Torricelli i 1. Zakonenglish

Zanimljivo je pratiti likovne prikaze i ilustracije pojmova, uređaja, pokusa i pojava u udžbenicima. U mnogo slučajeva svjedočimo da su ilustracije u suprotnosti sa zakonima fizike.

[Ilustracija u udžbeniku 'Fizika 3' - Horvat, Hrupec - Element]






Ovdje ćemo se baviti pogrešnom (nepotpunom) ilustracijom čuvenog TorricellijevogEvangelista Torricelli, talijanski fizičar, matematičar i dobar prijatelj Galilea Galileja. Znamenit je njegov izum živina barometra (1643. ili 1644.), kojim je odbacio uvriježenu predrasudu o strahu od praznine (lat. horror vacui). Torricelli je zataljenu staklenu cijev ispunio živom i otvor cijevi uronio u posudu ispunjenu živom. Živa je tek djelomično istekla iz cijevi u posudu, a nad stupcem žive u cijevi nastao je zrakoprazan prostor, vakuum. Torricelli je tu pojavu protumačio atmosferskim tlakom koji djeluje na površinu žive u posudi i održava ravnotežu stupcu žive u cijevi. Tim je pokusom dokazano postojanje atmosferskoga tlaka i pokazano kako se on može mjeriti na temelju visine živina stupca. pokusa koja prevladava u stotinama udžbenika i nitko ne primjećuje da tu nešto nedostaje. Udžbenici u pravilu imaju ovakve ilustracije:

Što tu nije u redu? Ispunjena živom cijev miruje i levitira???!
Kako to da ju ništa ne podupire? Je li to moguće?

Napravimo pokus pomoću boce odrezanog dna. Nakon što se ispod površine posve ispuni vodom podignemo bocu tako da otvor ostane ispod površine. Dinamometrom mjerimo težinu boce ovisno o tome koliko je podignuta.:

Ovaj jednostavni pokus prikazan je s umetnutom fotografijom na kojoj je digitalno uklonjen dinamometar. Ta fizikalno nemoguća situacija odmah pobuđuje sumnju na fotomontažu, ali ista stvar kod ilustracije Torricellijeva pokusa nikoga ne smeta.

Izvedimo sljedeću demonstraciju. Na staklenu cijev otvorenu s oba kraja, spojimo na gornji kraj gibljivo gumeno crijevo, a donji kraj cijevi uronimo u živu. Cijeli sklop objesimo na dinamometar. Drugi kraj crijeva spojimo na vakuumsku sisaljku kao što se vidi na crtežu.

Po uključivanju sisaljke, živa se počene dizati u cijevi sve dok se ne zaustavi na visini od 760 mm. Cijelo vrijeme sisanja dinamometar pokazuje sve veću i veću težinu uspinjućeg stupca žive.
E sad, uobičajeno objašnjenje u udžbenicima kaže da atmosferski tlak zraka koji djeluje na površinu žive u posudi podržava stupac žive.

Ali mi vidimo da stupac žive zajedno sa staklenom cijevi visi na dinamometru i opterećuje ga.
Postavlja se pitanje je, je li ispravno reći da

  • stupac žive visi na dinamometru ili ga
  • drži atmosferski tlak?
  • Ili su obje tvrdnje ispravne?

Znamo da je Torricelli nakon uranjanja u živu maknuo prst sa otvora cijevi ali NIJE pustio cijev iz ruke kojom ju je držao, jer cijev ne može levitirati, kao što je prikazano u većini cijenjenih udžbenika.
Ispravna ilustracija trebala bi izgledati otprilike ovako:

Pretpostavimo da zaista ispustimo iz ruke Torricellijevu cijev zajedno sa stupcem žive u neku duboku posudu sa živom. Cijev će odmah tonuti sve dok se uzgon ne izjednači s težinom staklene cijevi. Treba dakle uzeti u obzir 1. Newtonov zakon. Nemoguće je da cijev miruje samostalno lebdeći u zraku ako nisu poništene sve sile. Dopustimo, da to ilustratori razumiju, i da nastoje samo pojednostavniti ilustraciju isticanjem bitnog, ali se to ne smije činiti na uštrb 1. Newtonovog zakona po kojem je mirovanje posljedica poništenja sila koje djeluju na neko tijelo.

Dodavanje stalka koji drži cijev neće umanjiti razumljivost ilustracije:

Zaključak

A što na kraju reći o ulozi atmosferskog tlaka?
Jasno je da atmosferski tlak djeluje na visinu stupca i da bi bez tog tlaka živa potpuno iscurila iz cijevi. Zato nam taj stupac žive i služi kao barometar. No atmosferski tlak je pri tome samo "čep". U izvornom Torricellijevu pokusu živa je prestala istjecati, kao da je netko ponovno prstom zatvorio otvor cijevi. Bez djelovanja atmosferskog tlaka kao "čepa", živa, koja slabo kvasi staklo, ne bi mogla povlačiti cijev i opteretiti dinamometar u ovdje opisanom pokusu s vakuumskom sisaljkom. Možemo zamisliti, ili izvesti, da uklonimo i atmosferski tlak i posudu sa živom i umjesto njih stavimo čep na otvor staklene cijevi. Visina stupca žive pri tome se neće promijeniti, ali cijev (sa živom u njoj) i dalje moramo držati rukom ili nekom stezaljkom na stalku.
I da zaključimo. Na pitanje, trebamo li reći da stupac žive visi na dinamometru ili ga drži atmosferski tlak? Odgovor je: I jedno i drugo. Obje su tvrdnje ispravne i fizikalno opravdane, zato na ilustracijama ne treba izostavljati silu koja će poništiti težinu žive u cijevi.

Pojilica za perad.

Okrenuta boca ne lebdi, stegnuta je obujmicama.

Ako posudu za vodu i atmosferski tlak zamijenimo čepom i vakumom, ništa se neće promijeniti.


Hrvoje Mesić


Hit Counter