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第6章 魔力的抵抗

1654年5月8日这天,德国马德堡市市长格利克亲自来到市中心的一个广场上。他让人搬来了事先加工好的直径为37厘米的空心铜球,铜球可以掰成两半。其中一半上装有一个通气活门。每个半球的中心对称处各安装一个吊环。两半球的结合面进行了非常精密的加工,显得异常平滑。接着他又分派侍从们;运来一个抽气机,牵来工8匹强壮的大马。

当马匹陆续到达广场后,孩子们嚷嚷开了:“哦,要进行马戏表演了!”于是,“马戏表演”的消息就一传十、十传百地传开了,到这里围观的人络绎不绝,把广场四周围得水泄不通。

这时,格利克市长亲自指挥,他差人先把两个铜半球合在一起,把通气活门接到抽气机上,直至把铜球内的空气几乎全部抽净了然后把活门关好。此刻,他对围观的人们说道,“再也没有人能把这个铜球掰开了,我们只能依靠马匹的力量……”

市长的话音未落,就从人群巾挤进去两个身高体壮的大力士,他俩异口同声地说:“且慢,让咱试试!”

格利克见这二位不服气,就决定让他俩试试。二位大力士各自用双手抓住一个吊环,使劲往两边拽。尽管他俩把吃奶的力气都使上了,铜球还是纹丝不动。人们只得善罢甘休。

于是,市长让人们在铜球两边各拴上一匹马,每边各有一人用鞭子赶,但铜球还是结结实实的一个整体;接着,每边加上一匹马,铜球还是那样;再多加上一匹,铜球仍然无动于衷。每边的马匹还在增加:5匹、6匹、7匹……直到8匹时,赶马人用鞭置于抽打着马,16匹马都吃力地拉着,拉呀拉,突然一声巨响,铜球终于被拉开成两半。

周围的人都被这个场面惊得目瞪口呆。一个老太太失声喊道:“天呐,那球内准有魔鬼!魔鬼的力量可真大!”

格利克既是市长,又是物理学家,他立即解释道:“哪里有什么魔鬼啊,这是大气压力在起作用。你们看,现在把这两半球合上,不把空气抽掉,就用不着大马去拽开了。”果然,他和他的助手稍一用力,就将铜球拉开成两半。

那么,为什么抽走了空气的那个铜球非得16匹马才能分开,而充有空气时很容易就掰开了?原来,是由于空气有压力之故。地球外表包围着厚厚的一层空气,这个大气层厚度约有1200千米,总质量约为5300万亿吨。在地球重力场的作用下,空气有重量,并且有压力。地面上任何一个物体,它每一平方厘米的面积(象指甲盖那么大一块)上,都要受到大约1千克的空气压力(习惯称为大气压力)。格利克市长做实验用的那个空心铜球,每个半球表面上受到的压力为:

压=1/2·π·D2·P=π/2×(37)2×1.0336≈2222.7(千克其中,D表示铜球直径,P表示大气压力。

当球内的空气几乎被抽净后,球内表面压力接近于零,而通过半球往里压的大气压力足有2吨多。查阅有关资料得知,马的最大拉力为体重的70%~80%,而马的体重一般为300~400千克,二者都取中间值,得出8匹普通马的拉力为:

拉=8×350×0.8千克=2100千克<2223千克显然每边都需要8匹强壮的马才能将铜球掰开。如果不抽去球内空气,情况就不一样了,因为内外都受有大气压力,互相抵消,所以不用费力就能将两个半球分开了。

上述的马德堡半球实验,有力地证明了大气压强的存在,这让人们对大气压有了深刻的认识,但大气压到底有多大人们还不清楚。11年后意大利科学家托里拆利在一根80厘米长的细玻璃管中注满水银倒置在盛有水银的水槽中,发现玻璃管中的水银大约下降了4厘米后就不再下降了。这4厘米的空间无空气进入,是真空。托里拆利据此推断大气的压强就等于水银柱的长度。根据压强公式科学家们准确地算出了大气压在标准状态下为1.013×105Pa。

标准大气压=760毫米汞柱=76厘米汞柱=1.013×10的5次方帕斯卡=10.336米水柱。

标准大气压值的规定,是随着科学技术的发展,经过几次变化的。最初规定在摄氏温度0℃、纬度45°、晴天时海平面上的大气压强为标准大气压,其值大约相当于76厘米汞柱高。后来发现,在这个条件下的大气压强值并不稳定,它受风力、温度等条件的影响而变化。于是就规定76厘米汞柱高为标准大气压值。但是后来又发现76厘米汞柱高的压强值也是不稳定的,汞的密度大小受温度的影响而发生变化;g值也随纬度而变化。

由于地球上的大气总量是基本上恒定的,当一个地区的气温增加时,往往伴随着另一个地区温度的降低,这就为高温处的空气向低温处扩散带来了可能。而扩散的结果常常是高温处的气压比低温处低。当我们生活的北半球是接受太阳热量最多的盛夏时,南半球却是接受太阳热量最少的严冬。这时,由于北半球的空气要向南半球扩散而使北半球的气压较南半球要低,而由于大气总量基本不变,则此时北半球的气压就低于标准大气压,南半球的气压当然也就会高于标准大气压。同样,空气的反方向扩散又会使北半球冬季的气压高于标准大气压。因而,在北半球,冬季的大气压就会比夏季要低。

我们日常生活中有很多事情要靠大气压力帮忙。例如,你要往钢笔里灌墨水,得先把皮囊里的空气挤出去,然后一松手,墨水就进去了。这是因为皮囊里空气被挤出后,压力减小了,而皮囊外的大气压没有变,于是就把墨水给压进去了。夏天喝汽水的时候,拿一根吸管,先用嘴吸去管里的空气。瓶里的汽水便被大气压力压进吸管。再比如,蒸煮东西用的高压锅,由于锅中封闭了空气,给高压锅内空气加热时,锅内气体压强增大,使锅内的水沸腾时温度更高,更容易煮熟食物。还有现在日益普遍的飞机,也是因为大气压才能够飞行。由于飞机机翼上方呈流线型,当空气流过机翼时,一部分空气从飞机机翼上方流过,一部分空气从机翼下方流过,因为机翼上方为流线型,所以空气要在相同的时间内流过不同的距离则速度不相同,机翼上方空气流速较大,大气压较小;下方很平,空气流速较小,大气压较大,于是,飞机在高速行驶时,机翼下方的大气压大,而机翼上方的大气压小,机翼上下的压力差使飞机获得了升力。

人离不开大气压力,离开它就无法呼吸。我们吸气时总是张开胸腔,使肺里的气压降低,外面的大气压力就把空气压进体内了。人可以在没有重量的情况下生活,可是失掉大气压力是绝对不行的,失压半秒钟也会影响人的生命。所以载人的宇宙飞船必须有密封坐舱,坐舱内保持一定的大气压力。

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