Реферат на тему магдебургские полушария

Обновлено: 07.07.2024

Магдебургские полушария – это классический физический эксперимент, демонстрирующий невероятное давление, которое атмосфера вокруг нас оказывает на наши тела и всё остальное.

Аппарат для эксперимента состоит из двух латунных полусфер, которые соединяются вместе, образуя герметичное уплотнение. В одной полусфере есть трубка, которую можно подсоединить к вакуумному насосу, и запорный кран. Если из полусфер откачать воздух, клапан закроется, и две половинки будут прочно удерживаться вместе давлением воздуха окружающей атмосферы. Разделить полушария с помощью рук практически невозможно. Если воздух закачать обратно, половинки легко отсоединятся друг от друга. Эта простая демонстрация воздействия атмосферного давления была впервые выполнена немецким учёным Отто фон Герике в 1654 году. После того как ободья смазали и откачали из них воздух, целостность сферы не смогли нарушить даже с помощью упряжек лошадей.

Отто фон Герике родился в 1602 году в патрицианской семье из Маглебурга. До пятнадцати лет его обучали частные учителя, после чего начал он решил изучать право и философию в Лейпцигском университете. После этого он учился в Академии Юлия в Хельмштедте и университетах Йены и Лейдена. В Лейдене он прошёл курсы математики, физики и военной инженерии. В 1631 году фон Герике устроился на работу инженером-строителем, его попросили помочь с восстановлением Магдебурга, разрушенного во время Тридцатилетней войны. В 1646 году он был избран бургомистром Магдебурга; он имел даже больше власти, чем мэр. Фон Герике занимал эту должность до своей отставки в 1678 году. За четыре десятилетия пребывания на этом посту он совершил множество дипломатических миссий; он встречался с влиятельными руководителями и секретарями и обращался к прославленной элите герцогов, королей и императоров.

Отто фон Герике

Несмотря на свои рабочие обязанности, фон Герике никогда не отказывался от науки, и одним из его самых страстных увлечений был вакуум. Во времена фон Герике работа водяных насосов основывалась на всасывании, однако они могли поднимать воду только до определённой высоты. Экспериментальным путём было установлено, что эта высота составляла примерно 105 метров. Этот предел представлял собой проблему для реализации проектов герцога Тосканского по ирригации, дренажу шахт и строительству декоративных фонтанов, поэтому он поручил Галилео Галилею заняться этим вопросом. Галилей ошибочно предположил, что водный столб не выдерживает собственного веса, когда вода достигает высоты 105 метров. Гаспаро Берти также принял вызов; ему удалось создать вакуум над водной толщей, но он не смог дать этому научного объяснения. Именно ученик Галилея, Эванджелиста Торричелли, первым написал убедительный аргумент в пользу того, что пространство наверху было вакуумом. Получалось, что высота столба была ограничена максимальным весом, который могло выдержать атмосферное давление. Это называется предельной высотой всасывающего насоса.

Фон Герике совершил прорыв в 1640 году, построив первый вакуумный насос. Он был оснащён поршнем и был способен полностью осушать сосуды. Фон Герике продемонстрировал, что звенящий колокол не слышно в вакууме, что свечи не горят, а птицы и рыбы не могут выжить при очень низком давлении воздуха. Проводя эксперименты с ртутным барометром (изобретённым Эванджелистой Торричелли) на горных вершинах, фон Герике продемонстрировал, что Земля удерживает лишь ограниченное количество воздуха. Таким образом, он пришёл к выводу, что за пределами нашей атмосферы, должно быть, существует вакуум.

В 1654 году фон Герике пригласили в Регенсбург, чтобы провести эксперименты с вакуумом перед высшими сановниками Священной Римской империи. Фон Герике взял две плотно прилегающие медные полусферы и с помощью вакуумного насоса выкачал из них воздух. Затем он с помощью двух упряжек из шестнадцати лошадей (по восемь с каждой стороны) попытался отделить полусферы друг от друга, но у него ничего не получилось. Фон Герике повторил эксперимент два года спустя в своём родном городе Магдебурге, который он тогда возглавлял. Та же демонстрация была снова проведена в Берлине в 1661 (или 1663) году перед Фридрихом Вильгельмом, курфюрстом Бранденбургским, на этот раз при участии двадцати четырёх лошадей.

Эксперименты фон Герике с вакуумом вдохновили Роберта Бойля на проведение собственных исследований, которые в конечном итоге привели к формулировке закона Бойля, который гласит, что объём тела идеального газа обратно пропорционален его давлению.

Магдебургские полушария - это классический физический эксперимент, демонстрирующий невероятное
давление, которое атмосфера вокруг нас оказывает на наши тела и все остальное.
Аппарат эксперимента состоит из двух латунных полусфер, которые соединяются вместе, образуя
герметичное уплотнение. Одно полушарие имеет трубку, которая может быть присоединена к вакуумному
насосу, и запорный кран, чтобы закрыть его. Когда воздух высасывается изнутри полушарий, а клапан
закрыт, две половины прочно удерживаются вместе давлением воздуха окружающей атмосферы.
Практически невозможно развести полушария любым количеством рук. Как только воздух
возвращается, половинки легко разваливаются. Эта простая демонстрация давления атмосферы
была впервые сделана немецким ученым Отто фон Герике в 1654 году. Когда обода были
запломбированы смазкой и откачан воздух, сферу не могли развести упряжки лошадей.

Отто фон Герике родился в аристократической семье Магдебурга в 1602 году. До пятнадцати лет он
обучался у частных лиц, после чего начал изучать право и философию в Лейпцигском университете.
После этого он учился в Академии Юлии в Хельмштедте и университетах Йены и Лейдена. Именно в
Лейдене он впервые посетил курсы математики, физики и военной инженерии. В 1631 году Герике был
назначен инженером-строителем, чтобы помочь восстановить Магдебург после того, так как он
был серьезно поврежден во время Тридцатилетней войны. В 1646 году он был избран бургомистром
Магдебурга, главным магистратом или исполнительной властью города, что давало больше
власти, чем у мэра. Он занимал эту должность до своего выхода на пенсию в 1678 году. За четыре
десятилетия своего пребывания в должности он предпринял множество дипломатических миссий.

Отто фон Герике

Несмотря на свои общественные обязанности, фон Герике все же находил время, чтобы заниматься
своими научными работами, одной из которых был вакуум. Ко времени фон Герике водяные насосы
были основаны на всасывании, но эти насосы могли поднимать воду только на определенную высоту.
Экспериментальным путем было определено, что эта высота составляла примерно 34 фута. Это
ограничение было проблемой в проектах ирригации, шахтного дренажа и декоративных фонтанов,
запланированных герцогом Тосканы, поэтому герцог поручил Галилео Галилею исследовать
проблему. Галилей ошибочно предположил, что столб воды ломается от собственного веса, когда
вода поднимается на 34 фута. Гаспаро Берти также принял вызов и сумел создать вакуум над
водяным столбом, но не смог это объяснить. Студеннтка Галилея Евангелиста Торричелли первой
привела убедительный аргумент о том, что пространство наверху - это вакуум. Таким образом,
высота колонны была ограничена максимальным весом, который могло выдержать атмосферное
давление. Это предельная высота всасывающего насоса.

Фон Герике совершил прорыв в 1640 году, построив первый вакуумный насос. Вакуумный насос фон
Герике работал с поршнем и был способен откачивать целые сосуды. Фон Герике продемонстрировал,
что звон колокола нельзя услышать в вакууме, что свечи не горят и что различные виды птиц и рыб не
могут выжить при очень низком атмосферном давлении. Проведя эксперименты с ртутным барометром
(изобретенным Евангелистой Торричелли) на вершине гор, фон Герике продемонстрировал, что Земля
улавливает лишь ограниченное количество воздуха. Поэтому он пришел к выводу, что за пределами
нашей атмосферы должен существовать вакуум.

Гравюра, изображающая эксперимент Отто фон Герике "Магдебургские полушария".

В 1654 году фон Герике был приглашен в Регенсбург, чтобы продемонстрировать свои эксперименты
с вакуумом перед высшими сановниками Священной Римской империи. Фон Герике взял две плотно
прилегающие друг к другу полусферы из меди и с помощью вакуумного насоса откачал воздух из
сферы. Затем он присоединил две команды из шестнадцати лошадей (по восемь с каждой стороны),
но они не смогли развести полушария. Через два года эксперимент повторили в его родном городе
Магдебурге, где он был мэром. Та же самая демонстрация была проведена снова в Берлине в 1661
(или 1663 году) перед Фридрихом Вильгельмом, курфюрстом Бранденбурга, с двадцатью
четырьмя лошадьми.

Магдебургское полушарие на Международной и универсальной
выставке 1967 года в Монреале, Канада.

Магдебургские полусферы представляют собой пару больших медных полусфер, которые снабжены соединительным кольцом, образующим сферу , и используются для демонстрации силы атмосферного давления . Демонстрация заключалась в попытке разделить оба полушария двумя конскими выстрелами, когда края были запечатаны смазкой, а воздух из их внутренней части откачивался с помощью пневматической машины или насоса, создавая вакуум . Магдебургские полушария были разработаны в 1656 году немецким ученым и магдебургским бургомистром [ 1 ] Отто фон Герике для демонстрации работы вакуумного насоса. он изобрел и понятие атмосферного давления. Первый искусственный вакуум был создан несколькими годами ранее Эванджелистой Торричелли и вдохновил Герике на разработку первого в мире вакуумного насоса, который состоял из цилиндра и поршня с односторонними дроссельными клапанами. Полушария стали популярными на уроках физики как иллюстрация силы давления воздуха и до сих пор используются в образовательных учреждениях. Пара оригинальных полушарий хранится в Немецком музее в Мюнхене .

Появление

Артефакт состоит из двух медных полусфер диаметром 50 см и объемом около 65 литров . К одному из них приварен трубопровод с вентилем , который можно открывать и закрывать по желанию. Он был разработан и создан фон Герике. На полюсе каждого полушария есть кольцо , удерживающее его.

История и полезность

Эксперимент состоял в попытке разделить две металлические полусферы диаметром около 50 см, соединенные между собой простым контактом, образуя герметически замкнутую сферу, воздух из которой откачивался вакуумным насосом, кстати, изобретенным самим фон Герике. . Для облегчения герметичного закрытия металлических полушарий или полушарий было доступно кожаное кольцо, которое помещалось между соприкасающимися поверхностями. В каждом полушарии было несколько колец для пропуска через них веревок или цепей и, таким образом, их можно было тянуть в противоположные стороны.

Зрители были совершенно поражены, обнаружив, что разные группы мужчин, тянущихся изо всех сил в обе стороны, не могут разделить полушария. Они также изначально не могли разделить шестнадцать лошадей на две группы по восемь с каждой стороны. Только через некоторое время, приложив огромные усилия, они достигли своей цели, вызвав огромный рев. Полушария, образующие сферу, для раскрытия которой потребовалось столько усилий, были без труда разделены простым впуском внутрь их воздуха.

В 1654 году фон Герике осуществил в Регенсбурге - перед собравшейся публикой и перед самим императором Фердинандом III Габсбургом - демонстрацию скорее цирковую, чем научную, наделив эксперимент очень эффектной картиной того времени, чтобы снискать себе славу в в то же время он пытался наделить ее реалистичностью и правдоподобностью (в те времена, чтобы не прослыть фальшивкой, требовалось присутствие и вмешательство известных людей).

На практике он служит физическим экспериментом для демонстрации атмосферного давления .

На полушария действует только атмосферное давление, так как при вытяжке воздуха внутри нет давления . Наоборот, атмосферный воздух давит на внешнюю поверхность полушарий и, если эта поверхность достаточно велика, для их разъединения нужна достаточно значительная сила .

Технический аспект

Следует отметить, что сферический формат конструктивно идеально подходит для того, чтобы выдерживать разницу давлений, но до тех пор, пока он выдерживает эту разницу, жизнеспособна любая форма, обеспечивающая герметичность. Конструкция должна предотвращать боковое смещение.

Эти две части вместе сравнимы с полым телом с внутренней частью в вакууме (на практике с очень небольшой частью атмосферного давления снаружи) и погруженным в жидкость (воздух), которая подвергает все целое равномерному сжатию. Разница давлений внутри и снаружи устройства создает силу, удерживающую его вместе. Конечно, только компоненты, нормальные ( перпендикулярные ) к плоскости контакта между двумя частями, поддерживают соединение.

Элементарное исчисление

Сопротивление отрыву определяется произведением разности давлений на поверхность плоскости контакта, ограниченную точками этого контакта.

Проще говоря, он отвечает общей формуле:

Ф знак равно Δ п С

где - сила в ньютонах или килопондах (kp, как эквивалент килограммовой силы, кгс), - разность давлений (внешнее давление минус внутреннее давление) в паскалях (Па) и - поверхность в квадратных метрах (м²), учитывая, что 1 атмосфера эквивалентна 101 325 Па. Если, например, рассчитать на приборе радиусом 25 см, подобном тому, который использовал фон Герике, и после присоединения уменьшить внутреннее давление до 0,2 атм , то имеем : Ф Δ п С

Ф знак равно ( п 2 − п 1 ) 4 число Пи р 2 -p_ ) 4 \ пи R ^ >

Так как площадь круглого сечения сферы радиуса равна и при пренебрежимо малой толщине полусфер, то есть увеличение внешнего радиуса по отношению к внутреннему радиусу мало по сравнению с радиусом . р 4 число Пи р 2 > р

Если мы рассмотрим средний вес 80 кг на человека, он выдержит вес примерно 81 человека.

Расширенный расчет

В этот момент мы можем сказать:

Ф с участием знак равно ∬ С Δ п г С с участием знак равно Δ п ∬ С потому что ⁡ θ г С = \ iint _ \ Delta p \, dS_ = \ Delta p \ iint _ \ cos \, dS>

Переходя от декартовых координат к сферическим, имеем, что , где – определитель Якоби и в данном случае равен с как радиус сферы. Поэтому вы получаете: г С знак равно Дж г θ г ф Дж р 2 без ⁡ θ \ грех > р

Ф с участием знак равно Δ п ∬ С потому что ⁡ θ г С знак равно Δ п ∫ 0 2 число Пи г ф ∫ 0 число Пи / 2 р 2 без ⁡ θ потому что ⁡ θ г θ =\Delta p\iint _\cos \,dS=\Delta p\int _^<2\pi >\,d\phi \int _^<\pi /2>R^\sin \cos \,d\theta >

Извлекая константы и применяя синус двойного угла , мы можем написать:

которая является произведением разницы давлений и площади большого круга, окружности совпадения точек контакта между двумя полушариями.

Используя те же значения предыдущей модели, которые использовал фон Герике, но на этот раз, доведя внутреннее давление до 0,1 атм, мы будем иметь:

что соответствует примерно 1825 кгс на пределе отрыва. Если мы возьмем средний вес 70 кг на человека, он выдержит вес примерно двадцати шести человек. [ 3 ]

Приложения

Присоски работают по тому же принципу и имеют интересные практические применения, особенно в промышленности.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Земная поверхность и все тела на ней испытывают давление толщи воздуха, т. е. испытывают атмосферное давление *

Много и плодотворно изучением атмосферного давления занимался Отто фон Г е р и к е — бургомистр города Магдебурга. Он был образованным человеком: прошел курс наук в Иене и Лейпциге, изучал физику, математику, юридические науки. *

В мае 1654 г. Отто фон Герике поставил опыт, который явился важным этапом в деле изучения атмосферы. *

Повторение опыта Герике Поставим зажженный огарок в один из стаканов. Вырежем из нескольких слоев газетной бумаги, круг диаметром немного большим, чем внешний край стакана. Затем вырежем середину круга таким образом, чтобы большая часть отверстия стакана оставалась открытой. Смочим бумагу водой, полученную эластичную прокладку положим на верхний край первого стакана. Осторожно поставим на эту прокладку перевернутый второй стакан и прижмем его к бумаге так, чтобы внутреннее пространство обоих стаканов оказалось изолированным от внешнего воздуха. Свеча вскоре потухнет. Нижний стакан как бы прилипает к верхнему. Почему это произошло? *

Огонь нагрел воздух, содержавшийся в нижнем стакане, воздух расширился и часть его вышла из стакана. Когда вы медленно приближали к первому второй стакан, содержащийся в нем воздух тоже нагрелся и часть его вышла наружу. Значит, когда оба стакана были плотно придавлены один к другому, в них было меньше; воздуха, чем до начала опыта. Свеча потухла, как только был израсходован весь содержащийся в обоих стаканах кислород. *

Читайте также: