آزمایش توریچلی و ویوانی

     

مقدمه:

ارسطو عقیده داشت خاک، آتش، هوا و آب به اضافه ماده ی پنجمی به نام "اتر" یا "جوهره"، عناصر اصلی تشکیل دهنده ی ماده اند.

فضای خالی مطلق نمی تواند وجود داشته باشد: برای ارسطو این مطرح بود"طبیعت از خلأ بیم دارد".

تلمبه ی بالابر که توسط پیشینیان به کار برده می شد در جهت اثبات این نظریه بود.

 

حرکت تلمبه به طرف بالا باعث ایجاد خلأ در زیر پیستون آن می شد. اما از آن جایی که در این دیدگاه، خلأ وجود ندارد، آب به سمت بالا می آید تا فضا را پر کند. وقتی ارتفاعی که آب لازم دارد، از 9 متر کم تر باشد، تمامی این اتفاقات عادی اند؛ اما مشکل وقتی شروع می شود که ارتفاع از 9 متر بالاتر رود!

گالیله برای حل این معما تلاش بسیاری کرد اما قبل از آن که بتواند پاسخ آن را کشف کند، از دنیا رفت.

این مشکل در سال 1643 حل شد. 

توریچلی و ویوانی، به تقلید از گالیله به دنبال کشف معمای تلمبه ی بالابر بودند. آن ها با آزمایش معروف خود، این معما را حل کردند:

هر جرم معینی از هوا وزن دارد!!!

توریچلی و ویوانی چنین استدلال کردند :

اگر هوا وزن دارد، پس وزن هوایی که آب را به پایین و به بیرون از تلمبه فشار می دهد، آب را به سمت بالا خواهد راند. (به بالای استوانه تلمبه)

زمانی که با تلمبه خلأ در حال بالا آوردن آب باشیم، وزن هوا برای بالا بردن ارتفاع آب از 9 متر، کافی نیست.

و اما آزمایش اصلی توریچلی

برای تکرار این آزمایش معروف بایستی یک لوله ی خالی شیشه ای که یک انتهای آن محکم است و اجازه ی ورود هوا به آن داده نمی شود را با جیوه پر کنید.

اندکی در ظرف شیشه ای دیگری جیوه بریزید.

انتهای دیگر لوله ای که در آن جیوه ریخته اید، با انگشت گرفته و آن را وارونه کنید و در ظرف محتوی جیوه فرو کنید.

به تفاوت حالتی که هوا در محفظه وجود دارد و وقتی که هوای محفظه مکیده می شود، دقت کنید... 

حال، انگشت خود را از انتهای لوله بردارید.

جیوه از داخل لوله به درون ظرف می ریزد تا آن جا که وزن ستون جیوه در لوله دقیقا با فشار هوای بیرون یکی شود.

وقتی فشار هوا زیاد می شود، جیوه در لوله بالا می آید و وقتی فشار هوا کاهش پیدا می کند، سطح جیوه نیز پایین می آید.

اندازه واقعی فشار هوا در هر لحظه، بالاترین ارتفاع جیوه در لوله در بالای سطح جیوه ی موجود در ظرف است. تحت شرایط استاندارد در سطح دریا، ارتفاع 29.92 یا 76 سانتی متر خواهد بود.

ویوانی اولین کسی بود که فرض کرد که پایین آمدن جیوه در لوله با وزن هوا (فشار هوا) متوقف می شود. 

زمانی که آزمایش تمام می شود، در بالای لوله شیشه ای، هیچ چیزی به چشم نمی خورد!!! 

پس خلأ می تواند وجود داشته باشد!

پس معمای تلمبه ی بالابر حل شد! 

آب با فشار هوای موجود در لوله به بالا می رود. ارتفاع مکش به طور نظری، 10.33 متر است؛ زیرا وزن هوا در سطح1.033 Kg/cm2دریا است. اما به طور عملی، ارتفاع 9 متری قبلا استثنا شده است.

این آزمایش، اولین گام به سوی اختراع ماشین بخار بود. اولین ماشین های بخار، " ماشین های هوایی" نام داشتند؛ زیرا حرکت مؤثر آن ها با فشار هوا تأمین می شد.

^{طرح ماشین بخار پیشرفته تری توسط نیو کامن}

گفتیم که در آزمایش توریچلی و ویوانی، از جیوه استفاده شد، جیوه 13 بار سنگین تر از آب است.

حال ببینیم علت استفاده از جیوه چیست؟ 

فشارسنج آبی به آب و لوله ای با طول بیش تر از 30 cm نیاز دارد؛

البته در فصل زمستان ممکن است یخ بزند.

به علاوه،

آب و دیگر مایعات رایج، بخار می شوند که فشار بالای لوله را کاهش می دهد؛

در حالی که جیوه ی سرد، بخار بسیار کمی آزاد می کند و اندازه گیری با خطای کم تری انجام می شود.