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让普通民众相信大气压确实存在者──格里克

 

17世纪那个时候,德国有一个热爱科学的市长,名叫格里克。他是个博学多才的军人,从小就喜欢听伽利略的故事,爱好读书,爱好科学,一直读到莱比锡大学。1621年又到耶拿大学攻读法律,1623年,再到莱顿大学钻研数学和力学。他读了三所大学,知识面很广,上知天文,下识地理。什么数理法律、哲学工程等等,无所不知,无所不通。因此,他能在军旅中过活,又可在政界中立足,更能在科学界发言。他1631年入伍,在军队中担任军械工程师,工作很出色。后来,投身政界,1646年当选为马德堡市市长。无论在军旅中,还是在市府内,都没停止科学探索。

 

1654年,他听到托里拆利的事儿,又听说还有许多人不相信大气压,还听到有少数人在嘲笑托里拆利,再听说双方争论得很激烈,互不相让,针锋相对。因此,格里克虽在远离意大利德国,但很抱不平,义愤填膺。他匆匆忙忙找来玻璃管子和水银,重新做托里拆利这个实验,断定这个实验是准确无误的。

 

有一天,他和助手做成两个半球,直径14英寸,即30多厘米,并请来一大队人马,在市郊做起大型实验

 

 

这年58日的这一天,美丽的马德堡市风和日丽,晴空万里,十分爽朗,一大批人围在实验场上,熙熙嚷嚷十分热闹。有的说这样,有的说那样。有的支持格里克,希望实验成功;有的断言实验会失败。人们在议论着,在争论着,在预言着。还有的人一边在大街小巷里往实验场跑,一边高声大叫:市长演马戏了!市长演马戏了格里克和助手当众把这个黄铜的半球壳中间垫上橡皮圈,再把两个半球壳灌满水后合在一起,然后把水全部抽出,使球内形成真空。最后,把气嘴上的龙头拧紧封闭。这时,周围的大气把两个半球紧紧地压在一起。格里克一挥手,四个马夫牵来八匹高头大马,在球的两边各拴四匹。格里克一声令下,四个马夫扬鞭催马、背道而拉,好像在拔河似的加油!加油!验场上黑压压的人群一边整齐地喊着,一边打着拍子。4个马夫,8匹大马,都搞得浑身是汗。但是,铜球仍是原封不动。格里克只好摇摇手暂停一下。然后,左右两队,人马倍增。马夫们喝了些开水,擦擦头额上的汗水,又在准备着第二次表现。格里克再一挥手,实验场上更是热闹非常。16大马,死劲抗拉,八个马夫在大声吆喊,挥鞭催马……实验场上的人群,更是伸长脖子,一个劲儿地看着,不时地发出哗!哗!的响声。突然,啪!的一声巨响,铜球分开成原来的两半,格里克举起这两个重重的半球自豪地向大家高声宣告:先生们!女士们!市民们!你们该相信了吧!大气压是有的,大气压力是大得这样厉害!这么惊人!……”

 

实验结束后,仍有些人不理解这两个半球为什么拉不开,七嘴八舌地问他,他又耐心地作着详尽的解释:平时,我们将两个半球紧密合拢,无须用力,就会分开。这是因为球内球外都有大气压力的作用,相互抵消平衡了。好像没有大气作用似的。今天,我把它抽成真空后,球内没有向外的大气压力了,只有球外大气紧紧地压住这两个半球……”

 

通过这次大型实验,人们都终于相信有真空,有大气,大气有压力,大气压很惊人。但是,为了这次实验,格里克市长竟花费了4千英镑。

 

揭示液体压强规律者──帕斯卡

 

帕斯卡是法国数学家、物理学家。他没有受过正规的学校教育,但由于有良好的家庭教育,加上他自己聪明好学,因此语文学得很好,数学也学得很出色。16岁时参加了巴黎数学家和物理学家小组的学术活动,并发表了一篇有关圆锥曲线的出色论文,这篇论文使年的帕斯卡名声大震,正式踏进了法国学术界的大门,取得了一个又一个的成果。

 

 

帕斯卡1648年表演了一个著名的实验:他用一个密闭的装满水的桶,在桶盖上插入一根细长的管子,从楼房的阳台上向细管子里灌水。结果只用了几杯水,就把桶压裂了,桶里的水就从裂缝中流了出来。

 

这就是历史上有名的帕斯卡桶裂实验。一个容器里的液体,对容器底部或侧壁产生的压力远大于液体自身的重量,这对许多人来说是不可思议的。

 

几杯水为什么能使桶破裂呢?我们知道液体的压强等于密度、深度和重力加速度常数之积(P=ρgh),在这个实验中,水的密度不变,但由于细管子的容积较小,几杯水灌进去,其深度h很大。深度一再增加,则下部的压强越来越大,其液压终于超过木桶能够承受的上限,木桶随之裂开。

 

帕斯卡桶裂实验很好地证明液体压强与液体的深度有关。

 

在日常生活中,我们经常看到,没有灌水的水龙带是扁的。水龙带接到自来水龙头上,灌进水,就变成圆柱形了。如果水龙带上有几个眼,就会有水从小眼里喷出来,喷射的方向是向四面八方的。水是往前流的,为什么能把水龙带撑圆?

 

早在几百年前,帕斯卡就注意到这类现象。帕斯卡从小就凡事好问个为什么,而且最爱通过实验来提出自己的新见解。他想,也许水对四面八方都有压强吧?于是他首先设计了一个实验,那就是帕斯卡球实验。帕斯卡球是一个壁上有许多小孔的空心球,球上连接一个圆筒,筒里有可以移动的活塞。把水灌进球和筒里,向里压活塞,水便从各个小孔里喷射出来了,成了一多孔水枪

 

帕斯卡球的实验证明,液体能够把它所受到的压强向各个方向传递。水龙带灌满水以后变成圆柱形,就是因为水龙带里的水把自来水里的压强传递到了带壁的各个部分的结果。

 

细心的帕斯卡并没有就此结束他的研究。他又多次做实验,研究哪个孔喷出去的水最远?结果发现,并没有射得特别远的,距离都差不多。这说明,每个孔所受到的压强都相同。

 

认真的观察使帕斯卡发现了液体传递压强的基本规律,这就是著名的帕斯卡定律:流体(气体或液体)力学中,封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化,将毫无损失地传递至流体的各个部分和容器壁。帕斯卡首先阐述了此定律。根据帕斯卡原理,在水力系统中的一个活塞上施加一定的压强,必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞的面积的10倍,那么作用于第二个活塞上的力将增大为第一个活塞的10倍,而两个活塞上的压强仍然相等。水压机就是帕斯卡原理的实例。所有的液压机械都是根据帕斯卡定律设计的,所以帕斯卡被称为液压机之父。上海重型机械厂有一台水压机,它能把一个将近百吨重的钢锭像揉面团一样揉来揉去。

 

 

遗憾的是,1655年,帕斯卡进入与世隔绝的神学中心——巴黎附近的披特垒阿尔1662年,忧郁而深思的帕斯卡与世长辞,年仅39岁。因他率先提出了描述液体压强性质的帕斯卡定律,国际单位制规定压强的单位牛顿/2帕斯卡1帕斯卡=1牛顿/2

 

帕斯卡不仅在力学中取得了很大成就,在数学、哲学上也都取得了一定的成就。我就把帕斯卡哲学名著《思想录》里一句名言,人只不过是一根芦苇,是自然界最脆弱的东西,但他是一根有思想的芦苇送给同学们吧,愿同学们学业有成!

 

不懂流体压强的牺牲品──奥林匹克

 

说到奥林匹克号同学可能不熟悉,但如果说到它的姐妹舰,我想同学们一定很熟悉。奥林匹克号姐妹舰是泰坦尼克号,奥林匹克号的建设编号是400,泰坦尼克号是401。它们都是当时最大最豪华的邮轮。

 

1912年秋天,这一艘当时世界上最大的远洋轮船——奥林匹克号出事了。一天,它正在大海上航行,在离它100米远的地方,有一艘比它小得多的皇家海军的霍克号巡洋舰与它平行地疾驶着。可是却发生了一件意外的事情:小船好象被大船吸了去似的,一点也不服从舵手的操纵,7350霍克一个劲地向45000吨级奥林匹克冲去。最后,霍克的船头撞在奥林匹克号的船舷上,把奥林匹克号撞了个大洞。事后双方船长都指责是对方的错。英国海事法庭的法官也不知到底是谁的错,最后就根据奥林匹克号吨位大,宣布发生碰撞的主要责任在奥林匹克号一方。

 

 

究竟是什么原因导致两般相撞呢?同学们还记得老师讲过的流体压强知识吗?液体的压强,跟它的流速有关系,流速越大,压强就越小。知道了这个道理,就不难找奥林匹克号出事的原因了。原来,两艘船平行向前航行着的时候,在这两艘船中间的水,比外侧的水流得快,因此水对两船内侧的压强比外侧部分受到的压强要小。于是,在外侧水的压力下,使两船互相靠近,以致霍克撞到奥林匹克号的船舷上。

 

让中国人自豪的潜水器──蛟龙号

 

通过对帕斯卡液体压强知识的学习,同学们知道人不可能在水中无限下潜。因为下潜越深,h越大,根据P=ρgh水对人的压强也就越大。而人承受的压强是有限的。因此,人要想下潜得更深,看到海底的世界,就必须借助专业潜水设备。

 

为推动中国深海运载技术发展,为中国大洋国际海底资源调查和科学研究提供重要高技术装备,同时为中国深海勘探、海底作业研发共性技术,中国科技部于2002蛟龙深海载人潜水器研制列为国家高技术研究发展计划(863计划)重大专项,启动蛟龙号人深潜器的自行设计、自主集成研制工作蛟龙号载人潜水器设计最大下潜深度为7000米,工作范围可覆盖全球海洋区域的99.8%

 

 

20098月开始蛟龙号载人深潜器先后组织开展1000米级和3000米级海试工作。2010531-718日,蛟龙号载人潜水器在中国南海3000米级海上试验中取得巨大成功,共完成17次下潜,其中7次穿越2000米深度,4次突破3000米,最大下潜深度达到3759米,超过全球海洋平均深度3682米,并创造水下和海底作业9小时零3分的记录,验证蛟龙号载人潜水器在3000米级水深的各项性能和功能指标。

 

蛟龙号载人潜水器3000米级海试取得成功,标志着我国继美、法、俄、日之后,成为世界上第五个掌握3500米以上大深度载人深潜技术的国家。

 

2011730蛟龙进行5000米级海试的第四次下潜。凌晨426分,蛟龙号载人潜水器第四次入水729分,蛟龙在深度为5182米的位置坐底,成功安放了中国大洋协会的标志和一个木雕的中国龙。在完成了采样等科考作业后,潜水器上浮并于1302分回到向阳红09母船甲板,全程历时8小时57分。在这次下潜试验中,它还完成了海水、海底生物的提取以及锰结核的采样。在蛟龙带回的记录资料里,5000米深的大洋海底的锰结核画面首度曝光。这些锰结核覆盖在海底表面,含有锰、铜、钴、镍等30多种元素,100万年时间才能形成几毫米的大小。

 

 

    
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