Эванджелиста Торричелли

Биография

ТОРРИЧЕЛЛИ (Torricelli), Эванджелиста

15 октября  1608 г. – 25 октября 1647 г.

     Итальянский математик и физик Эванджелиста Торричелли родился в Фаэнце в небогатой семье; воспитывался у дяди, бенедиктинского монаха. Учился в иезуитском колледже, а затем приехал в Рим, где изучал математику под руководством Бенедетто Кастелли, друга и ученика Галилео Галилея. Под впечатлением трудов Галилея о движении написал собственное сочинение на ту же тему под названием «Трактат о движении» (1640). Торричелли препроводил своё сочинение Галилею, и последний, тогда уже слепой, пригласил его для сотрудничества при обработке своего последнего сочинения «Беседы о механике». В 1641 году Торричелли окончательно переехал к Галилею в Арчетри, где стал учеником и секретарем Галилея, а после смерти Галилея (1642) — его преемником на кафедре математики и философии Флорентийского университета, придворным математиком великого герцога Тосканского и одновременно профессором математики Флорентийского университета.

     Торричелли нередко даже называют последним учеником, хотя такое определение вряд ли в данном случае уместно. Их личное знакомство состоялось в 1641 году, за несколько месяцев до смерти Галилея, когда он уже фактически отошел от своих исследований и занимался преимущественно приведением в порядок своих бумаг. Те, кому более подходило определение «учеников», переписывали и раскладывали скопированные рукописи по годам и темам, а руководил всей этой работой Винченцо Вивиани (1622–1703). Но немного в Италии XVII века было ученых, так спокойно и верно продолживших его дело. Всякому школьнику любой страны известны два главных изобретения Торричелли — ртутный барометр и «торричеллева пустота» в нем.

     Торричеллиева пустота — безвоздушное пространство над свободной поверхностью жидкости в герметически закрытом сверху сосуде (термометр, барометр).

     Принцип создания этой пустоты прост. Имеется  открытая ёмкость с жидкостью, в которую опускается пробирка с той же жидкостью. Перед этим пробирка (стеклянная трубка с одним открытым концом) заполнена на 100 % той же жидкостью и до момента опускания прикрыта. Уровень в пробирке затем под действием силы тяжести уменьшается, а сверху образуется вакуум (точнее, пространство с парами жидкости). В конечном счёте в пробирке останется количество жидкости, создающее давление, равное внешнему атмосферному. Так, для каждого типа жидкости, в зависимости от её плотности, будет свой уровень столба.

     В 1643 году он показал, что воздух имеет вес и что насос не может вытянуть воду на высоту более 10 м.

     В 1644 году развил теорию атмосферного давления, доказал возможность получения так называемой «торричеллиевой пустоты», природного вакуума (тем самым нанеся удар по аристотелевскому утверждению «природа боится пустоты») и изобрёл ртутный барометр. Обнаружил изменение высоты ртутного столба в зависимости от погодных условий, объяснил ветер изменениями зависимости от атмосферного давления. Открытие и исследование атмосферного давления вызвало большой резонанс среди учёных-современников.

     До  середины XVII века считалось непререкаемым утверждение древнегреческого учёного Аристотеля о том, что вода поднимается за поршнем насоса потому, что «природа не терпит пустоты».

     Боязнью пустоты объясняли множество  физических явлений. Прежде всего сам факт механического движения. Согласно Аристотелю, Вселенная заполнена материей, и если какое-либо тело перемещается, в то место, где оно только что было, устремится материя. Стрела, выпущенная из лука, летит потому, что ее толкает воздух, устремляющийся в образующуюся сзади пустоту. Боязнью пустоты объясняли всасывание, прилипание двух гладко отшлифованных пластинок, явление сцепления, поднятие воды в насосах.

     Однако  при сооружении фонтанов во Флоренции  обнаружилось, что засасываемая насосами вода не желает подниматься выше 10 метров. Недоумевающие строители обратились за помощью к престарелому Галилею, который сострил, что, вероятно, природа перестает бояться пустоты на высоте более 10 метров, но все же предложил разобраться в этом своим ученикам — Торричелли и Вивиани.

     Торричелли  пришла мысль исследовать, до какой  высоты будет «бояться пустоты» ртуть. В 1644 г. он предложил Вивиани выполнить тот классический опыт, который около 300 лет повторяется в школах всего мира.

     Стеклянная  трубка длиной около метра была наполнена  ртутью. Открытый конец был закрыт пальцем, трубку опустили в сосуд  с ртутью и предоставили ей, возможность  опускаться. Столб остановился на высоте 760 мм. С этого момента ведет  свое начало понятие нормального атмосферного давления. День, когда Торричелли и Вивиани проводили опыт, был ясный, солнечный, давление было точно равно 760 мм рт. ст. Ученые вели тщательное наблюдение за уровнем ртути трубке. Оказалось, что он изменяется.

     Торричелли  впервые нашел правильное объяснение причины этого явления: атмосфера  давит на поверхность ртути в  сосуде; давление столба ртути уравновешивает атмосферное давление, которое может изменяться.

     Мысль о том, что атмосфера должна оказывать  давление, имела прочное основание. Галилей убедительно доказал, что  воздух обладает весом.

     Схема его опыта, вошедшего в число  великих экспериментов в физике, изображена на рисунке 2.

     В сосуд А накачивали насосом воздух, после чего сосуд A взвешивали. Затем его соединяли кожаной трубкой с сосудом В, наполненным водой. При открывании крана К сжатый воздух вытеснял часть воды, которую Галилей взвешивал. Затем он снова определял массу сосуда А (в нем устанавливалось атмосферное давление).

     Путем взвешивания сосуда А определяли массу накаченного воздуха. Вычислив отношение массы воздуха к массе вытесненной им воды, Галилей нашел, что плотность воздуха составляет около 1/400 плотности воды. Учитывая несовершенство установки Галилея, результат следует считать относительно точным: по порядку величины он совпадает с современным (1/700). 
       

     Однако  Галилей все же не связал факт весомости  воздуха с идеей атмосферного давления.

     Торричелли  писал в 1644 г.: «Мы погружены на дно безбрежного моря воздушной  стихии, которая, как известно из неоспоримых  опытов, имеет вес, причем он наибольший вблизи поверхности Земли, где он составляет одну четырехсотую часть веса воды».

     Трудно  сказать, кто первым догадался, что  высота поднятия жидкости за поршнем  насоса должна быть тем меньше, чем  больше её плотность. Так как ртуть в 13 раз плотнее воды, то высота её поднятия за поршнем будет во столько же раз меньше.

     Тем самым опыт получил возможность  «перейти» со стройплощадки в  лабораторию и был проведен Вивиани по инициативе Торричелли.

     Осмысливая  результаты эксперимента, Торричелли делает два вывода: пространство над  ртутью в трубке пусто (позже его  назовут «торричеллиевой пустотой»), а ртуть не выливается из трубки обратно в сосуд потому, что  атмосферный воздух давит на поверхность  ртути в сосуде. Из этого следовало, что воздух имеет вес. Это утверждение  казалось настолько невероятным, что  не сразу было принято учёными  того времени.

Другие  исследования и изобретения.

     В своём основном труде по механике «О движении свободно падающих и брошенных  тяжёлых тел» (1641) Торричелли развивал идеи Галилея о движении, сформулировал  принцип движения центров тяжести, установил параболичность траектории тел, брошенных под углом к  горизонту, доказал другие теоремы  баллистики. Использовал кинематические представления, в частности, принцип сложения движений, причём в понимании движения по инерции продвинулся дальше Галилея.

     Торричелли  заложил основы гидравлики, вывел  формулу для скорости истечения  идеальной жидкости из сосуда (формула  Торричелли). Ему принадлежат также  работы по математике (в частности, развил метод «неделимых») и баллистике, усовершенствованию оптических приборов, шлифовке линз. Усовершенствовал воздушный  термоскоп Галилея, переделав его  в спиртовой термометр.

     Простые микроскопы, которые изготовлял Торричелли, были весьма совершенны; он умел также изготовлять большие чечевицеобразные стёкла для телескопов. Усовершенствовал артиллерийский угломер.

     Кроме изготовления зрительных труб и телескопов, занимался конструированием простых  микроскопов, состоящих всего из одной крошечной линзы, которую  он получал из капли стекла (расплавляя над пламенем свечи стеклянную палочку). Именно такие микроскопы получили затем  широкое распространение.