магдебурга в 1646 году он был избран бургомистром города и занимал этот пост в течение 30 лет.Будучи далеко не кабинетным ученым, Герике на протяжении всей жизни интересовался естественными науками. Для проверки постулата Аристотеля - природа не терпит пустот - он изобрел воздушный насос, с помощью которого в 1654 году осуществил свой знаменитый опыт с магдебургскими полушариями. Для выполнения опыта было изготовлено два медных полушария диаметром 14 дюймов (35,6 см), одно из которых было снабжено трубкой для откачивания воздуха. Эти полушария сложили вместе, а между ними поместили кожаное кольцо, пропитанное расплавленным воском. Затем с помощью насоса откачали воздух из полости, образовавшейся между полушариями. На каждом из полушарий имелись железные кольца, в которые были впряжены две упряжки лошадей. В 1654 году, в Регенсбурге, фон Герике продемонстрировал эксперимент Рейхстагу в присутствии императора Фердинанда III. После выкачивания из сферы воздуха, 16 лошадей, по 8 с каждой стороны, не смогли разорвать полушария, однако когда внутрь полушарий впустили воздух, они распались без усилия. Неизвестно, использовались ли лошади с обеих сторон для большей зрелищности или по незнанию самого физика, ведь можно было заменить половину лошадей неподвижным креплением, без потери силы воздействия на полушария. В 1656 Герике повторял эксперимент в Магдебурге, а 1663 в Берлине с 24 лошадьми. В соответствии с более поздними расчётами, для преодоления усилия необходимо было впрячь 13 сильных ломовых лошадей с каждой стороны.
Рисунок Гаспара Шотта «Магдебургские полушария».
Опыт с магдебургскими полушариями доказал наличие атмосферного давления и до сих пор излагается в курсах общей физики по всему миру. Оригинальные полушария и насос хранятся в Немецком музее в Мюнхене. Развивая эту тему, в 1660 году Герике построил первый водяной барометр и использовал его для метеорологических наблюдений, изобрел гигрометр, сконструировал воздушный термометр, манометр.
Круг интересов Герике, однако, не ограничился данным разделом физики. В 1660 году он создал одну из первых электростатических машин - шар из серы размером с мяч средней величины, насаженный на железную ось. Вращая шар и натирая его ладонями, Герике получал электричество. С помощью этого прибора он изучал электрические явления: обнаружил электростатическое отталкивание, электрическое свечение (наэлектризованный серный шар светился в темноте).
Многочисленные физические опыты еще при жизни принесли ученому признание и уважительное прозвище немецкого Галилея. Занимаясь астрономией, он высказал мнение о том, что кометы могут возвращаться. Герике установил также упругость и весомость воздуха, его способность поддерживать горение и дыхание, проводить звук. Доказал наличие в воздухе паров воды. В 1666 году первым среди ученых он был удостоен дворянского звания и стал именоваться Отто фон Герике. Умер учёный в Гамбурге 11 мая 1686 года.
Опыт с магдебургскими полушариями так впечатлил современников, что герцоги Брауншвейг-Вольфенбюттельские использовали его изображение на памятных талерах 1702 года в качестве аллегории. Правившие с 1685 года совместно, два брата-герцога поссорились. Антон Ульрих приревновал свою жену Елизавету Юлиану Гольштейн-Норбургскую к Рудольфу Августу, что привело к их разрыву. В марте 1702 года Антон Ульрих был отрешён от власти и бежал в Саксен-Гота. По этому поводу был выпущен так называемый «люфтпумпенталер», - талер с воздушным насосом. На его аверсе изображены две лошади, тщетно разрывающие магдебургские полушария. Сцепившиеся полусферы - символ неразрывного союза двух брауншвейгских правителей. На реверсе - без всяких усилий два полушария разваливаются, потому что женская рука открыла на них вентиль, и внутрь попал воздух. Дворцовую склоку гравёр иллюстрировал при помощи физических приборов. После смерти Рудольфа Августа в 1704 году, Антон Ульрих вернулся к правлению.
Брауншвейг-Вольфенбюттель. Рудольф Август и Антон Ульрих, 1685-1704. Люфтпумпенталер, 1702, Гослар. В честь братского единства. 29,36 г. Аверс: две лошади тщетно разрывают магдебургские полушария с аббревиатурой RAV, позади них символ целомудрия единорог и орел с молниями в лапах, надпись QVOD VI NON POTVIT (что не могли заставить). Реверс: на пьедестале два раскрытых полушария и женская рука, открывающая вентиль, выше лента с текстом DISIECTVM EST ARTE MINISTRA (рассеяно искусственно).
Брауншвейг-Вольфенбюттель. Рудольф Август и Антон Ульрих, 1685-1704. Люфтпумпенталер, 1702, Гослар. В честь братского единства. Аверс: две лошади тщетно разрывают магдебургские полушария с аббревиатурой RAV, позади них единорог и молнии, бьющие из облака, надпись NON VI (не насилием). Реверс: на пьедестале два раскрытых полушария и женская рука, открывающая вентиль, выше лента с текстом SED ARTE (но искусством).
К 375-летию рождения Отто фон Герике в ГДР была отчеканена памятная монета номиналом 10 марок.
ГДР. 10 марок, 1977. 375-летие рождения Отто фон Герике. Ag 500; 31 мм; 17 г. Тираж: 49 434 штук.
ГДР. 10 марок, 1977. 375-летие рождения Отто фон Герике. С надписью «Проба». Ag 500; 31 мм; 17 г. Тираж: 6 000 штук.
К 250-й годовщине смерти Отто фон Герике в Третьем Рейхе была отчеканена памятная медаль и выпущена почтовая марка.
Бронзовая медаль, 1936. 250-я годовщина смерти Отто фон Герике. 97 мм. Гравёр: Рудольф Босселт (1874-1938). Аверс: бюст Герике; реверс: герб Магдебурга и надпись «Ehrengabe der Stadt Magdeburg» (Почетный дар города Магдебурга).
Третий Рейх. Почтовая марка, 1936. 250-я годовщина смерти Отто фон Герике.
В ГДР и ФРГ также выпускались почтовые марки, посвященные Отто фон Герике и его изобретению.
ГДР. Почтовая марка, 1969. Опыт с магдебургскими полушариями.
ГДР. Почтовая марка, 1977. 375-летие рождения Отто фон Герике.
Германия. Почтовая марка, 2002. 400-летие рождения Отто фон Герике.
Немецкий ученый, изобретатель и политик. Более всего известен работой над физикой вакуума, созданием экспериментальной техники для демонстрации электростатического отталкивания и выступлениями в поддержку теорий "дистанционного взаимодействия" и "абсолютного пространства".
Легендарные "магдебургские полушария" в свое время произвели в Германии немалый фурор. Физик Отто фон Герике соединил две полусферы, выкачал из них воздух и продемонстрировал, что воздух на эту конструкцию давит с такой силой, что разорвать сферу не могут даже 16 лошадей. Опыты с вакуумом, впрочем, были отнюдь не единственным увлечением фон Герике – немало полезного физик сделал и для будущих поколений специалистов по электростатике, и в качестве общественного деятеля для жителей Магдебурга.
Родился фон Герике в Магдебурге, Германия (Magdeburg, Germany). В 1617-м он стал студентом Лейпцигского Университета (Leipzig University). Тридцатилетняя война помешала Отто продолжить учебу в Лейпциге и вынудила искать удачи в других учебных заведениях страны. Завершил учебу свою фон Герике 9-месячной поездкой во Францию (France) и Англию (England). Вернувшись в Магдебург в 1626-м, фон Герике женился.
Отто фон Герике не разделял энтузиазм горожан по поводу Густава II Адольфа (Gustavus Adolphus), что, впрочем, не особо помогло ему при последовавшем падении Магдебурга в мае 1631-го. Фон Герике повезло остаться в живых, хотя свободы и большей части состояния он все же лишился. Некоторое время он работал инженером; вернуться в Магдебург семье его удалось лишь в феврале 1632-го. Следующие 10 лет фон Герике активно участвовал в восстановлении изрядно порушенного города; немало времени Отто уделял общественной деятельности – ему даже довелось некоторое время пробыть бургомистром. Нередко фон Герике принимал участие в дипломатических миссиях.
В 1654-м Отто фон Герике довелось продемонстрировать свои эксперименты с вакуумом высшим чинам Священной Римской импе
рии. Через некоторое время труды фон Герике привлекли внимание Роберта Бойля (Robert Boyle); тот в свое время вел аналогичные исследования и работами немца был в высшей степени заинтересован.
Фон Герике продолжал вести довольно активную научную деятельность; более всего концентрировался он над своим "трудом жизни" – книгой "Ottonis de Guericke Experimenta Nova (ut vocantur) Magdeburgica de Vacuo Spatio". Отто тщательно документировал эксперименты с вакуумом и электростатикой; попутно ему удалось первому в мире явственно продемонстрировать электростатическое отталкивание. Сам фон Герике утверждал, что окончательно работа над книгой закончились 14 мая 1663-го; публикация, однако, была отложена на целых 9 лет.
В 60-х годах 17-го века стало ясно, что все попытки Магдебурга вообще и фон Герике в частности выбить городу статус свободного провалились; горожане подписали соглашение, по которому принимали в своих стенах гарнизон бранденбургских солдат и соглашались платить дань курфюрсту Фридриху Вильгельму I (Great Elector, Friedrich Wilhelm I of Brandenburg). Фон Герике, впрочем, это во многих отношениях пошло на пользу – курфюрст был активным покровителем наук. Вышедшая в печать "Experimenta Nova" даже содержала посвящение Фридриху Вильгельму; к тому времени курфюрсту ученый был обязан многим. В 1666-м Отто фон Герике удостоился еще и дворянского титула от императора Леопольда I (Leopold I). Именно тогда Отто сменил фамилию с "Герике" ("Gericke") на "Гуэрике" ("Guericke") и добавил в имя приставку "фон".
В 1667-м фон Герике внял довольно долго поступавшим запросам и освободил занимаемые ранее должности гражданского толка. В 1681-м Отто фон Герике и его вторая жена Доротея покинули Магдебург, спасаясь от начавшейся чумы; осели супруги у сына фон Герике, Ганса Отто (Hans Otto), в Гамбурге (Hamburg). В Гамбурге Отто фон Герике и скончался; случилось это 11 мая 1686-го года. Тело фон Герике было захоронено в Магдебурге.
Отто фон Герике родился 20 ноября 1602 года в городе Магдебург, Германия. Вырос в семье зажиточных магдебургских горожан. Молодой человек учился в университетах Лейпцига, Гельмштадта, Лейдена. Некоторое время служил инженером в Швеции. Особенно его интересовала физика, прикладная математика, механика и фортификация. Юность Герике пришлась на начало жестокой Тридцатилетней войны.
Как стратегически важный центр восточной Германии Магдебург неоднократно переходил из рук в руки, а в 1631 году оказался практически полностью разрушен. Герике, как члену городского совета, пришлось в эти годы проявить не только выдающиеся инженерные, но и незаурядные дипломатические способности. За заслуги в защите и восстановлении Магдебурга в 1646 году избран бургомистром города и занимал этот пост в течение тридцати лет.
В сентябре 1642 года Отто начал довольно опасную и скользкую дипломатическую деятельность: поехав ко двору саксонского курфюрста в Дрездене, чтобы там добиваться смягчения жесткого саксонского военного режима в Магдебурге. Далее принимал участие, в частности, в заключении Вестфальского мира, в работе Конгрессе по исполнению мира в Нюрнберге и в роспуске Регенсбургского райхстага.
В 1660-е годы стало очевидно, что не удастся достичь цели, ради которой Герике посвятил двадцать лет дипломатической работы: добиться для Магдебурга статуса вольного города в пределах Священной Римской империи. В 1666 году вынужден подписать Клостербергское соглашение, согласно которому Магдебург принимал гарнизон бранденбургских солдат и платил налоги Фридриху Вильгельму I. Хоть этот великий курфюрст не дал осуществиться политическим амбициям магдебуржцев, отношения между ним и Герике являлись довольно теплые. Правитель Бранденбурга оказался меценатом и поддерживал развитие науки.
В 1676 году Отто Герике по состоянию здоровья отказался от должности бургомистра, и только через два года магистрат согласился с этим отказом и объявил его пенсионером. В январе 1681 года, под предлогом того, что Магдебургу грозит эпидемия чумы, Герике с женой Доротеей перебрался к сыну Отто Гансу, который жил в Гамбурге.
Известен благодаря своим опытам по исследованию свойств атмосферного воздуха. Ученый доказал наличие атмосферного давления, изучил свойства упругости, плотности и весомости воздуха. Также доказал, что воздушная среда является проводником звука и поддерживает горение. Изобрел воздушный насос.
В истории широко известен опыт Герике с «магдебургскими полушариями», описанный в его знаменитом трактате «Новые, так называемые магдебургские опыты с пустым пространством». При большом скоплении народа, под руководством Отто фон Герике, две медные полусферы сложены вместе, воздух из пространства между ними откачан насосом. После этого шестнадцать лошадей не смогли разорвать полусферы, удерживаемые атмосферным давлением. Опыт повторяли многократно в разных городах, впоследствии Отто фон Герике довел число лошадей до двадцати четырех.
Кроме изучения воздуха, физик известен благодаря опытам по исследованию электричества. Описывая явления электрического отталкивания и электролюминесценции, сконструировал электростатическую машину, проводил множество опытов по изучению магнетизма.
Отто является автором первого водяного барометра, гигрометра, манометра и воздушного термометра. Физик систематизировал множество наблюдений за погодой. Увлекался астрономией, придерживался гелиоцентрической системы. Также много внимания уделял философии и правоведению. Долгое время работал в Швеции как инженер и механик.
Выдающийся ученый Отто фон Герике скончался 11 мая 1686 года. Через двенадцать дней его похоронили в Магдебурге, в церкви святого Ульриха, а 2 июля того же года перезахоронили в магдебургской церкви святого Иоанна, в склепе Алеманнов - Герике.
Учился правоведению, математике и механике в Лейпциге, Йене и Лейдене. Некоторое время служил инженером в Швеции. С 1646 г. - бургомистр Магдебурга . В 1650 изобрёл вакуумную откачку и применил своё изобретение для изучения свойств вакуума и роли воздуха в процессе горения и для дыхания человека. В 1654 году провёл известный эксперимент с Магдебургскими полушариями, который доказал наличие давления воздуха; установил упругость и весомость воздуха, способность поддерживать горение, проводить звук.
В 1657 году изобрел водяной барометр, с помощью которого в 1660 году предсказал надвигающуюся бурю за 2 часа до ее появления, таким образом, войдя в историю как один из первых метеорологов.
В 1663 изобрёл один из первых электростатических генераторов, производящих электричество трением - шар из серы, натираемый руками. В 1672 году обнаружил, что заряженный шар потрескивает и светится в темноте (первым наблюдал электролюминесценцию). Кроме того, им было обнаружено свойство электрического отталкивания однополярно заряженных предметов.
Научная деятельность
Невзирая на столь явную наклонность к научным занятиям, Отто фон Герике никогда не уклонялся от возлагаемых на него его родным городом гражданских обязанностей и, приняв на себя почетную должность бургомистра города Магдебурга чуть ли не в самое смутное для страны время, был принужден постоянно отлучаться для исполнения разных дипломатический поручений; если еще прибавим, что в этой хлопотливой должности он состоял 32 года, а раньше этого побывал и в плену, и на военной службе, и занимался постройкой укреплений и мостов, то нельзя не удивиться той настойчивости, с которой он в свободные дни и часы предавался любимым занятиям физикой и такому значительному числу изобретений и новых опытов, которыми он обогатил науку и подробное описание которых оставил в своей знаменитой книге: «Ottonis de Guericke Experivmenta Nova (ut vacantus) Magdeburgica».
Как физик, Герике был прежде всего экспериментатором, вполне понимавшим научное значение опыта, что в его время можно считать признаком гениальности. В 17 столетии еще очень трудно было отрешится от схоластического направления, так долго господствовавшего в науке и приучить свой ум к самостоятельной оценке наблюдаемых явлений. Между учеными лишь немногие могли сказать как Герике:
Эксперименты с вакуумом
Не зная еще ничего об изобретении ртутного барометра (1643 год) и о так называемой торричеллиевой пустоте, Герике настойчиво стремился разрушить путем опыта старинный философский спор о пустом пространстве. И вот, около 1650 года, результатом этой настойчивости является изобретение воздушного насоса.
Герике, как известно, сначала не считал возможным выкачивать воздух непосредственно и хотел образовать пустое пространство в герметически закрытой бочке посредством удаления наполнявшей ее воды. С этой целью он ко дну бочки приделал насос, думая, что только при таком расположении прибора вода будет следовать за поршнем насоса вследствие своей тяжести. Отсюда видим, что вначале у Герике не было еще определенного понятия об атмосферном давлении и вообще об упругости воздуха. Когда эта первая попытка не удалась, так как в образующуюся пустоту сквозь щели и поры бочки проникал с шипением наружный воздух, Герике попробовал поместить свою бочку в другую, тоже наполненную водою, предполагая этим способом предохранить пустоту от устремляющегося в нее воздуха снаружи. Но и на этот раз опыт оказался неудачным, ибо вода из наружной бочки под влиянием атмосферного давления протекала сквозь поры во внутреннюю и наполняла пустоту. Тогда, наконец, Герике решился приложить насос к непосредственному выкачиванию воздуха из медного шарообразного сосуда, все еще придерживаясь своего ложного предположения, что и воздух, подобно воде, может следовать за поршнем насоса только благодаря своей тяжести, поэтому и теперь насос был привинчен внизу сосуда и расположен вертикально. Результат выкачивания был совсем неожиданным и напугал всех присутствующих: медный шар не выдержал внешнего давления и с треском был скомкан и сплюснут. Это заставило Герике приготовлять для следующих опытов резервуары более прочные и более правильной формы. Неудобное расположение насоса вскоре принудило Герике устроить специальный для всего прибора треножник и приделать к поршню рычаг; таким образом был устроен первый воздушный насос, названный автором Antlia pneumatica. Конечно, прибор был еще очень далек от совершенства и требовал не менее трех человек для манипуляций с поршнем и кранами, погруженными в воду, для лучшей изоляции образующейся пустоты от наружного воздуха.
