Ιστορικά πειράματα και ανακαλύψεις – Μέρος Β΄

 Ιστορικά πειράματα και ανακαλύψεις – Μέρος Β΄

1. Ατμοσφαιρική πίεση – Σφαίρες Μαγδεμβούργου (Otto von Guericke, 1654)

Μεταφερόμαστε στην πόλη του Μαγδεμβούργου τον 17ο αιώνα μ.Χ και συγκεκριμένα στο 1654. Ο δήμαρχος της πόλης (και επιστήμονας) Otto von Guericke έχει κατασκευάσει μια αντλία αέρα. Σχεδιάζει και εκτελεί το εξής πείραμα: παίρνει δύο χάλκινα ημισφαίρια διαμέτρου περίπου 50 εκατοστών, τα ενώνει και τα σφραγίζει κατάλληλα ώστε να μην εισέρχεται αέρας στη σφαίρα από την περιοχή όπου ενώνονται. 

Στο ένα ημισφαίριο έχει προσαρμόσει την αντλία του και μέσω αυτής, αφαιρεί τον αέρα από τη χάλκινη σφαίρα που προέκυψε από την ένωση των δύο ημισφαιρίων. Στη συνέχεια, δένει σε κάθε ημισφαίριο από μια ομάδα αλόγων (ο ακριβής αριθμός τους διαφέρει από πηγή σε πηγή), οι οποίες προσπαθούν να χωρίσουν τις σφαίρες. Κάτι που αποδεικνύεται ακατόρθωτο, καθώς τα ημισφαίρια μένουν ενωμένα, σαν να τα συγκρατεί μια αόρατη, μυστηριώδης δύναμη! Στη συνέχεια, ο von Guericke ανοίγει την αντλία, αφήνοντας τον αέρα να εισέλθει ξανά στη σφαίρα, και τότε τα δύο ημισφαίρια χωρίζονται πολύ εύκολα!

Εικόνα 1: Αναπαράσταση του πειράματος του von Guericke, όπως δημοσιεύτηκε στο βιβλίο του Camille Flammarion “L’ atmosphère météorologie populaire. Paris: Librairie Hachette et Cie, 1888” (σε ψηφιακή μορφή από το ETH Zurich). Image credit: Public domain (https://www.e-rara.ch/zut/doi/10.3931/e-rara-74739).

Το πολύ απλό αυτό πείραμα* επιβεβαίωσε την ύπαρξη της ατμοσφαιρικής πίεσης. Αφαιρώντας τον αέρα από το εσωτερικό της σφαίρας, δημιουργείται μια διαφορά πίεσης με το περιβάλλον. Η διαφορά πίεσης αυτή μεταφράζεται σε δύναμη με φορά προς το κέντρο της σφαίρας**, η οποία τελικά κρατάει τα ημισφαίρια ενωμένα. 

* Το 1643 ο Ιταλός φυσικός και μαθηματικός Evangelista Torricelli είχε μετρήσει την ατμοσφαιρική πίεση χρησιμοποιώντας ένα σωλήνα με υδράργυρο.
** Θυμηθείτε ότι η πίεση ισούται με κάθετη δύναμη ανά επιφάνεια.

2. Περιστροφή της Γης – Το εκκρεμές του Φουκώ (Foucault, 1851)

Μεταφερόμαστε περίπου 200 χρόνια αργότερα στο Παρίσι, όπου χρησιμοποιώντας ένα απλό εκκρεμές, ο Γάλλος φυσικός Léon Foucault θα αποδείξει ότι η Γη περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της!

Ο Foucault κατασκευάζει ένα τεράστιο απλό εκκρεμές, το οποίο αποτελείται από μια σιδερένια σφαίρα μάζας περίπου 28 κιλών και ένα ατσάλινο σύρμα μήκους περίπου 67 μέτρων. Μεταφέρει και κρεμάει την κατασκευή του στο Πάνθεον του Παρισιού (Εικόνα 2) και στη συνέχεια εκτρέπει τη σφαίρα από τη θέση ισορροπίας. Ο Foucault παρατήρησε ότι το επίπεδο ταλάντωσης δεν έμενε σταθερό*, αλλά περιστρεφόταν αργά με το χρόνο, με ρυθμό περίπου 11 μοιρών την ώρα (και επανερχόταν στο αρχικό επίπεδο μετά από περίπου 32-33 ώρες). Λίγη υπομονή και θα δούμε στη συνέχεια του άρθρου τι σημαίνει αυτό!

Εικόνα 2: Φωτογραφία του εκκρεμούς του Foucault στο Πάνθεον του Παρισιού. Image Credit: Rémih. 

Ας κάνουμε ένα πείραμα για να καταλάβουμε τι ακριβώς θα δούμε από το εν λόγω εκκρεμές. Επειδή το να “δανειστούμε” το εκκρεμές από το Πάνθεον ίσως δεν είναι εύκολο, θα ζητήσουμε τη βοήθεια ενός υπολογιστή για να εκτελέσουμε το πείραμα αριθμητικά. Φτιάχνουμε ένα μικρό προγραμματάκι όπου ζητάμε να υπολογιστεί η θέση της μάζας ως συνάρτηση του χρόνου στο x-y επίπεδο (το σχέδιο που θα βλέπαμε δηλαδή αν είχαμε κολλήσει ένα πινέλο με μπογιά στη σφαίρα!). Τα αποτελέσματα δίνονται στην Εικόνα 3.

Εικόνα 3: Τροχιά ενός (υποθετικού) εκκρεμούς Foucault με μήκος 67 μέτρα και αρχική γωνία 3 μοιρών ως προς την κατακόρυφη διεύθυνση, κάπου στην Αθήνα (γεωγραφικό πλάτος περίπου 37.98 μοίρες βόρεια). Πετώντας τη λογική από το παράθυρο για να διευκολυνθούμε στην οπτικοποίηση του αποτελέσματος, έχουμε υποθέσει ότι η περιστροφή της Γης διαρκεί ακριβώς όσο 24 ταλαντώσεις του εκκρεμούς. Μπορείτε να το διαπιστώσετε μετρώντας “ζευγάρια αντιδιαμετρικών ακίδων”: κάθε τέτοιο ζεύγος ορίζει (μαζί με το σημείο ανάρτησης του εκκρεμούς) το επίπεδο ταλάντωσης. Image credit: Δ. Μήλλας.

Το φαινόμενο αυτό οφείλεται καθαρά στην περιστροφή της Γης. Ο ρυθμός περιστροφής του επιπέδου ταλάντωσης εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτους του τόπου (όσο πλησιάζουμε τον Ισημερινό, ο ρυθμός περιστροφής αυτός μειώνεται και γίνεται ακριβώς μηδέν στον Ισημερινό)*. Στους πόλους, ο ρυθμός περιστροφής του επιπέδου ταλάντωσης αντιστοιχεί σε 15 μοίρες ανά ώρα (το οποίο ίσως σας θυμίζει κάτι από τη ναυσιπλοϊα!). Επιπλέον, η φορά περιστροφής αλλάζει ανάλογα με το αν βρισκόμαστε στο βόρειο ή στο νότιο ημισφαίριο (σύμφωνα με τη φορά και αντίστροφα με τη φορά των δεικτών του ρολογιού αντίστοιχα)**.

Το φαινόμενο αυτό οφείλεται καθαρά στην περιστροφή της Γης. Ο ρυθμός περιστροφής του επιπέδου ταλάντωσης εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτους του τόπου (όσο πλησιάζουμε τον Ισημερινό, ο ρυθμός περιστροφής αυτός μειώνεται και γίνεται ακριβώς μηδέν στον Ισημερινό)**. Στους πόλους, ο ρυθμός περιστροφής του επιπέδου ταλάντωσης αντιστοιχεί σε 15 μοίρες ανά ώρα (το οποίο ίσως σας θυμίζει κάτι από τη ναυσιπλοϊα!). Επιπλέον, η φορά περιστροφής αλλάζει ανάλογα με το αν βρισκόμαστε στο βόρειο ή στο νότιο ημισφαίριο (σύμφωνα με τη φορά και αντίστροφα με τη φορά των δεικτών του ρολογιού αντίστοιχα)***.

Αν και θεωρητικά το φαινόμενο αυτό συμβαίνει σε κάθε εκκρεμές, πρακτικά χρειάζεται ένα σχετικά μεγάλου μήκους νήμα/σύρμα για να παρατηρηθεί, ενώ παράλληλα πρέπει να αντισταθμιστεί και η απώλεια ενέργειας λόγω τριβής, για να μπορεί το εκκρεμές να κινείται συνεχώς (π.χ. επί μια ολόκληρη μέρα).

* Το επίπεδο που ορίζεται δηλαδή από τις δύο ακραίες θέσεις του εκκρεμούς και το σημείο ανάρτησής του. Σκεφτείτε το ως ένα φύλλο χαρτί, τοποθετημένο κάθετα στο δάπεδο, που σταδιακά θα περιστρέφεται.

**Ενδεικτικά: στο Παρίσι μια πλήρης περιστροφή του επιπέδου ταλάντωσης συμβαίνει μετά από περίπου 33 ώρες, ενώ στην Αθήνα μετά περίπου 39.

*** Αυτό διότι στον ορισμό του γεωγραφικού μήκους οι γωνίες στο νότιο ημισφαίριο θεωρούνται αρνητικές. Για περισσότερες λεπτομέρειες, χρησιμοποιώντας την έννοια της δύναμης Coriolis, διαβάστε το παλαιότερο άρθρο μας.

Tags: ατμοσφαιρική πίεση, σφαίρες Μαγδεμβούργου, Torricelli, Otto von Guericke, εκκρεμές Foucault, επίπεδο ταλάντωσης