Pressione atmosferica. Storia ed essenza della scoperta scientifica

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L'esistenza dell'aria è nota all'uomo fin dall'antichità. Il pensatore greco Anassimene, vissuto nel VI secolo a.C. e., considerava l'aria la base di tutte le cose. Allo stesso tempo, l'aria è qualcosa di sfuggente, come se fosse immateriale: lo "spirito".

Gli antichi atomisti Democrito, Epicuro e Lucrezio non dubitavano della natura materiale dell'aria, i cui atomi, a loro avviso, hanno mobilità e forma rotonda. Inoltre, credevano che l'anima stessa avesse una natura atomistica, gli atomi dell'anima sono particolarmente leggeri, piccoli e mobili. Aristotele, classificando l'aria come uno dei quattro elementi materiali, credeva che l'aria avesse un peso e pensava persino di essere in grado di confermarlo sperimentando, pesando una bolla "vuota" e piena d'aria. Già Aristotele conosceva bene l'effetto risucchio dello spazio rarefatto e da ciò derivava il principio "la natura non tollera il vuoto".

Un gran numero di dispositivi pneumatici fu inventato da Reron, che credeva che l'aria fosse composta da particelle separate da piccoli vuoti. Tuttavia considerava contraria alla natura l'esistenza di grandi vuoti, e questo spiegava l'aspirazione, l'azione di pompe, sifoni e altri fenomeni ora spiegati dalla pressione atmosferica.

Nell'era dell'alto medioevo, lo scienziato egiziano Al Haytama (Algazena), vissuto nell'XI secolo, espresse l'idea dell'atmosfera. Non solo sapeva che l'aria ha un peso, ma che la densità dell'aria diminuisce con l'altezza, e con questa diminuzione ha spiegato la rifrazione atmosferica. Osservando la durata del crepuscolo, Alhazen ha stimato l'altezza dell'atmosfera a circa 40 chilometri. Tuttavia, l'Europa medievale tornò al concetto aristotelico dei quattro elementi e al principio della "paura del vuoto", lasciando per molto tempo lo studio delle proprietà fisiche dell'oceano dell'aria.

I primi a misurare praticamente la pressione dell'aria oceanica furono i pozzi italiani. Ecco come viene descritto questo fatto nelle "Conversazioni" di Galileo:

"Ho visto", racconta uno degli interlocutori di Sagredo, "una volta un pozzo in cui veniva posta una pompa per pompare acqua da qualcuno che pensava in questo modo di attingere acqua con meno difficoltà o in quantità maggiore rispetto ai semplici secchi. Questa pompa aveva un pistone con valvola superiore, in modo che l'acqua salisse per aspirazione, e non per pressione, come fanno le pompe con valvola di fondo. Mentre il pozzo era pieno d'acqua fino ad una certa altezza, la pompa la aspirava e la riforniva perfettamente, ma appena poiché l'acqua è scesa sotto questo livello, la pompa ha smesso di funzionare Avendo notato per la prima volta un caso del genere, ho pensato che la pompa fosse danneggiata, e ho chiamato un tecnico; quest'ultimo ha però affermato che era tutto in ordine, ma che il l'acqua era caduta a una profondità tale da non poter essere sollevata dalla pompa, mentre aggiungeva che né con le pompe né con altre macchine che sollevano l'acqua per aspirazione è possibile sollevare l'acqua un capello sopra i diciotto cubiti; se l'acqua le pompe sono larghe o strette, l'altezza massima rimane la stessa."

Galileo credeva che l'altezza massima della colonna d'acqua di 18 cubiti fosse una misura della "paura del vuoto". “Poiché il rame è nove volte più pesante dell'acqua, la resistenza alla rottura di una bacchetta di rame, per paura del vuoto, è pari al peso di due cubiti di una bacchetta dello stesso spessore”, scriveva Galileo in Conversazioni.

In altre parole, la "paura del vuoto" (cioè la forza della pressione atmosferica) è bilanciata o dal peso di una colonna d'acqua di 10 metri, o dal peso di una colonna di rame alta 1,12 metri, pari, secondo Galileo, a circa 1 chilogrammo per centimetro quadrato. Pertanto, i professionisti hanno stimato la forza della pressione atmosferica con sufficiente precisione e i calcoli di Galileo sono corretti, sebbene l'interpretazione della sua osservazione fatta dai maestri italiani sia ancora di natura scolastica. Bisognava fare un ulteriore passo. Realizzata da Torricelli.

Evangelista Torricelli (1608–1647) nacque a Faenza in Italia, da una famiglia nobile. Avendo perso prematuramente il padre, Torricelli fu allevato dallo zio, un monaco erudito, che lo mandò in una scuola dei Gesuiti.

A diciotto anni Torricelli fu inviato a Roma per continuare la sua educazione matematica. A Roma Evangelista si avvicinò allo studente e seguace di Galileo, Bendetto Castelli (1577–1644). Castelli era un prete domenicano e professore di matematica. Aderì presto agli insegnamenti di Galileo e divenne fedele assistente e amico del grande scienziato.

Nel 1632 fu pubblicato il famoso "Dialogo sui due sistemi del mondo" di Galileo e nel 1638 la sua ultima e più importante opera, "Una conversazione sulle due scienze". Questo saggio ebbe una forte influenza su Torricelli, e sotto la sua influenza scrisse il saggio "On Natural Accelerating Motion", in cui sviluppò le idee di Galileo.

Il manoscritto di Torricelli, il suo maestro Castelli, partendo da Roma per Venezia, lo portò con sé e lungo la strada, dopo aver visitato Galileo, glielo presentò. A Galileo piacque così tanto il lavoro di Torricelli che invitò al suo posto il giovane scienziato.

Nell'ottobre del 1641 Torricelli giunse ad Arcetri e iniziò a lavorare per portare a termine le Conversazioni, ma la sua collaborazione con Galileo durò poco. Nel gennaio 1642 Galileo morì.

Il Duca di Toscana invitò Torricelli a prendere il posto di Galileo. Torricelli acconsentì e trascorse il resto della sua breve vita in questa posizione.

Dopo la morte di Galileo, i suoi due allievi - Torricelli e Viviani - lavorarono in stretta collaborazione. Ora il loro compito principale era convalidare il metodo sperimentale. Diverse altre persone si unirono a Torricelli e Viviani. Da questo circolo nacque la famosa Accademia Fiorentina dell'Esperienza, che ricevette il suo disegno organizzativo il 19 giugno 1657, dieci anni dopo la morte del Torricelli.

Già nel periodo romano della sua vita, Torricelli era sulla soglia di una scoperta fondamentale: la scoperta della pressione atmosferica oceanica. Per ora, tuttavia, una nuova dinamica sta attirando la sua attenzione. Nell'opera “Sul moto di accelerazione naturale”, che fu presentata da Castelli a Galileo e pubblicata in forma ampliata a Firenze nel 1641 in italiano con il titolo “Trattato del moto dei corpi gravi” (la traduzione latina del trattato in due libri fu pubblicato nel 1644), Torricelli sviluppa la meccanica galileiana.

Torricelli fu il primo scienziato a risolvere il problema balistico della traiettoria di un corpo lanciato in un campo gravitazionale uniforme in assenza di resistenza dell'aria.

Il risultato più notevole del lavoro di Torricelli sulla meccanica è la sua scoperta delle leggi del flusso di fluido da un foro in un vaso. Questa scoperta, adiacente alle ricerche del suo maestro Castelli, gli creò la fama di fondatore dell'idraulica.

E infine Torricelli fa la più grande scoperta. Ha avuto l'idea di misurare il peso dell'atmosfera in base al peso di una colonna di mercurio. Nel 1643, sotto la sua direzione, fu condotto un esperimento dall'amico di Torricelli Vincenzo Viviani. L'esperimento ha soddisfatto tutte le aspettative, il mercurio si è fermato a una determinata altezza e sopra di esso si è formato un "vuoto torricelliano".

In seguito Torricelli ripeté l'esperimento con due tubi, come riportato in una lettera al matematico italiano Ricci datata 11 giugno 1644, che è l'unica pubblicazione sui famosi esperimenti. Ecco alcuni estratti di quella lettera.

"...Molti sostengono che il vuoto non esiste affatto; altri dicono che ottenerlo è ottenibile solo vincendo la resistenza della natura e con grande difficoltà. Credo che in tutti i casi in cui, nell'ottenimento del vuoto, si avverte chiaramente l'opposizione, non c'è bisogno di attribuire al vuoto qualcosa che evidentemente è dovuto ad un motivo completamente diverso, dico questo perché alcuni scienziati, vedendo l'impossibilità di negare il fatto della resistenza che appare a causa della gravità dell'aria durante la formazione del vuoto , non attribuiscono questa resistenza alla pressione dell'aria, ma affermano ostinatamente che la natura impedisce la formazione del vuoto. Viviamo sul fondo dell'oceano d'aria e gli esperimenti dimostrano senza dubbio che l'aria ha un peso...

Facemmo molte fiale di vetro con un tubo lungo due cubiti; li abbiamo riempiti di mercurio, tappando il foro con il dito; quando i tubi venivano poi versati in una tazza di mercurio, si svuotavano, ma solo parzialmente: ogni tubo rimaneva pieno di mercurio fino all'altezza del gomito e di un dito. Volendo dimostrare che la bottiglia (nella parte superiore del tubo) era completamente vuota, si riempiva d'acqua la tazza sostituita, e poi, man mano che il tubo veniva sollevato, si vedeva che non appena il suo foro era nell'acqua , il mercurio e l'intera bottiglia fuoriuscirono dal tubo, finché in cima si riempì rapidamente d'acqua. Quindi la bottiglia è vuota, ma il mercurio è conservato nel tubo. Finora si riteneva che la forza che impedisce al mercurio di cadere nella sua naturale tendenza a cadere si trovi nella parte superiore del tubo, sotto forma di vuoto o di materia molto rarefatta. Non sostengo che il motivo sia esterno al recipiente: una colonna d'aria alta 50x3000 gradini preme sulla superficie del liquido nella tazza - non sorprende che il liquido entri nel tubo di vetro (verso il quale non ha né attrazione né repulsione) ) e sale fino a non essere bilanciato dall'aria esterna. L'acqua sale in un tubo simile, ma molto più lungo, tanto più alto quanto il mercurio è più pesante dell'acqua..."

Per essere del tutto convincente, Torricelli organizzò un esperimento con due canne. Vuole mostrare che il mercurio non è trattenuto da simpatie o antipatie, e la forma dello spazio sopra il mercurio non gioca alcun ruolo ed è solo una questione di pressione dell'aria esterna.

“Questa considerazione”, continua nella stessa lettera, “è stata confermata dall'esperimento, posto contemporaneamente a due tubi A e B, in cui il mercurio era sempre installato sullo stesso orizzonte AB, questa è un'indicazione del tutto attendibile che la forza non è all'interno (vuoto), poiché una forza maggiore deve essere all'interno del vaso AB, in cui c'è un qualcosa di attrattore più rarefatto, e deve essere molto più forte per la rarefazione più completa che in uno spazio molto piccolo B.

Torricelli riuscì a trovare prove ancora più importanti della causa esterna della formazione della colonna di mercurio. Lo scienziato ha notato che l'altezza della colonna ha fluttuato, cioè la pressione dell'atmosfera è cambiata. Il tubo di Torricelli divenne così il primo barometro. Fu da questa esperienza che iniziò l'osservazione scientifica del tempo, le cui caratteristiche più importanti sono la pressione e la temperatura.

Vale la pena notare che l'esperimento di Torricelli non è stato impeccabile. L'altezza della colonna di mercurio da lui fornita, se si tiene conto dell'altezza di Firenze sul livello del mare, corrisponde a 74,2 centimetri di mercurio. Il piccolo valore di questo valore, a quanto pare, può essere spiegato dal fatto che una certa quantità d'aria rimaneva ancora nel "vuoto torricelliano".

La lotta contro la dottrina della paura del vuoto non si esaurisce con l'esperienza di Torricelli. L'ipotesi sulle forze che reggevano la colonna di mercurio sopravvisse molto tempo dopo la morte di Torricelli. Esperienze famose Pasquale (1623–1662), che dimostrò che la variazione dell'altezza di un barometro è correlata all'altezza e costruì un barometro ad acqua, confermò le conclusioni di Torricelli. Ma solo l'invenzione della pompa ad aria da parte di Boyle e Guericke, così come gli efficaci esperimenti sulla dimostrazione della forza della pressione atmosferica, fatti da quest'ultimo, hanno finalmente infranto il concetto di paura del vuoto. L'idea dell'aria come una sorta di principio spirituale è stata finalmente sepolta. Guericke dimostrò per esperienza diretta il peso dell'aria pesando la nave evacuata e la nave con l'aria. Questa esperienza lo ha portato alla conclusione principale: "L'aria è senza dubbio un qualcosa del corpo". Così, nella scienza si è affermata la nozione che l'aria è uno dei tipi di materia che possono essere rimossi dal luogo che occupa e formare un "vuoto", "vuoto".

Autore: Samin D.K.

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