伯蒂的真空實驗又激起了其他人的興趣,其中一位就是托裏拆利。實驗使他想到用比水重的液體代替水,有可能縮短管道的長度。托裏拆利是伽利略的學生,伽利略去世前夕,囑托托裏拆利繼續研究真空問題。
托裏拆利先是用海水,後來改用蜂蜜,最後找到汞(水銀),因為就在他所在的意大利中部地區,有一座汞礦。汞比水重136倍,因此就可以用短十幾倍的管子代替10米長的抽水機唧筒。當時還沒有一個地方能生產承受得住像1米高汞柱那樣重的長玻璃管,托裏拆利就請伽利略的一位年輕學生維維安尼做這樣的玻璃管,並和他一起做了實驗。將長1米的玻璃管,一頭封死,從另一頭灌入汞,直到管端,然後用手指捂住管口,再倒置於汞槽中,觀察撤去手指後汞麵的高度。托裏拆利在1644年向友人寫信報道了這個實驗,並且指出,不論玻璃管的形狀如何,汞柱的高度總是76厘米左右。他的實驗設計得很巧妙,很有說服力。
托裏拆利畫了一幅裝置圖。A、B兩根玻璃管,高度相同,形狀各異,A管上端是一玻璃泡E,顯然AE的體積比B大得多,如果汞柱上升原因是由於“自然界對真空的阻力”,越是稀薄的物質對汞柱的吸力應越大,所以A管的汞柱應升得更高,然而事實上兩支管子達到的高度相同,與容器中剩餘物質的稀密無關,可見作用不是來自管子內部。
為了證明汞柱上方的容器是完全空的,托裏拆利在汞槽裏加進純水,然後慢慢提高玻璃管,他們看到,當管子的開口達到水的那部分時,汞從管中湧出,水卻急速地通過玻璃管上升,充滿整個空虛部分。可見,使汞不掉下的原因,不在於內部,而在於外部。作用於汞柱的力,不是由於真空,而是由於高達80千米的空氣的重量而產生的。他寫道:“汞既無偏愛,也無厭惡,它進入容器並且在管柱中升高到足以與壓它向上的外部空氣的重量相平衡,這有什麼好奇怪的呢?”然後,托裏拆利說如果用水代替汞做同樣的實驗,水柱將會升到10米高,才能平衡大氣的重量施加於它的力。就這樣,托裏拆利對抽水機抽水為什麼不能高過10米,做出了正確的解釋。托裏拆利通過上述實驗發明了測量大氣壓的氣壓計。
不久,托裏拆利的實驗傳到了法國。法國的帕斯卡(B.Pascal)為了檢驗托裏拆利的結論,在巴黎也做起了同樣的實驗。他認為要對汞柱升高的原因是大氣壓的說法作出判斷,最好的辦法是測出高處和地麵上氣壓計汞柱高度的差別。但是當時市內建築不足以得到明顯結果,於是他想到在山頂上做實驗。帕斯卡是一位半殘人,無法爬山,他就求助於其內弟佩利爾(F.Perier)。佩利爾將氣壓計帶到多姆山頂上,他果然發現,在山頂上管中汞柱高度比山下低3英寸(約0076米)多。
佩利爾在返回的路上又做了分段觀測,證明汞柱升高與高度的降低成正比。當他回到出發地時,得知留在山下的另一支氣壓計在他離開的一段時間內汞柱高度並沒有變化。
這個實驗結果使帕斯卡堅定了大氣壓存在的信念。他明確表示,空氣的重量和壓力是造成汞柱懸掛的惟一原因。因為在山下比山上有更多的空氣壓下來,“自然界並不厭惡真空”。
帕斯卡對氣壓計還做了其他研究,例如,他研究了汞柱高度和氣候的關係,從此,氣壓計得到了廣泛的應用。
帕斯卡是法國一位很有才華的數學家和物理學家。他自幼體弱多病,但卻是一個神童,12歲就開始對數學發生了興趣,16歲隨父親參加巴黎的學術活動,17歲提出了投影幾何學中的一個著名定理,20歲發明了第一台機械計算機。
1651~1654年間,帕斯卡研究了液體靜力學,提出著名的帕斯卡定律。帕斯卡於1662年去世,年僅39歲。為了紀念帕斯卡的功績,物理量壓強的單位就以他的名字命名。
4.真空泵的發明
托裏拆利用汞柱倒置的方法使玻璃管的上方出現真空,人們稱之為托裏拆利真空,可以說這是最早獲得真空的方法。他的發現傳開後,人們又做了許多實驗來研究這個現象。例如,1647年有一位法國物理學家叫羅伯維爾(G.Roberval),做了一個有趣的實驗,他從鯉魚肚裏取出魚鰾,盡可能將裏麵空氣排盡,再把開口紮緊,放在托裏拆利真空區內,結果魚鰾膨脹起來。這個實驗令人信服地說明了,大氣壓下留在魚鰾中的殘餘空氣,當外部氣壓減小到零時,會膨脹為很大的體積。不久有人著書評述了這個實驗,認為空氣具有彈性,就好像海綿或羊毛一樣,受到壓力會收縮,壓力減輕會膨脹。
德國人格裏克在事先不知道托裏拆利實驗的情況下也發現了真空。他的經曆饒有興趣。有一天,他讓家人用唧筒抽酒桶中的水,在抽的過程中唧筒脫落了,他們用布條重新綁好,由於填塞過嚴,桶口封住了,結果把桶內的空氣也抽掉了,隻聽得裏麵一片沸騰的噪音。格裏克從這件事得到啟發,就用銅球殼代替木桶,讓家人再用唧筒抽。家人越抽越費勁,最後隻聽嘭的一聲,銅球塌癟了。
1654年,格裏克為了向公眾演示抽氣實驗,他安排了兩個引人注目的表演。由於他那時是德國馬德堡市的市長,所以這兩個實驗也叫馬德堡半球實驗。實驗之一,兩個嚴密對接的半球形金屬殼,中間抽空後,用16匹馬也沒有將兩金屬殼拉開。實驗之二,一對抽空的半球吊在支架上,可以承受非常大的負荷。格裏克沒有對吸力的起因提供解釋,他的貢獻,主要是發明了真空泵。馬德堡市長的新奇實驗轟動了德國,當消息傳到英吉利海峽對岸時,引起一番波瀾,又有人做了許多新奇實驗。其中一位就是大名鼎鼎的玻意耳。
5.水壓機的發明
在帕斯卡之前就有人研究過液體靜力學,並且不很明確地得到了帕斯卡定律。例如荷蘭人斯蒂文就曾用實驗演示過液體中的壓強,他得出結論:液體對盛放液體的容器之底部所施的力隻取決於承受壓力的麵積和它上麵液柱的高度,而與容器的形狀無關。
斯蒂文的實驗裝置中,容器ABCD注滿了水,容器底部有一圓形開口EF,蓋著一個木製的底蓋GH。另有一個容器IRL與ABCD一樣高,也注滿水,底部也有同樣大小的開口和底蓋。他用杠杆拉住底蓋,杠杆的另一端加重物T與S,底蓋分別被重物T與S提起,而T與S彼此相等。這就證明了,盡管這兩個容器的水重不一樣,但底蓋承受的壓力都一樣。
接著,斯蒂文在這個基礎上,證明了液體中各個方向的壓強隻決定於所處的高度。
帕斯卡更深入地研究了液體的靜壓力。他明確地表述了液體中任何點上各個方向的壓強相等的原理。他的成功主要是把大氣壓的成因用於解釋液體中的壓強,找到了兩者的共性,並且巧妙地把實驗和推理結合起來。他在死後第二年出版的著作《論液體的平衡及空氣重量》(1663年)中論述了液體的平衡和浸在液體中的物體所受的壓力,接著根據這些結果解釋了以前歸結為自然界厭惡真空的種種現象。在這本書中,帕斯卡首先介紹一係列實驗結果,然後根據這些實驗結果展開了嚴密的推理。
他在論述液體中壓強的傳遞時,以水壓機模型為例進行推理,寫道:“如有一充水容器,除兩出口外,其餘完全封閉。一個出口比另一出口大100倍。設在每一出口中放入一個大小恰好合適的活塞。一個人推小活塞的推力等於100個人對大活塞施加的推力,所以一個人的力可以勝過99個人的力。”
為什麼小力能克服大力呢?帕斯卡認為這和杠杆原理有類似之處。他依照杠杆原理的推理來證明上述結論:“由於容器內水的連續性和流動性,壓強應遍及容器內各個部分,小活塞把水推動1英寸,水就使大活塞推進1%英寸。100磅水移動一英寸與1磅水移動100英寸,顯然是同樣一回事。”
也就是說:小力雖然隻有大力的1%,但其作用距離卻是大力的100倍,所以效果是相等的。
接著帕斯卡進一步推理:大活塞的力雖然比小活塞的力大100倍,但它與水接觸的麵積也大100倍,所以每部分水的壓強即單位麵積所受的力和小活塞仍然相等。而大活塞所處的位置是任意的,所以這一關係與大活塞所處的位置無關,與其遠近和方向也無關。
於是,帕斯卡就得出了後來表述為帕斯卡定律的明確結論:“在密閉容器裏液體中任何地方施加壓力,其壓強將毫無損失地經液體傳遞到各個部分並垂直於液體的所有表麵。”
6.蒸汽機的發明
蒸汽機的曆史可以追溯到古希臘時代。公元50年,希羅(Heron)發明過一種演示用的蒸汽輪球。當加熱後蒸汽從噴嘴噴出時,輪球就會沿相反方向旋轉。可是當時這一創造成果並沒有得到實際應用,發明者自己也沒有這種打算。1000多年過去了,當工礦業有了發展,才有人試圖製造從礦井裏排水的蒸汽泵。1630年就有人曾因發明以蒸汽為動力的提水機械而獲專利,不過所有活動都隻限於設計或試製,沒有實用價值。實際上隻有德國的巴本(D.Papin)、英國的薩弗裏(T.Savery)和紐可門(T.Newcomen)才是蒸汽機的發明者。
薩弗裏是英國工程師,他在1689~1712年間,先後創製了幾種蒸汽機。其中有一種直接用於提水的機器。其工作原理是:蒸汽從鍋爐通過打開的閥門進入氣包,再把水從那裏通過活動閥(這時另一活動閥關閉)壓到儲水池中,當氣包中的水所剩無幾時,關上閥門,從水箱向氣包放水冷卻,於是氣包內形成負壓(負壓的意思是這裏的氣壓比大氣壓低),在大氣壓的作用下,水從吸筒經活動閥進入氣包(這時另一閥門關閉)。如此周而複始,達到連續抽水的目的。這種蒸汽機提水的高度據說隻有7米,每小時可提水十幾噸,但它需有人每隔十幾秒關一次閥門。如果忘記及時啟閉閥門,就有可能引起鍋爐爆炸。再加上礦井很深,往往需用幾台蒸汽機分幾個台階提水,既不經濟,也欠安全,所以礦主們不大願意采用。