8 maja 1654 r. w niemieckim Magdeburgu cesarz Ferdynand III i jego świta zademonstrowali spektakularny eksperyment zaprojektowany i przeprowadzony przez burmistrza miasta, niemieckiego naukowca von Glicka. Kilka rzeźb z tamtych czasów odzwierciedla to wydarzenie. Chodzi o półkule magdeburskie. Eksperyment polegał na próbie oddzielenia dwóch metalowych półkul o średnicy około 50 centymetrów, połączonych prostym kontaktem, w celu utworzenia zamkniętej kuli, i nawiasem mówiąc, wypompowania powietrza z kuli za pomocą pompy próżniowej własnego wynalazku. Aby ułatwić uszczelnienie metalowej półkuli lub półkul, między powierzchniami styku umieszczany jest skórzany pierścień. Każda półkula ma kilka pętli, przez które można przeciągnąć linę lub łańcuch, aby można go było przeciągnąć na przeciwne strony.
W tym artykule powiemy Ci wszystko, co musisz wiedzieć o eksperymencie półkul magdeburskich i jego znaczeniu.
Półkule magdeburskie
Jest to urządzenie przeznaczone do wykazania istnienia próżni i ciśnienia atmosferycznego. Składa się z dwóch pustych półkul, a jeśli są ze sobą połączone, a powietrze do środka jest wciągane, powstanie próżnia wewnętrzna. W takich warunkach atmosfera wywiera nacisk na zewnętrzną powierzchnię, co bardzo utrudnia oddzielanie szczątków. W rzeczywistości musiały być bardzo mocne, ponieważ po ewakuacji wnętrza byłyby w stanie je rozerwać pod ciśnieniem atmosferycznym.
Półkule te, nazwane na cześć niemieckiego miasta Magdeburg, zostały użyte do przeprowadzenia dziwnego eksperymentu w 1654 roku. Otto von Guericke, burmistrz miasta i zawodowy fizyk, w obecności elektora brandenburskiego Fryderyka Wilhelma i członków parlamentu w Ratyzbonie ćwiczył odkurzanie na dwóch metalowych półkulach.
Eksperyment
Próbując je rozdzielić, przywiązał jedną półkulę do grupy koni, a drugą do równej liczby koni, ale w przeciwnych kierunkach. Po wielu próbach i ku zaskoczeniu uczestników nie udało się rozdzielić dwóch połówek kuli. Efekt jest podobny do tego, jaki uzyskujemy umieszczając na dole dwa rynny spustowe i dociskając je do siebie. Próżnia jest niekompletna, ale ich rozdzielenie wymaga dużej siły.
Widzowie byli zdumieni, widząc różne grupy mężczyzn ciągnących się na boki z całej siły i nie mogących rozdzielić półkul. Nie mogło ich też początkowo rozdzielić 16 koni, podzielonych na dwie grupy po 8 koni każda. Po ciężkiej pracy osiągnęli swój cel i wywołali spore poruszenie. Półkule tworzące kulki, których otwarcie wymagało dużego wysiłku, można było bez wysiłku oddzielić, po prostu pozwalając powietrzu na ponowne wejście do wnętrza kulek.
W eksperymencie z 2005 r. z 16 końmi w Granadzie, półkul nie można było rozdzielić. Należy pamiętać, że próżnia osiągnięta przez pompy Von Guericke z XVII wieku była niższa niż ta osiągnięta przez nasze nowoczesne pompy próżniowe.
Dlaczego trudno jest oddzielić półkule Magdeburga
Na pierwszą część pytania w tym momencie każdy uczeń szkoły średniej, który dobrze rozumie fizykę, może z łatwością odpowiedzieć. Wszystko na powierzchni Ziemi znajduje się w morzu ciężkiego powietrza, które we wszystkich kierunkach podlega siłom normalnym do jej powierzchni. W ten sam sposób, są odbierane przez półkulę, wewnątrz na zewnątrz i na zewnątrz w. Jeśli raz półkule zostaną zamknięte, tworząc kulę, prawie całe powietrze wewnątrz jest usuwane, a siła na zewnętrznej powierzchni naciska je znacznie bardziej niż powietrze działające na zewnątrz, co utrudnia ich rozdzielenie.
Siła wypadkowa, która ściska dwie półkule, rozłożona w uformowanej kuli, czyli przy założeniu, że podciśnienie osiągane wewnątrz to około 10% powietrza zewnętrznego, muszą pokonać siłę, która ich dzieli, to jest rzędu siedmiu ton wagi.
Druga część pytania, dlaczego mieszkańcy Magdeburga są pod takim wrażeniem? Ma to związek ze znajomością płynów i ich zachowania w czasie. Jesteśmy w XVII wieku i znaczna część środowiska naukowego uważała, że nie da się stworzyć próżni, „terroru próżniowego”, który był przyczyną ruchu płynów, uniemożliwiając mu jego wystąpienie.
Tak więc, popijając płyn ze szklanki przez słomkę, usuwając w ten sposób część zawartego w nim powietrza, horror, jaki odczuwa natura, gdy jest pusty, powoduje unoszenie się płynu. W historycznym momencie przeprowadzania eksperymentów naukowcy tacy jak Torricelli porzucili tę teorię i pokazali, że ciśnienie wywierane przez atmosferę, ciężar powietrza, a nie horror próżni.
Wyjaśnienie eksperymentu
Aby zrozumieć to, czego był świadkiem cesarz Ferdynand III, musimy pamiętać, że nasze życie toczy się w ogromnym oceanie powietrza, a ten, jak każdy płyn, ma masę, więc dana objętość powietrza ma ciężar zdolny do wywarcia na nią siły. on. Ale te siły działają bardziej niż jak stos cegieł umieszczonych na naszych głowach. Sprawy są nieco bardziej skomplikowane ponieważ każdy obiekt zanurzony w tym morzu powietrza poddawany jest zestawowi sił, które mają tendencję do jego ściskania, działając w każdym punkcie na swojej powierzchni. Ponadto siły te są zawsze przykładane prostopadle do danej powierzchni.
Podobnie, jeśli powietrze jest zamknięte w pojemniku, ściany tego pojemnika będą w każdym punkcie doświadczać siły normalnej do jego powierzchni, powodując jej rozszerzenie. Aby lepiej zrozumieć to zjawisko, musimy pamiętać, że powietrze składa się z dużej liczby cząsteczek, które możesz sobie wyobrazić jako mikroskopijne kule, które poruszają się losowo we wszystkich kierunkach, rozbijając się i odbijając wszystko na swojej drodze. Każda z tych małych kolizji wytwarza niewielką siłę, która w połączeniu z niezliczonymi uderzeniami, które pojawiają się non-stop w każdej sekundzie, może wytworzyć całkiem sporo siły. Efektem netto tego stałego oddziaływania molekularnego jest zestaw sił punktowych, które są zawsze prostopadłe do powierzchni uderzenia.
Mam nadzieję, że dzięki tym informacjom można dowiedzieć się więcej o półkulach magdeburskich i ich charakterystyce.