Данный аспект приводит к тому, что биметаллическая полоса изогнуты относительно компонента с меньшим коэффициентом термического расширения. Это изгибающее движение может быть использовано как для перемещения стрелки на приборе, так и для сжатия вакуумной капсулы барометра, что служит для компенсации температурных изменений.
Кто придумал барометр и когда его изобрели – история создания прибора
Барометр — это устройство, предназначенное для измерения атмосферного давления. Это довольно признанный инструмент, который был создан в семнадцатом веке. Тем не менее, не каждой осведомленности подлежит тот факт, кто именно является его создателем. Общепринятое мнение утверждает, что данный прибор был разработан итальянским физиком и математиком Эванджелисто Торричелли, работавшим над этим проектом в середине 1600-х годов. Первоначальная версия его конструкции представляла собой ртутную пластину и пробирку, с течением времени подвергшуюся нескольким изменениям и улучшениям.
- Первые попытки изобрести барометр
- Исследования Галилео и Берти
- Вклад Торричелли
- Последующие исследования
- Изобретение анероидного барометра
- Интересные факты
Первые попытки изобрести барометр
Согласно историческим данным, барометр был изобретен Эванджелисто Торричелли в 1643 году. Однако имеется мнение, что еще до него Гаспаро Берти проводил эксперименты с водяным барометром, и его работы датируются периодом с 1640 по 1643 год.
Исследования Галилео и Берти
Гаспаро Берти, родившийся в Мантуе, большую часть своей жизни провел в Риме. Он стал известен благодаря своим экспериментам, в ходе которых сумел создать работающий барометр. Однако датировка его экспериментов остается предметом обсуждения историков, и наиболее вероятным считается период с 1640 по 1643 год.
В 1630 году Джованни Батиста Бальяни направил Галилею письмо, в котором сообщал о том, что насос его сифона не способен поднимать воду выше 10 метров. В ответ на это Галилей выдвинул предположение, что причина заключается в том, что вакуум, созданный в сифоне, не позволяет поднять больше жидкости.
Идеи Галилея вскоре стали широко известными в Риме, после чего Гаспаро Берти провел совместный эксперимент с Рафаэлем Маджотти. В этом эксперименте ученые пытались выяснить, существует ли вакуум. В частности, Берти изготовил трубку длиной 11 метров, заполненную водой, которую запечатали с обеих сторон. Затем один конец трубки был погружен в воду, после чего её открыли. Часть жидкости вышла, но около 10 метров оставались заполненными водой.
Вклад Торричелли
Только в 1643 году Эванджелисто Торричелли, ученик Галилея, вместе со своим коллегой Винченцо Вивиани подтвердил концепции великого ученого, впервые доказав существование атмосферного давления. В этом опыте Торричелли использовал трубку, запаянную с одного конца, которую наполнил ртутью. Затем он погрузил её открытым концом в контейнер, наполненный ртутью. В результате ртуть в трубке поднялась на определенную высоту, создавая над ней вакуум.
Следует отметить, что при увеличении атмосферного давления уровень ртути в трубке поднимался, а при снижении атмосферного давления – опускался. Таким образом, устройство, разработанное Торричелли, стало первым ртутным барометром. Однако у него был один серьезный недостаток: конструкция прибора делала его не только непрактичным для использования в быту, но и опасным из-за риска утечки ртути, что представляло опасность для здоровья людей.
Последующие исследования
Разработка барометра не остановилась на этом. Многочисленные ученые продолжали вносить свой вклад в развитие этого устройства. Известный британский ученый Роберт Гук в 1670 году соединил весы с барометром, позволяя определить, что низкое давление на шкале может предсказывать надвигающиеся шторма, а высокое — предостерегать о хорошей погоде.
Следующим значимым шагом в научных изысканиях стало создание гидробарометра, который начал свою историю в 1657 году благодаря Отто фон Герике. Его концепция основывалась на длинной медной трубке, нижняя часть которой помещалась в резервуар с водой, а верхняя часть была подключена к воздушному насосу и оснащена специальным краном.
После того как воздух был выкачан из трубки, вода поднялась на высоту 19 локтей. При этом, закрыв кран и отключив барометр от насоса, ученый заметил отчетливую зависимость между погодными условиями и высотой воды в трубке. В 1660 году он благодарил свой прибор за предсказание сильнейшей бури в Магдебурге всего за два часа до её прихода, что вызвало удивление среди местного населения.
Изобретение анероидного барометра
Со временем ртутный барометр стал уступать место анероидному барометру. Идея создания устройства без использования ртути принадлежит немецкому ученому Готфриду Лейбницу. Такие приборы стали называться «анаэроидными» — что в переводе с греческого означает «безводный».
Первое подобное устройство было разработано французским первооткрывателем Люсьеном Види. Его конструкция представляла собой цилиндр из гофрированного металла, из которого был вакуумирован воздух. По мере роста давления цилиндр сжимался, в то время как при падении давления он расширялся.
На крышке цилиндра находилась пружина, соединенная со стрелкой на манометре, которая отображала параметры атмосферного давления. Хотя информация, полученная с помощью анаэроидного барометра, была менее точной, чем у ртутных и водяных устройств, его безопасность и удобство в использовании в домашних условиях сделали его более популярным.
К концу XVII века барометры начали широко использоваться для метеорологических прогнозов, где главной задачей оставалось определение надвигающихся ураганов. В XVIII веке некоторые образцы барометров стали применяться как элементы декора в помещениях, а в XIX веке ртутные и другие приборы на жидкостной основе практически полностью были заменены анероидными аналогами.
Кто изобрел?
Общепринято считать, что ртутный барометр был изобретен в 1644 году молодым итальянским физиком и математиком Эванджелисто Торричелли. Он был учеником знаменитого Галилео Галилея и сделал значимый вклад в различные науки, включая математику, механику, гидравлику и оптику. Тем не менее, в рамках истории физики его имя стало синонимом первого демонстрационного эксперимента, который наглядно продемонстрировал атмосферное давление и позволил создать первый в мире барометр.
До середины XVII века греческий философ Аристотель утверждал, что жидкость в насосе поднимается за поршнем в силу своего «естественного» стремления заполнить вакуум. Однако когда во Флоренции были созданы фонтаны, выяснилось, что вода не поднимается выше 33 или 34 футов. Архитекторы обратились за решением к Галилею, который поручил своей ученице Вивиани Торричелли разобраться с данной проблемой. В результате он удалось установить, что чем более плотный предмет находится в жидкости, тем меньшая высота воды может быть достигнута в цилиндрической части.
В ходе своих исследований 1643 года Эванджелиста Торричелли обосновал, что пространство над ртутью в трубке является пустым, и объяснил, почему жидкая ртуть не возвращается в сосуд — атмосферный воздух давит на поверхность и создает вес, позволяя ртути находиться в состоянии равновесия.
Ртутный барометр, изобретенный итальянским ученым, был описан (вместе с другими его открытиями) в труде «Opera geometrica».
Устройство
Стандартный ртутный барометр представляет собой стеклянную трубку длиной примерно 80 см и диаметром около 3 мм, которая закрыта с одного конца и открыта с другого. Внутри трубки находится ртуть. Открытый конец трубки устанавливается вертикально в резервуар с ртутью, что и приводит к распространенному названию данного прибора — мензурный барометр. В этом стеклянном сосуде отсутствует воздух, а пространство, насыщенное водяным паром в верхней части, называют вакуумом Торричелли в честь его создателя. К стеклянной трубке прикреплена шкала, позволяющая измерять высоту столба ртути.
Принцип работы
Высота столбика ртути в стеклянной трубке служит показателем атмосферного давления. Ртуть в резервуаре может подниматься или опускаться в зависимости от атмосферного давления, а соответствующий уровень ртути фиксируется с помощью специального поплавка. Этот поплавок остается зафиксированным на уровне, который указывает величину давления в миллиметрах. Нормальным считается значение атмосферного давления в 760 миллиметров ртутного столба (мм рт. ст.).
Если показания превышают это значение, это свидетельствует о росте атмосферного давления, в то время как значения ниже нормального уровня указывают на его снижение.
Под давлением
В ходе совместных экспериментов Торричелли и Вивиани пришли к выводу, что вода заполняет вакуум не из-за страха перед ним, а в силу атмосферного давления. Атмосфера действует на поверхность источника и способствует тому, что вода начинает перемещаться в направлению свободного пространства в трубку насоса, из которой был выкачан воздух и создано состояние вакуума, или зоны низкого давления. Важно понимать, что, хотя вода тяжелее воздуха, давление, создаваемое столбом воздуха высотой в несколько километров, эквивалентно давлению столба воды длиной в 10 метров. Это значит, что атмосферное давление может сжимать воду лишь до 10 метров, поскольку далее оно уравновешивается с давлением воды.
Под действием атмосферного давления (P1) вода поднимается из источника в направлении вакуума, пока её высота (P2) не уравновесится с давлением атмосферы, что и происходит, когда она поднимается приблизительно до 10 метров. Таким образом, давление всей атмосферы, равное 1000 км, соотносится с давлением 10-метрового столба воды или 760 мм ртутного столба.
Вакуум, происходящий от латинского слова vacuus — «пустой», представляет собой пространство без вещества. Полное создание вакуума невозможно, однако на практике вакуум — это область, в которой рутинно фиксируется небольшое количество газа, обеспечивающее давление, значительно ниже атмосферного.
Проверка ртутью
Торричелли подтвердил свои результаты, используя более плотную и тяжелую жидкость — ртуть. Он заполнил стеклянную трубку длиной 1 м, запаянную с одного конца, ртутью и погрузил её открытым концом в ртуть в открытом сосуде. Некоторые части ртути переместились в контейнер и создали в трубке вакуум — его назвали «вакуумом Торричелли». При этом уровень ртути оставался на высоте 760 мм, что свидетельствовало о том, что его вес уравновешивается атмосферным давлением. Таким образом, в 1643 году Торричелли впервые измерил атмосферное давление и создал ртутный барометр, который, являясь наиболее точным устройством для измерения давления, используется и по сей день. В прогнозах погоды можно услышать замечание: «Атмосферное давление в норме и составляет 760 мм ртутного столба».
Давление и погода
Несмотря на то, что люди и животные не ощущают тяжелого влияния атмосферного давления, потому что оно приводится в равновесие нашим кровяным давлением, проблемы могут возникать, когда кровяное давление увеличивается или уменьшается. Это приводит к тому, что люди начинают замечать либо силу своего собственного давления, либо действующее атмосферное давление на своем организме.
Стоит отметить, что атмосферное давление постоянно изменяется. В атмосфере присутствуют циклоны — вихревые зоны с низким давлением, где показатели могут падать до 560 мм рт. ст., а также области высокого давления — антициклоны, которые могут достигать 816 мм рт. ст. Как циклоны, так и антициклоны медленно перемещаются, воздействуя на восприятие людьми окружающей среды и определяя погодные условия. Например, циклон низкого давления создает условия для появления облаков, дождя или снега, в то время как высокое давление антициклона вытесняет влагу, формируя ясную и сухую погоду. Измеряя атмосферное давление, можно предсказывать изменения погоды, используя для этого барометр.
