Простые опыты помогают понять, как действует закон бернулли

Закроем стеклянную банку с отшлифованным краем тонкой стеклянной пластинкой и начнем откачивать воздух из банки (рис. 276). Стеклянная пластинка плотно прижмется внешним давлением к банке и, если продолжать откачу, будет раздавлена разностью давлений снаружи и изнутри банки.

Рис. 276. Избыток наружного давления над внутренним продавливает стеклянную пластинку

Одним из первых экспериментов, произведенных для доказательства существования давления воздуха, был знаменитый опыт с «магдебургскими полушариями», выполненный немецким физиком Отто фон Герике в 1654 г. (в г. Магдебурге). Он откачал воздух из двух сложенных вместе медных полушарий, и давление наружного воздуха прижало полушария друг к другу настолько сильно, что их не могли разорвать две упряжки лошадей (рис. 277). Конечно, роль второй упряжки мог бы играть прочный столб, к которому было бы прикреплено одно из полушарий. На рис. 278 представлено видоизменение опыта Герике с подвешенным грузом.

Рис. 277. Гравюра из книги Герике «Новые магдебургские опыты». Разрывание полушарий лошадиными упряжками

Рис. 278. Гравюра из книги Герике «Новые магдебургские опыты». Разрывание полушарий подвешенным грузом

В медицине иногда употребляют пневматические банки, состоящие из стаканчика с резиновым баллоном (рис. 279). Сжав рукой баллон, вытесним из него воздух, и приложим стаканчик к коже. Если теперь отпустить баллон, то вследствие своей упругости он снова примет шарообразную форму, внутренний объем банки увеличится и давление оставшегося в банке воздуха уменьшится. Банка плотно прижмется к коже давлением наружного воздуха. Кожа под банкой сильно краснеет; на ней остается синяк. Кровь, имеющая в теле атмосферное давление, притекает к месту с меньшим давлением. В этом местном притоке крови и состоит назначение банки. При этом воздух, растворенный в крови, расширяясь при уменьшении давления, разрывает мелкие кровеносные сосуды, образуя кровоподтек. Если надавить кожу у края банки и дать доступ наружному воздуху, то давление изнутри и снаружи сравняется и банка сама отпадет.

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.

1. На рисунке 131 изображён водяной барометр, созданный Паскалем в 1646 г. Какой высоты был столб воды в этом барометре при атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст.?

2. В 1654 г. Отто Герике в г. Магдебурге, чтобы доказать существование атмосферного давления, провёл такой опыт. Он выкачал воздух из полости между двумя металлическими полушариями, сложенными вместе. Давление атмосферы так сильно прижало полушария друг к другу, что их не могли разорвать восемь пар лошадей (рис. 132). Вычислите силу, сжимающую полушария, если считать, что она действует на площадь, равную 2800 см2, а атмосферное давление равно 760 мм рт. ст.

3. Из трубки длиной 1 м, запаянной с одного конца и с краном на другом конце, выкачали воздух. Поместив конец с краном в ртуть, открыли кран. Заполнит ли ртуть всю трубку? Если вместо ртути взять воду, заполнит ли она всю трубку?

4. Выразите в гектопаскалях давление, равное: 740 мм рт. ст.; 780 мм рт. ст.

5. Рассмотрите рисунок 130. Ответьте на вопросы.
а) Почему для уравновешивания давления атмосферы, высота которой достигает десятков тысяч километров, достаточно столба ртути высотой около 760 мм?
б) Сила атмосферного давления действует на ртуть, находящуюся в чашке, сверху вниз. Почему же атмосферное давление удерживает столб ртути в трубке?
в) Как повлияло бы наличие воздуха в трубке над ртутью на показания ртутного барометра?
г) Изменится ли показание барометра, если трубку наклонить; опустить глубже в чашку со ртутью?

а) Плотность ртути и давление ее столба намного больше плотности атмосферы.

б) Атмосферное давление удерживает столб ртути в следствие закона Паскаля - это давление передается снизу вверх на столб трути.

в) Сила упругости воздуха не дала бы подняться столбику ртути выше определенного уровня.

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 империи. 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.