Magdeburgo pusrutuliai yra klasikinis fizikos eksperimentas, kuris vaizdžiai demonstruoja neįtikėtiną spaudimą, kurį mus supanti atmosfera daro mūsų kūnui ir viskam aplinkui. Šis eksperimentas, atliktas XVII amžiuje, tapo vienu ryškiausių atmosferos slėgio įrodymų fizikos istorijoje ir iki šiol yra plačiai naudojamas šio reiškinio principams iliustruoti.
Eksperimento autorius ir jo gyvenimo kelias
Šio garsaus eksperimento autorius - vokiečių mokslininkas Otas fon Gėrikė (Otto von Guericke). Jis gimė 1602 m. Magdeburge. Iš pradžių jis studijavo teisę ir filosofiją Leipcigo universitete. Po to studijavo Helmstedto „Academia Julia“ bei Jenos ir Leideno universitetuose. 1631 m. Gėrikė buvo paskirtas statybos inžinieriumi, kuriam buvo pavesta atstatyti Magdeburgą po to, kai per Trisdešimtmetį karą jis buvo smarkiai apgriautas. 1646 m. jis buvo išrinktas Magdeburgo burgomeisteriu, vyriausiuoju miesto magistratu. Šias pareigas jis ėjo iki išėjimo į pensiją 1678 m.
Nepaisant viešųjų pareigų, fon Gėrikė vis tiek rado laiko siekti savo mokslinių interesų, iš kurių vienas buvo vakuumo tyrimai. Iki fon Gėrikės, vandens siurbliai galėjo pumpuoti vandenį tik iki tam tikro aukščio. Ši riba buvo trukdis drėkinimo projektuose, kasyklų nutekėjime ir dekoratyviniuose vandens fontanuose, kuriuos planavo Toskanos hercogas, todėl kunigaikštis pavedė Galileo Galilei ištirti problemą. Gasparo Berti taip pat priėmė iššūkį ir sugebėjo sukurti vakuumą virš vandens stulpelio, tačiau jis negalėjo to paaiškinti. Būtent Galileo mokinė Evangelista Toričeli pirmą kartą pateikė įtikinamą argumentą, kad erdvė viršuje yra vakuumas. Taigi kolonos aukštis buvo apribotas iki maksimalaus svorio, kurį galėjo išlaikyti atmosferos slėgis.
Fon Gėrikė padarė proveržį 1640 m., sukonstravęs pirmąjį vakuuminį siurblį. Fon Gėrikės vakuuminis siurblys dirbo su stūmokliu ir galėjo ištuštinti visus indus. Atlikdamas eksperimentus su gyvsidabrio barometru, fon Gėrikė pademonstravo, kad Žemė sulaiko tik ribotą oro kiekį.
Eksperimento esmė ir eiga
Magdeburgo pusrutulių eksperimento esmė - pademonstruoti, kokia didelė jėga reikalinga atskirti du pusrutulius, iš kurių yra išsiurbtas oras. Eksperimentui reikalingas specialus įrenginys, kurį sudaro du žalvariniai pusrutuliai, kurie dera tarpusavyje ir sudaro hermetišką indą. Viename pusrutulyje yra vamzdelis su čiaupu, skirtas prijungti prie vakuuminio siurblio.
Taip pat skaitykite: Mitai apie kūdikius su marškinėliais
Eksperimento eiga:
- Du žalvariniai pusrutuliai yra sujungiami, tarp jų dedant odinį žiedą, išmirkytą vaško ir terpentino tirpale, kad būtų užtikrintas sandarumas.
- Prie vieno iš pusrutulių pritaisytas čiaupas, kuris padeda ištraukti orą iš pusrutulių arba jo įleisti. Be to, prie abiejų pusrutulių buvo pritaisyti geležiniai žiedai su įvertomis virvėmis arkliams kinkyti.
- Vakuuminio siurblio pagalba iš pusrutulių išsiurbiamas oras.
- Prie abiejų pusrutulių pritvirtinamos virvės, prie kurių yra pakinkomi arkliai.
- Arkliai traukia pusrutulius į skirtingas puses.
Kadangi atskirti pusrutuliai visada šiek tiek apsidaužydavo, ypač jeigu jie nukrisdavo ant žemės, ir dažniausiai prarasdavo taisyklingą rutulio formą, Gėrikė užsakė didesnius pusrutulius - vienos uolekties skersmens. Tačiau ir jų šaltkalviai nepadarė tiksliai: pusrutulių skersmuo buvo 97 šimtosios uolekties. Kai iš šių pusrutulių buvo išsiurbtas oras, jų jau nebeišskyrė 24 žirgai. Tačiau kai į juos patekdavo oro, atskirti būdavo labai lengva.
Eksperimento paaiškinimas ir reikšmė
Kai oras yra išsiurbiamas iš pusrutulių vidaus, juose susidaro vakuumas, t. y. erdvė, kurioje yra labai mažas dujų slėgis. Tuo tarpu išorėje pusrutulius veikia atmosferos slėgis, kuris yra didelis. Dėl šio slėgio skirtumo pusrutuliai yra stipriai prispaudžiami vienas prie kito. Norint juos atskirti, reikia įveikti atmosferos slėgio sukuriamą jėgą.
1654 m. fon Gėrikė buvo pakviestas į Regensburgą pademonstruoti savo eksperimentų vakuume prieš aukščiausius Šventosios Romos imperijos asmenis. Tada jis prijungė dvi šešiolikos arklių komandas (po aštuonias iš abiejų pusių), tačiau jie negalėjo atskirti hermetiškų pusrutulių. Eksperimentas buvo pakartotas po dvejų metų jo gimtajame mieste Magdeburge. Ta pati demonstracija buvo dar kartą padaryta Berlyne 1661 m.
Šis eksperimentas įrodė, kad atmosferos slėgis yra labai didelis ir gali sukurti didžiulę jėgą. Tai paneigė tuo metu vyravusias teorijas, kad tuštuma negali egzistuoti, nes gamta jos bijo. Magdeburgo pusrutulių eksperimentas tapo populiarus būdas iliustruoti oro slėgio principus. Piešinys su pusrutuliais ir įsitempusiais žirgais pateko į visus fizikos vadovėlius.
Taip pat skaitykite: Lietuvos istorijos spalio 4-osios įvykiai
Žinomas fizikos populiarintojas J. Perelmanas apskaičiavo, kiek reikėtų žirgų, šiems Gėrikės pusrutuliams atskirti. dratinį centimetrą oras slegia vieno kilogramo jėga. Kaip rašė Gėrikė, pusrutuliai buvo 0,67 uolekties (37 cm) skersmens. Tada skritulio plotas, į kurį slegia atmosferos stulpas, bus lygus 1075 cm2. Vadinasi, atmosferos slėgis viršys 1075 kG. Taigi iš kiekvienos pusės žirgai turėtų traukti 1075 kG jėga. Magdeburgo pusrutuliams atskirti reikėtų 13 žirgų iš kiekvienos pusės (1000:80=13). Žinoma, būtų galima apsieiti ir su 13 žirgų, bet iš kitos pusės reikėtų pririšti pusrutulius prie medžio kamieno.
Vakuumas ir jo panaudojimas šiuolaikiniame pasaulyje
Magdeburgo pusrutulių eksperimentas padėjo pagrindus tolimesniems vakuumo tyrimams ir jo pritaikymui įvairiose srityse. Dabartiniais laikais vakuumą yra sutarta laikyti uždarą erdvę arba kamerą, kur dujų slėgis yra žemesnis nei atmosferos slėgio (101,3 kPa), arba buvo sumažintas tiek, kiek reikia, kad dujos būtų maksimaliai suspaustos ir neišeitų laukan.
Vakuumas šiais laikais naudojamas daugelyje prietaisų, nuo vakuuminių sklendžių, naudojamų mašinose, reguliuojant turbinos kintamąją geometriją ar recirkuliacinį dujų vožtuvą, iki dulkių siurblių, išsiurbiančių orą iš specialių maišų su rūbais, taip sutaupant daug vietos spintoje. Pramoninis vakuumo panaudojimas siekia nuo mechaninio valdymo iki mikroscemų gamybos.
Nepakankamo lygio vakuume nuo 1 toro iki artimo atmosferiniam, tipiškai vakuumas naudojamas mechaniniam rankiniams procesams, vakuuminiam pakavimui ir formavimui, dujų modeliavimui, filtravimui, alyvų “išdujinimui”, vandeninių tirpalų koncentracijai, elektrinių komponentų impregnacijai, distiliacijai. Žemesniame slėgyje, apie 10-4 toro, gali vykti daugelis metalurginių procesų, tokių kaip lydymasis, liejimas, lydymas, litavimas. Cheminiams procesams, tokiems kaip vakuuminė distiliacija ir sausas užšaldymas, taip pat reikia tokio vakuumo. Sausas užšaldymas plačiai naudojamas farmacijos pramonėje vakcinų ir antibiotikų paruošimui ir odos bei kraujo plazmos saugojimui. Maisto pramonėje plačiausiai naudojamas kavos pakavimui, taip pat daugeliui produktų, kurie gali būti saugomi be atšaldymo po sauso užšaldymo. Ši technika vis plačiau naudojama.
Slėgis iki apie 10-8 toro yra naudojamas kriogeninei (žemos temperatūros) ir elektrinei izoliacijai. Jis naudojamas lempų produkcijai, televizijos elektroninėm lempom, rentgeno lempom; dekoratyvinėms, optinėms, elektrinėms plonasluoksnėms dangoms; daugeliui spektrometrų nutekėjimo detektorių.
Taip pat skaitykite: Berniuko charakteristika pagal gimimo datą (vasario 21 d.)
Plonasluoksnėse dangose metalas arba junginys yra garinamas aukštame vakuume iš šaltinio ant materialaus pagrindo. Materialus pagrindas paprastai yra dekoratyvinėms dangoms - plastikas, optinėms dangoms - stiklas, elektrinėms dangoms - stiklo keramika arba titnagžemis (silica). Dangos storis gali būti nuo ¼ matomos šviesos bangos ilgio iki 0,001 colių ir daugiau. Optinėje srityje antirefleksinės dangos yra nusodinamos ant lęšių kameroms, teleskopams, akiniams ir kitiems optiniams prietaisams, žymiai sumažinant šviesos kiekį, atspindimą lęšiais, ir taip gaunant ryškesnį vaizdą.
Kad pasiekti pakankamai aukštą vakuumo lygį, reikalingą plonasluoksnėms dangoms ir kt., naudojama siurblių sistema, susidedanti iš alyva varomo rotacinio siurblio ir difuzinio siurblio. Alyva varomas rotacinis siurblys (kartais vadinamas priešakiniu siurbliu) sudaro darbinėje kameroje slėgį apie 0,1 toro, po kurio vožtuvas yra uždaromas. Priešakinis vožtuvas ir aukšto vakuumo suardymo vožtuvas yra atidaromi, taigi kamera yra ištuštinama difuziniu siurbliu ir rotaciniu siurbliu. pirmuosius vakuuminius prietaisus. Tarp jų buvo ir XIX a. lemputės. katodu pagaminti reikėjo labai išretintų dujų aplinkos. slėgį…
tags: #magdeburge #gimes #fizikos #mokslininkas