سنجیدنِ فشارِ هوا

چاه‌کن‌های فلورانس، در ایتالیا، حدودِ چهارصد سال پیش به مشکلی برخوردند: تلمبه‌های دستی‌شان، هر چه می‌کوشیدند، آب را از چاه‌های عمیق‌تر از حدودِ ۱۰ متر بالا نمی‌کشیدند. انگار آب «نمی‌خواست» بالاتر بیاید. پاسخِ این معما ابزاری شد که امروز در هر ایستگاهِ هواشناسی هست.

آزمایشِ توریچلی

اوانجلیستا توریچلی، شاگردِ گالیله، حدس زد که تلمبه آب را بالا «نمی‌کشد»؛ این فشارِ هوای بیرون است که آب را به درونِ لوله هل می‌دهد، و این فشار فقط می‌تواند ستونی از آب به بلندیِ حدودِ ۱۰ متر را نگه دارد. برای آزمودنِ حدسش به جای آب از جیوه استفاده کرد که حدودِ ۱۳٫۶ برابر سنگین‌تر از آب است.

او در سالِ ۱۶۴۳ یک لوله‌ی شیشه‌ایِ حدوداً یک‌متری را که یک سرش بسته بود، پر از جیوه کرد، سرِ بازش را با انگشت گرفت و آن را وارونه در ظرفی پر از جیوه فرو برد. وقتی انگشتش را برداشت، جیوه در لوله پایین آمد، اما نه تا ته: در بلندیِ حدودِ ۷۶ سانتی‌متر ایستاد. بالای جیوه در لوله تقریباً هیچ چیز، حتی هوا، نبود: خلأ.

چرا جیوه ایستاد؟ هوای بیرون روی سطحِ جیوه‌ی کاسه فشار می‌آورد. در درسِ فشارِ مایع دیدیم که فشار در نقطه‌های هم‌ترازِ یک مایع یکسان است، پس فشارِ تهِ ستونِ جیوه درونِ لوله باید با فشارِ هوا برابر باشد. بلندیِ ستون معیاری برای فشارِ هواست. توریچلی دید که این بلندی روز به روز کمی تغییر می‌کند و بالای کوه کمتر است. او نخستین فشارسنج را ساخته بود.

هشدار

جیوه و بخارش سمی است. فشارسنج‌های امروزی در خانه و مدرسه جیوه ندارند؛ آزمایشِ توریچلی را هرگز خودتان انجام ندهید.

فشارسنج و هواشناسی

امروز بیشترِ فشارسنج‌ها یک قوطیِ فلزیِ موج‌دارِ کم‌هوا دارند که با کم و زیاد شدنِ فشارِ هوا کمی باز و بسته می‌شود و عقربه‌ای را می‌چرخاند. فشارسنجِ گوشی‌های هوشمند هم حسگرِ بسیار کوچکی از همین نوع است. هواشناس‌ها از تغییرِ فشار هوا را پیش‌بینی می‌کنند: فشارِ رو به کاهش معمولاً یعنی ابر و باران در راه است، و فشارِ بالا یعنی هوای صاف.

نیرویی که اسب‌ها حریفش نشدند

در سالِ ۱۶۵۴، اوتو فون گریکه، شهردارِ شهرِ ماگدبورگ در آلمان، که تلمبه‌ی خلأ را ساخته بود، دو نیم‌کره‌ی مسیِ بزرگ را لب‌به‌لب گذاشت و هوای درونشان را بیرون کشید. فشارِ هوای بیرون دو نیم‌کره را چنان به هم فشرد که دو گروه اسب که آن‌ها را به دو طرف می‌کشیدند نتوانستند جدایشان کنند. وقتی دریچه را باز کرد و هوا به درون رفت، نیم‌کره‌ها خود به خود از هم جدا شدند.

سه برادرِ ایرانی

حدودِ هشت قرن پیش از فون گریکه، سه برادر به نامِ محمد، احمد و حسن، پسرانِ موسی بن شاکر و معروف به بنوموسی، در بغداد کتابی به نامِ «الحیل» (دستگاه‌های هوشمندانه) نوشتند. در آن نزدیک به صد دستگاه شرح داده شده، از فواره‌ها و چراغ‌هایی که خودشان روغن می‌گیرند تا جام‌ها و ظرف‌هایی که با جریانِ آب و تفاوتِ فشارِ هوا، خود به خود پر و خالی می‌شوند. آن‌ها، بی‌آن‌که واژه‌ی فشارِ هوا را داشته باشند، رفتارِ آب و هوا را دقیق می‌شناختند.

در خانه امتحان کنید

یک نیِ شفاف را در لیوانی آب فرو کنید، سرِ بالایش را با انگشت محکم ببندید و نی را بیرون بیاورید. چرا آب در نی می‌ماند؟ انگشتتان را بردارید و ببینید چه می‌شود. این یک «فشارسنجِ» کوچکِ آبی است!

واژه‌های این درس

• فشارسنج - وسیله‌ای برای اندازه‌گیریِ فشارِ هوا.
• خلأ - جایی که تقریباً هیچ ماده‌ای، حتی هوا، در آن نیست.
• جیوه - فلزی مایع، بسیار سنگین و سمی.

ایده‌ی اصلی

توریچلی نشان داد فشارِ هوا ستونی از جیوه به بلندیِ حدودِ ۷۶ سانتی‌متر را در کنارِ دریا نگه می‌دارد و فشارسنج را ساخت. فشارِ هوا آن‌قدر زیاد است که دو گروه اسب نتوانستند نیم‌کره‌های فون گریکه را از هم جدا کنند.