Magdeburške polukugle
U doba nastajanja eksperimentalne znanosti, u 16. stoljeću, brojni su znanstvenici raspravljali o pitanju, postoji li zaista zrakoprazan prostor. Tim se je pitanjem bavio čak i gradonačelnik Magdeburga (i fizičar) Otto von Guericke🔎
Otto von Guericke (Magdeburg, 1602. – 1686.), njemački fizičar i inženjer. Izumio je 1650. zračnu sisaljku i utemeljio fiziku vakuuma. Poznat je njegov pokus iz 1654. u Magdeburgu, kada 50 ljudi nije moglo podignuti poklopac kotlića iz kojega je njegovom sisaljkom bio isisan zrak. Guericke se bavio istraživanjem povezanosti stanja barometra i atmosferskih uvjeta, astronomijom kometa te primjenom elektriciteta u dobivanju svjetlosti. Također je poznat po tome što je prvi 1672. opazio pojavu električnoga odbijanja istoimenog električnog naboja, a 1663. konstruirao je prvi elektrostatički stroj na trenje (vrsta elektroskopa)..
„Weil die Gelehrten nun schon
seit langem über das Leere, ob es vorhanden sei, ob nicht, oder was es sei, gar
heftig untereinander stritten (...) konnte ich mein brennendes Verlangen, die
Wahrheit dieses fragwürdigen Etwas zu ergründen, nicht mehr eindämmen
(...)"[1]
„Dok se učenjaci, sada već dosta dugo, međusobno žustro prepiru o praznini, postoji li ona, ili ne postoji, ili što je ona uopće (...) ja nisam više mogao sputavati svoju goruću želju da donekle dokučim istinu te dvojbe (...)"
[1]
[1] Experimenta nova (ut vocantur)Magdeburgica De Vacuo Spatio
Originalne polukugle korištene u Magdeburškom pokusu, čuvaju se u Tehničkom muzeju u Minhenu.
Model magdeburških kugli za školske pokuse iz fizike, promjer im je oko 10 cm pa se mogu rastaviti silom koja odgovara težini od oko 75 kg.
Polukugle su priljubljene jedna uz drugu s brtvom na spoju. Nakon što se vakuumskom sisaljkom iz njih isiše zrak (zrakoprazan prostor u njima je relativno grubi vakuum) vanjski tlak stvara silu koja sprječava njihovo rastavljanje.
Guerickeovi spektakularni pokusi s vakuumom počeli su od 1650 i učinili ga slavnim fizičarem i inžinjerom. Vrhunac njegovog izrazitog istraživačkog niza bio je pokus o djelovanju tlaka zraka: Magdeburške polukugle.
Demonstracija njegovog čuvenog pokusa izvedena je prvi puta 1657. godine u gradu Magdeburgu:
U tu svrhu Guericke je pomoću vakuumske sisaljke iscrpio zrak iz dvije šuplje bakarne polukugle, koje su na spoju bile zabrtvljene kožnatom brtvom natopljenom u ulje i vosak, a imale su promjer od 42cm. Zrak koji je izvana djelovao na polukugle, pritiskao je polovice jednu uz drugu. Da bi pokazao koliko veliki tlak uzrokuje atmosfera, Guericke je za svaku polukuglu upregnuo po osam konja, i oni nisu bili u stanju razdvojiti polukugle.
Kolika je vučna sila konja?
Ovisno o trenju pod kopitima, konj može povući silom uvijek manjom od vlastite težine. Sila trenja je općenito umnožak pritiska na podlogu (tj. težina konja) i koeficijenta trenja koji ovisi o podlozi (trava, asfalt, led, šljunak) i kreće se između 0,2 i 0,4. Dakle potkovani konj od 700 kg može na zemljanoj podlozi vući silom od oko 1500 N, a na ledu uopće ne može vući.
Guericke je zapisao u svom glavnom djelu "Experimenta nova (ut vocantur) Magdeburgica De Vacuo Spatio":
[1] prijevod:
[ „Samo s kožnatim prstenom kao umetkom te su polukugle priljubljene jedna uz drugu, a zatim je zrak...naglo iscrpljen. Uočih tada, s kolikom snagom pritiskahu obje šuplje polutke umetnuti prsten! I ostahu pod djelovanjem tlaka zraka tako čvrsto priljubljene jedna uz drugu, da ih čak ni 16 konja ne mogaše razdvojiti ili ih razdvajahu tek uz veliku muku. Ako ih katkada ipak, ali uz najveće naprezanje, uspješe rastaviti, odjeknu tada pucanj kao iz lovačke puške". ]
Svojim je pokusima pobio tada prevladavajuće uvjerenje o „Horror vacui" (lat. Strah, groza od praznine), takozvanom strahu prirode od praznine, kojim su ljudi u to doba između ostalog objašnjavali načelo crpljenja pomoću sisaljki. Guericke je pokazao, da zrakoprazan prostor stvarno postoji i kako ga čovjek može ostvariti. Istodobno je razjašnjeno, da zrak kao i svako drugo tijelo ima težinu. I prema tome Magdeburške polukugle nisu „privučene jedna drugoj unutrašnjim vakuumom", nego su uslijed velikog tlaka zraka izvana pritisnute jedna uz drugu.
Izračun sile potrebne za razdvajanje polukugli
Konceptualni zadatak:
O načinu kako teba postupiti pri razdvajanju polukugli bilo je različitih prijedloga. Što misliš u kojoj od tri izvedbe na slikama će konj(i) najprije savladati tlak na polukugle i rastaviti ih?
U godini fizike 2005. pokus je izveden u Zagrebu:
