大気圧。科学的発見の歴史と本質

最も重要な科学的発見
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大気圧。科学的発見の歴史と本質

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空気の存在は古くから人類に知られていました。紀元前XNUMX世紀に生きたギリシャの思想家アナクシメネス。すなわち、空気は万物の基礎であると考えられています。同時に、空気は、まるで非物質であるかのようにとらえどころのないもの、つまり「精神」です。

古代の原子学者であるデモクリトス、エピクロス、ルクレティウスは、空気の物質的性質を疑っていませんでした。彼らの意見では、その原子は可動性と丸い形をしています。さらに、彼らは魂自体が原子論的性質を持っていると信じていました。魂の原子は特に軽く、小さく、可動性があります。アリストテレスは、空気を XNUMX つの物質要素の XNUMX つとして分類し、空気には重量があると信じており、「空の」膨張した泡を空気で計量する実験によってこれを確認できるとさえ考えていました。アリストテレスは、希薄化された空間の吸引効果をすでに十分に認識しており、この事実から「自然は空を容認しない」という原則を導き出しました。

空気は小さな空隙によって分離された粒子で構成されていると信じていた Reron によって、多数の空気圧装置が発明されました。しかし、彼は自然に反する大きな空隙の存在を考慮し、これにより吸引、ポンプ、サイフォンの作用、および現在大気圧によって説明されている他の現象が説明されました。

中世初期の時代、40世紀に生きたエジプトの科学者アル・ハイタマ（アルガゼナ）は大気の考え方を表現しました。彼は空気に重さがあることを知っただけでなく、空気の密度が高さとともに減少することを知っており、この減少によって大気の屈折を説明しました。薄明の持続時間を観察して、Alhazen は大気の高さを約 XNUMX キロメートルと見積もった。しかし、中世ヨーロッパはアリストテレスの四大元素の概念と「空虚の恐怖」の原則に立ち返り、空気の海の物理的性質の研究を長い間残しました。

空気の海の圧力を実際に測定した最初のものは、イタリアの井戸でした。この事実は、ガリレオの「会話」で次のように説明されています。

サグレドの対話者の一人は、「かつて、バケツよりも簡単に、あるいはより大量の水を得るために、このように考えた誰かが、水をくみ上げるためのポンプを井戸に設置したのを見ました。このポンプにはピストンが付いていました」と語った。上部のバルブが付いているため、下部のバルブを備えたポンプのように圧力ではなく、吸引によって水が上昇します。井戸が一定の高さまで水で満たされている間、ポンプは完全に吸い込んで水を供給しましたが、すぐに水位がこのレベルを下回ると、ポンプが作動しなくなりました。このようなケースに初めて気づき、ポンプが損傷したのではないかと思い、修理業者に電話しました。しかし、修理業者は、すべて正常であるが、修理業者は次のように述べました。水はポンプで汲み上げることができない深さまで落ちていたが、ポンプや吸引によって水を引き上げる他の機械を使っても、水を髪の毛の幅XNUMXキュビト以上に上げることは不可能であると彼は付け加えた。ポンプが広くても狭くても、最大高さは変わりません。」

ガリレオ 18キュビトの水柱の最大高さは「虚空への恐怖」の尺度であると信じていました. 「銅は水の XNUMX 倍の重さなので、空虚への恐怖による銅棒の破裂に対する抵抗力は、同じ太さの棒の XNUMX キュビトの重さに等しい」とガリレオは Conversations に書いています。

言い換えれば、「ボイドの恐れ」（つまり、大気圧の力）は、10メートルの水柱の重量、または1,12メートルの高さの銅柱の重量のいずれかによってバランスがとられています。ガリレオ、1平方センチメートルあたり約XNUMXキログラム。したがって、開業医は大気圧の力を十分な精度で推定し、ガリレオの計算は正しいですが、イタリアの巨匠による彼の観察の解釈は本質的にまだ学問的です。さらなる一歩を踏み出す必要がありました。 Torricelliによって作られました。

エヴァンジェリスタ・トリチェッリ (1608 ～ 1647 年) は、イタリアのファエンツァで貴族の家庭に生まれました。早くに父親を亡くしたトリチェリは、学識ある修道士である叔父に育てられ、叔父は彼をイエズス会の学校に通わせた。

1577 歳のとき、トリチェリは数学の教育を続けるためにローマに送られました。ローマでは、エヴァンジェリスタはガリレオの弟子で信奉者のベンデット・カステッリ（1644年 - XNUMX年）と親しくなった。カステッリはドミニコ会の司祭であり数学の教授でした。彼は早くからガリレオの教えに加わり、偉大な科学者の忠実な助手および友人になりました。

1632年にガリレオの有名な「世界の1638つのシステムに関する対話」が出版され、XNUMX年に彼の最後の最も重要な作品「XNUMXつの科学に関する会話」が出版されました。このエッセイはトリチェッリに強い影響を与え、彼の影響下で彼はガリレオのアイデアを発展させたエッセイ「自然加速運動について」を書いた。

トリチェリの原稿である彼の教師であるカステッリは、ローマを離れてヴェネツィアに向かい、ガリレオを訪ねた後、彼を連れて行き、彼を彼女に紹介しました。ガリレオはトリチェリの研究がとても好きだったので、彼は若い科学者を彼の場所に招待しました。

1641 年 1642 月、トリチェリはアルチェトリに到着し、対話の完成に取り組み始めましたが、ガリレオとの共同作業は長くは続きませんでした。ガリレオは XNUMX 年 XNUMX 月に亡くなりました。

トスカーナ公は、トリチェリにガリレオのポストに就くよう招待しました。トリチェリは同意し、残りの短い人生をこの地位で過ごしました。

ガリレオの死後、彼の弟子であるトリチェリとヴィヴィアーニは密接に協力して仕事をしました。彼らの主な仕事は、実験方法を検証することでした。他にも何人かがトリチェリとヴィヴィアーニに加わった。このサークルから、トリチェリの死から 19 年後の 1657 年 XNUMX 月 XNUMX 日に組織設計を受けた有名なフィレンツェエクスペリエンスアカデミーが誕生しました。

トリチェリはすでにローマ時代に、大気海洋圧力の発見という根本的な発見の入り口に立っていました。しかし今のところ、新たな力関係が彼の注意を引いている。カステッリがガリレオに提出した著作「自然加速運動について」は、1641 年にフィレンツェで「重体の運動に関する論文」というタイトルでイタリア語で増補版が出版されました（この論文のラテン語訳は 1644 つに分かれています）本は XNUMX 年に出版されました)、トリチェッリはガリレオ力学を開発しました。

トリチェリは、空気抵抗のない均一な重力場で投げられた物体の軌道の弾道問題を解決した最初の科学者になりました。

力学に関するトリチェリの研究の最も顕著な成果は、容器の穴からの流体の流れの法則を発見したことです。この発見は、彼の師であるカステリの研究と相まって、彼を水力学の創始者として名声を高めました。

そして最後に、トリチェリは最大の発見をします。彼は、水銀柱の重さで大気の重さを測るというアイデアを思いつきました。 1643年、トリチェリの指示により、トリチェリの友人ヴィンチェンツォ・ヴィヴィアーニが実験を行った。実験はすべての期待に応え、水銀は所定の高さで止まり、その上に「トリセリアンボイド」が形成されました。

その後、トリチェリは 11 つのチューブを使って実験を繰り返しました。このことは、1644 年 XNUMX 月 XNUMX 日付のイタリアの数学者リッチへの手紙で報告されており、有名な実験に関する唯一の出版物です。以下はその手紙の抜粋です。

「…多くの人は、空虚などまったく存在しないと主張しますが、空虚を獲得するには、自然の抵抗を克服し、多大な困難を伴うことによってのみ達成できると言う人もいます。私は、空虚を獲得するときに、反対が明確に検出されるすべての場合において、明らかに全く別の理由によるものを空虚に帰する必要はありませんが、私がこのように言ったのは、一部の科学者は、空虚の形成中に空気の重力によって現れる抵抗の事実を否定することは不可能だと考えているからです。、この抵抗を気圧のせいとはせず、自然が空虚の形成を妨げると頑固に主張します。私たちは空気の海の底に住んでおり、実験は間違いなく空気には重さがあることを証明しています...

私たちは長さ50キュビトの管を備えたガラス瓶をたくさん作りました。私たちは穴を指で押さえながら水銀を詰めました。その後、管を水銀の入ったカップに傾けると、管は空になりましたが、部分的にしか空になりませんでした。各管には、肘と指 3000 本の高さまで水銀が満たされたままでした。ボトル（チューブの上部）が完全に空であることを証明したいため、代わりのカップに水を入れ、チューブを徐々に持ち上げると、穴が水に入ると同時にすぐにそれが確認できました。、水銀とボトル全体がチューブから注ぎ出され、最上部まで急速に水で満たされました。つまり、ボトルは空ですが、水銀はチューブ内に保持されています。これまで、水銀が自然に落下するのを防ぐ力は、管の上部の内側に、空虚または非常に希薄な物質の形で存在すると考えられてきました。私は、その理由が容器の外側にあるとは主張しません。XNUMXxXNUMXステップの空気柱がカップ内の液体の表面を強く押します。液体がガラス管（ガラス管に対して引力も反発力もありません）に入ることは驚くべきことではありません。）外気とのバランスが崩れるまで上昇します。水は同様の、しかしはるかに長い管の中を上昇します。水銀が水より重いのと同じくらいの高さです...」

完全に納得させるために、Torricelli は XNUMX つのパイプを使った実験を設定しました。彼は、水銀が好き嫌いによって保持されていないこと、水銀の上の空間の形状は何の役割も果たさず、それは外気圧の問題にすぎないことを示したい.

「この考慮事項」は同じ手紙で続けています。「実験によって確認され、水銀が常に同じ地平線ABに設置されたXNUMXつのチューブAとBと同時に配置されました。これは、力がないことを完全に信頼できる指標です。内部（真空）、より大きな力が容器ABの内部にある必要があるため、そこでは何かを引き付ける希薄化がより多くなり、非常に小さなスペースBよりも完全な希薄化のためにはるかに強くなければなりません。

Torricelli は、水銀柱の形成の外的原因のさらに重要な証拠を見つけることができました。科学者は、柱の高さが変動する、つまり大気圧が変化することに気付きました。したがって、トリチェリ管は最初の気圧計になりました。気象の科学的観測が始まったのはこの経験からであり、その最も重要な特徴は気圧と温度です。

Torricelli の実験が完璧ではなかったことは注目に値します。彼によって与えられた水銀柱の高さは、フィレンツェの海抜の高さを考慮すると、74,2 センチメートルの水銀に相当します。この値の小さい値は、明らかに、「トリセリアン空隙」にまだいくらかの量の空気が残っているという事実によって説明できます。

虚空への恐怖の教義に対する闘争は、トリチェリの経験で終わらなかった。水銀柱を保持している力についての仮説は、トリチェリの死後もずっと続いていました。有名な体験パスカル（1623–1662）は、気圧計の高さの変化が高さに関連していることを証明し、水気圧計を作成し、Torricelliの結論を確認しました。しかし、ボイルとゲリッケによるエアポンプの発明と、後者によって行われた大気圧の力を実証するための効果的な実験だけが、最終的に空の恐怖の概念を打ち砕きました。ある種の精神的原理としての空気の考えはついに埋葬されました。ゲリッケは、避難した船と船を空気で計量することにより、空気の重さを直接経験することによって証明しました。この経験から、彼は「空気は間違いなく身体的なものである」という主要な結論に至りました。このように、空気はそれが占める場所から除去されて「ボイド」、「真空」を形成することができる物質のタイプのXNUMXつであるという概念が科学で確立されました。

著者: サミン D.K.

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