После смерти Галилея Эванджелиста Торричелли получил место придворного математика во Флоренции.
Эванджелиста Торричелли
И вот он стоит и внимательно смотрит, как, обливаясь потом, качают насос строители колодца.
Нам не придется описывать торжественную церемонию — открытие колодца не состоялось.
Вода поднялась немного, но потом, словно взбунтовавшись, отказалась следовать за поршнем.
Присутствующих охватил трепет. Это противоречило учению великого Аристотеля, которое так свято поддерживала церковь. Поэтому все обвинения посыпались на голову механиков. Насос подвергли тщательному осмотру, но придраться к его изготовлению не удалось.
Флорентийский колодец явно обладал какой-то странностью. Ведь в десятках колодцев точно такими же, даже худшими, насосами поднимали воду. Изумленные флорентийцы расходились. Но Доменико, которому было некуда идти, опустился на порог лавки, обхватил голову руками и горько плакал.
Атмосферное давление
Загадка колодца взволновала Торричелли. Возвращаясь с несостоявшегося торжества, он думал о происшедшем. Многое пришлось ему перебрать в памяти. И все-таки ученику Галилея удалось разгадать тайну флорентийского колодца. Торричелли рассуждал таким образом: «Собственно, что произошло? Колодец был глубок, узкая, длинная труба насоса была значительно больше 10 метров, а вода поднималась за поршнем только на высоту 10 метров с небольшим и не желала следовать выше этого уровня. Она отрывалась от поршня».
Так устроен колодец
Перебирая в памяти различные опыты, Торричелли вспомнил опыты Галилея, которые он производил с различными жидкостями, поднимая их поршнем в трубках. И у него жидкости, следуя за поршнем, всегда поднимались на различную, но вполне определенную высоту, а затем отрывались от него. Галилей объяснил это явление, полагая, что столб жидкости разрывается от собственной тяжести, как оборвался бы очень длинный, тяжелый канат, если его поднимать за один конец вверх. И он установил, что высота подъема жидкости зависит от веса единицы ее объема — от удельного веса. Чем меньше удельный вес жидкости, тем выше она поднимается за поршнем, но обязательно на определенной, всегда одной и той же высоте от него оторвется.
Размышляя об опытах Галилео Галилея, Торричелли пришел к заключению, что столб жидкости перестает следовать вверх за поршнем и отрывается от него не потому, что он достиг некоторого определенного веса. Если бы это было так, то в тонкой трубе можно было бы поднять жидкость выше, чем в широкой, чего, однако, не наблюдалось. Видимо, полагал Торричелли, столб жидкости перестает следовать вверх за поршнем и отрывается от него тогда, когда давление этого столба не уравновешивается давлением жидкости снизу. Но откуда возьмется давление жидкости снизу трубки? Если оно существует, то это может происходить лишь потому, что жидкость передает давление воздуха, находящегося над ее поверхностью. Ведь воздух, как доказал Галилео Галилей, обладает тяжестью — имеет вес. Он даже определил, что воздух в четыреста раз легче воды.
Воздух, заключил Торричелли, давит на поверхность воды, благодаря чему она и может подниматься вверх по трубе вслед за поршнем, который создает разреженное пространство над поверхностью жидкости.
Вода следует за поршнем при его подъеме только до тех пор, пока давление столба воды не уравновесит давление воздуха. После этого между столбом воды и поршнем, если его продолжать поднимать, остается пустота. И эту пустоту вода не может заполнить: ведь наступило равенство давления воздуха и поднявшегося столба воды.
Вот, оказывается, в чем заключалась странность флорентийского колодца. И Торричелли задумал опыт, который должен был доказать, что он прав.
Этот опыт спустя три года после неудачи с колодцем осуществил Вивиани — друг Торричелли. Длинная стеклянная трубка, запаянная с одной стороны, была наполнена ртутью и поставлена вертикально в сосуд с ртутью открытым концом. Для того чтобы предотвратить вытекание ртути из трубки при ее опрокидывании, открытый конец закрывался пальцем и открывался после погружения в ртуть, находящуюся в сосуде.
Столб ртути в трубке установился выше уровня ртути в сосуде на высоте 76 сантиметров. А так как длина трубки превышала 76 сантиметров, то внутри нее от поверхности ртути до запаянного конца образовывалось свободное пространство, которое назвали пустотой Торричелли. Значит, Торричелли был прав: ртуть в трубке уравновешивалась давлением воздуха.