Torricelli i 3. Zakon

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.

Ovdje ćemo se baviti pogrešnom (nepotpunom) ilustracijom čuvenog Torricellijevog 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 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.
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 cijevi 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 3. Newtonov zakon. Nemoguće je da cijev stoji samostalno lebdeći u zraku. Dopustimo, da to ilustratori razumiju, i da nastoje samo pojednostavniti ilustraciju isticanjem bitnog, ali se to ne smije činiti na uštrb 3. Newtonovog zakona o sili i protusili.

Dodavanje stalka koji drži cijev neće umanjiti razumljivost ilustracije:

A što na kraju reći o ulozi atmosferskog tlaka?

Jasno je da atmosferski tlak djeluje na visinu stupca i da bi se bez tog tlaka živa u cijevi potpuno spustila. Zato nam taj stupac i služi kao barometar. No atmosferski tlak je samo "čep". 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 i protusilu.


Pojilica za perad.

Okrenuta boca čvrsto je stegnuta obujmicama.