آزمایش توریچلی – به زبان ساده


«اوانگلیستا توریچلی» (Evangelista Torricelli) دانشمند ایتالیایی، در قرن ۱۷ متولد شد و از شاگردان گالیله بود. او توانست با ساخت دستگاهی فشار جو یا هوا را اندازهگیری کند. آزمایش توریچلی از قرن ۱۷ به عنوان یک آزمایش کاربردی برای اندازهگیری فشار هوا استفاده میشود و به راحتی در آزمایشگاههای ساده فیزیک در مدارس قابل انجام است. در این مطلب به مطالعه آزمایش توریچلی میپردازیم.
دستگاه بارومتر ساده
جزء اصلی آزمایش توریچلی ، بارومتر است. بارومتر دستگاهی برای اندازهگیری فشار جو است که برای اولین بار توسط توریچلی ساخته شد. ساختار این دستگاه بسیار ساده است، لولههای آزمایش مختلفی با قطرهای متفاوت که یک سمت آنها بسته شده است، ساختار اصلی این دستگاه را تشکیل میدهند.
روش کار بدین صورت است که لولهها را از جیوه پر میکنیم و آن را در یک ظرف پر از جیوه به صورت وارونه قرار میدهیم. در این هنگام مشاهده میکنیم که مقداری از جیوه داخل لوله به ظرف سرازیر میشود و در بالای لوله یک فضای خالی ایجاد میشود. به این ترتیب سطح جیوه داخل لوله به اندازه یک بازوی دست انسان پایین میآید.

نکته مهم این است که در آزمایش توریچلی ، او چگونه نتایج آزمایش را تفسیر کرد؟
آزمایش توریچلی
در مطلب مربوط به قوانین گازها به بررسی روابط بین دما، حجم و فشار گازها پرداختیم و بیان کردیم که در حقیقت فشار در گازها، تعداد برخوردهای مولکولها با دیواره ظرف است. هر چه تعداد این برخوردها بیشتر باشد، فشار بیشتر است. با توجه به این تعریف برای فشار گازها، به راحتی میتوان بیان کرد که افزایش دما، افزایش تعداد مولهای گاز و کاهش حجم ظرف باعث افزایش برخورد مولکولهای گاز با دیواره ظرف و در نتیجه افزایش فشار میشود. ولی نکته در اینجا است که این فشار چگونه اندازهگیری میشود؟ مسلماً شما دسترسی به دوربین دقیقی که بتواند حرکت سریع هر یک از هزاران مولکول را ثبت کرده و سپس فشار را به شما اعلام کند، ندارید و طبیعتاً بررسی و اندازهگیری بدین صورت منطقی نیست، پس توریچلی برای اندازهگیری فشار جو چه کرد؟
او اعلام کرد که در فضای بالای لوله که جیوه آن به داخل ظرف ریخته و خالی است، خلاء به وجود آمده است. قبل از او دانشمندانی مانند افلاطون و ارسطو وجود خلاء در طبیعت را رد کرده بودند و در یک جمله اعلام کرده بودند که «طبیعت از خلاء بیزار است» و بحث در مورد خلاء را خطرناک و بیاخلاقی دانسته بودند. موضوع خلاء در زمان توریچلی یک اعتقاد دینی و مذهبی بود و صحبت در مورد این موضوع و اثبات وجود خلاء در طبیعت امری غیر اخلاقی به حساب میآمد، به همین دلیل توریچلی به دلیل درگیر نشدن با کلیسا سالهای بعد عمر خود را در سکوت و انزوا گذراند و سه سال بعد از اعلام عمومی نتایج آزمایش خود درگذشت. او اولین کسی بود که توانست یک خلاء پایدار در طبیعت ایجاد کند.
ولی توریچلی نتایج دیگری نیز از این آزمایش به دست آورد (با اینکه هیچگاه توسط او ثبت نشد). او متوجه شد که به دلیل تغییرفشار هوا، ارتفاع جیوه در لوله تغییر میکند و به این طریق فرد میتواند فشار جو را اندازه گیری کند. در شکل زیر نقاط (۱) و (۲) را در نظر بگیرید. میتوان بیان کرد که فشار در این دو نقطه که در یک ارتفاع قرار دارند با یکدیگر برابر است و داریم:

در رابطه بالا، فشار هوا یا جو است و فشار ستون جیوه است. از مبحث مربوط به فشار مایعات میدانیم که فشار برابر است با:
در رابطه بالا، چگالی مایع، ارتفاع ستون مایع و شتاب گرانش است. بدین ترتیب با توجه به اینکه چگالی جیوه برابر با و ارتفاع ستون جیوه در سطح دریا است، فشار هوا به صورت زیر به دست میآید:
واحد یا را به افتخار پاسکال که مفهوم فشار را کشف و به زبان ریاضی بیان کرد، پاسکال نیز مینامند. همچنین برابر با فشار جو یا در سطح دریا است. در کتابهای مختلف فشار هوا را به صورتهای زیر نیز بیان میکنند:
واحد نیز به افتخار توریچلی برای اندازهگیری فشار جو استفاده میشود. توریچلی متوجه شد که میزان ارتفاع ستون جیوه با تغییر ارتفاع از سطح زمین تغییر میکند و هر چه از سطح زمین بالاتر رویم ارتفاع ستون جیوه و در نتیجه فشار جو کاهش مییابد. تغییرات فشار جو بر حسب ارتفاع را میتوانید در شکل زیر ببینید:

خیلی عالی بود البته فکر میکنم اون قسمت خالی بالای لوله خلا نباشه چون که همون ابتدایی که جیوه خالی میشه اون قسمت خلا هست ولی بلافاصله از بخار جیوه پر میشه
با سلام خدمت شما؛
نکته بیان شده صحیح است، اما این بخار در شرایط عادی فشار و دمای آزمایش، مقدار بسیار کمی خواهد بود. اگر فشار جیوه به اندازهای پایین باشد که نقطه تبخیر جیوه فراتر از فشار آن ناحیه باشد، ممکن است بخار جیوه داشته باشیم که در این صورت باز هم مقدار کمی است. به همین علت بهتر است بگوییم در این آزمایش خلاء نسبی ایجاد میشود.
از همراهی شما با مجله فرادرس سپاسگزاریم.
با سلام
آیا سطح مقطع لوله تاثیری بر ارتفاع ستون جیوه دارد؟
با سلام خدمت شما؛
خیر، ارتفاع ستون جیوه با تغییرا فشار هوا عوض میشود.
از همراهی شما با مجله فرادرس سپاسگزاریم.
سلام. و تشکر بابت ارائه ساده و خیلی خوبتون. یک سوال آیا در ابتدای آزمایش به جای اینکه لوله رو با جیوه پر کنیم و در ظرف جیوه وارونش کنیم میتونیم لوله ی خالی رو در جیوه وارونه کنیم و بعد از بالا اومدن جیوه اندازه ستون رو بسنجیم؟
با سلام؛
به لحاظ تئوری، وارد کردن لوله خالی به ظرف جیوه ممکن است اما در عمل مشکلات و خطاهایی را به وجود میآورد. وارد کردن لوله خالی در ظرف جیوه باعث میشود بالای لوله هوا وجود داشته باشد و فشار به دست آمده دقیق نباشد. پر کردن لوله با جیوه از این مشکل جلوگیری کرده و در بالای لوله خلا ایجاد میکند. همچنین، وارد کردن لوله خالی به ظرف جیوه میتواند باعث به وجود آمدن حباب هوا، یا غیریکنواختی حرکت جیوه در لوله شود.
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس
باسلام
اگر بخواهیم در این آزمایش فشار را از واحد پاسکال به اتمسفر تبدیل کنیم آیا صحیح است که آن را بر عدد ۱/۰۱۳×۱۰⁵ تقسیم کنیم؟
ممنون میشم که سوال من رو پاسخ بدین
با سلام خدمت شما؛
بله برای تبدیل فشار از واحد پاسکال به اتمسفر همیشه باید عدد داده شده را به ۱۰۱۳۰۰ تقسیم کنیم. جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه میتوانید به مطلب «تبدیل واحد فشار – به زبان ساده» از مجله فرادرس نیز مراجعه کنید.
از همراهی شما با مجله فرادرس سپاسگزاریم.
با سلام
سوال بنده در خصوص دماسنج جیوه آیی هست .
آیا دماسنج جیوه آیی در معرض گرانش یا خارج از جو یکسان عمل میکند
با سلام خدمت شما؛
خیر، در دماسنج جیوهای با توجه به اثر گرانش جیوه به شکل یک قطره کامل میتواند جاری شود. به این ترتیب زمانی که جیوه گرم شود، به سمت بالا و در صورت سرد شدن به سمت پایین جاری میشود. در خارج از جو زمین با توجه به کاهش اثر گرانش، عملکرد این نوع دماسنج ضعیف است و دقت خوبی ندارد.
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس.
ساچ عه واوووو…!!! عالی بود خانم داستان.
درود خانم داستان گرامی
اگر بخوام فیزیک رو از صفر شروع کنم باید از کجا شروع کنم ؟
با سلام،
برای شروع فیزیک از صفر، ابتدا باید با مفاهیم پایهای آن مانند انرژی، دما، نور و … آشنا شوید. بنابراین، ابتدا از مطالعه فیزیک نیوتنی یا همان فیزیک کلاسیک شروع کنید. سپس، مطالعه فیزیک مدرن و در ادامه، فیزیک کوانتوم را آغاز کنید. برای درک بهتر این مفاهیم، میتوانید به مطالب نوشته شده در مورد فیزیک، در مجله فرادرس مراجعه کنید.
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس
سلام متشکرم خیلی مفید بود آیا می توانیم به جای جیوه آب بریزیم؟
سلام
در آزمایش توریچلی اگر قطر لوله تغییر میکرد آیا نتایج بدست آمده تغییر میکرد؟ چرا؟
سلام، میتوان اثبات نمود که سطح مقطع مایع بر روی فشار مایعات تاثیری ندارد و عوامل تاثیرگذار تنها شتاب جاذبه، ارتفاع مایع و چگالی مایع هستند.
سرکار خانم دکتر سارا داستان بادرود.در دوران دبیرستان در کلاس فیزک ازمایش فشار مایعات تریچلی در روی چلیک با لوله ای با ارتفاع حدود ۱۵ تا۲۰ متر باعث منفجر شدن بشکه چوبی ( چلیک میشود) در مجتمع مسکونی که من در ان زندگی میکنم با چنین پدیده ای مواجه شدم .اب ۱۵ سپتک نانک سرریز شده وارد میله یاچاهی به ارتفاع ۱۵ تا ۲۰ متر این چاه پشت دیوار محافظ وحائل قرار دارد،وفشار مایع باعث شده که اب از دیوار محافظ بتنی با میله گرد عبور کرده وارد محوطه پارکینگ شود،تا چه حد فشار مایع داخل چاه باعث خرابی دیوار بتنی شود.وکلیه مایع داخل چاه در طبقه منهای ۴و۵و۶ پارکینگ شود.با تشکر ملکی من قبلا چنین متنی ارسال نکردم.
سلام خسته نباشید ببخشید اگه بخواهیم ارتفاع یک محل رو از سطح دریا بگیم باید از چه فرمولی استفاده کنیم مثلا در محلی که ۶۰۰ میلی متر جیوه فشار هوا دارد
آیا باید از ۷۶۰ میلی متر ۶۰۰ میلی متر کم کنیم و سپس حاصل را در ۱۰ ضرب کنیم
ممنون میشم اگه سریع تر پاسخ بدید
سلام و روز شما به خیر؛
خیر برداشت شما از مساله فشار صحیح نیست و رابطه فشار با ارتفاع از طریق P=P0exp(−RTMgh) بیان میشود. برای آشنایی بیشتر با روشهای اندازه گیری فشار مطلب اندازه گیری فشار – از صفر تا صد را مطالعه کنید.
از همراهی شما با مجله فرادرس خرسندیم.
سلام ببخشید یه سوال داشتم. اگر آزمایش توریچلی را در سطح ماه انجام دهیم انتظار چه جوابی را داریم؟
سلام روز شما به خیر؛
آزمایش توریچلی برای اندازهگیری فشار اتمسفر یا هوا استفاده میشود، از آن جهت چون فشار هوا در ماه صفر است پس ارتفاع ستون جیوه در این آزمایش در ماه صفر میشود.
از اینکه با فرادرس همراه هستید خرسندیم.
چرا طول و اندازه سطح مقطع لوله، هیچ تأثیری در ارتفاع ستون مایع در یک بارومتر ندارد؟؟؟
با توجه به وضعیت بارومتر فشار بخار جیوه جمع شده را بر حسب پاسکال حساب کنید؟؟
سلام میشه بفرمایید اگه بخوایم از روی فشار هوا و ارتفاع محل رو به صورت نظری پیدا کنیم باید از چه رابطه ای استفاده کنیم؟ فشار هوا رو داریم و می دونیم که فشار در سطح دریا 76 سانتی متر جیوه است. حالا ارتفاع از سطح دریا رو در اون فشار مد نظر میخوایم پیدا کنیم؟
سلام و روز شما به خیر؛
با استفاده از رابطه P=ρg h که در مطلب نیز به آن اشاره شده است میتوانید با داشتن فشار، ارتفاع را محاسبه کنید.
از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید خرسندیم.
سلام بسیار مفید بود من امتحان فیزیک داشتم متوجه نمیشدم اینو خوندم کاملا متوجه شدم
سلام چه چیزی باعث می شه که جیوه درون شیشه بماند.
با سلام؛
جو همواره بر جیوه داخل gوله فشاری به سمت بالا وارد میکند. در نتیجه، جیوه داخل لوله باقی میماند. در غیاب فشار جو، جیوه در اثر نیروی گرانشی از لوله خارج خواهد شد. بنابراین، فشار جو برابر با ارتفاع جیوه در لوله است.
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس.
سلام
اگر یک بارومتر را از پایین کوه، به بالای کوه منتقل کنیم. ارتفاع جیوه درون لوله چه تغییری خواهد کرد؟ (افزایش/کاهش/ثابت/نمیدانم)
سلام ببخشید میخواستم بدونم اگر ارتفاع شیشه پر از جیوه،مثلا دو متر باشد و ما آزمایش را انجام دهیم، آیا ما حدود یک متر و خرده ای خلأ ایجاد کرده ایم؟
آیا بر ارتفاع ستون جیوه تاثیری دارد؟
ممنون میشم پاسخ بدید
با تشکر از پاسخگویی تان ?
سلام و روز شما به خیر؛
در پاسخ به سوال شما همانطور که در متن بالای تصویر (3) بیان شده باید گفت که هر چه از سطح دریا بالاتر رویم ارتفاع ستون جیوه و فشار کاهش مییابد.
از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید خرسندیم.
سلام . ببخشید یه سوال :
اگر در آزمایش توریچلی بجای جیوه از آب استفاده کنیم به لولهی چند متری نیاز داریم ؟
ممنون میشم جواب بدین البته با راه حل ساده .
سلام . ببخشید یه سوال :
اگر در آزمایش توریچلی بجای جیوه از آب استفاده کنیم به لولهی چند متری نیاز داریم ؟
سلام و روز شما به خیر؛
همان طور که میدانید چگالی آب ۱ و چگالی جیوه ۱۳٫۶ است. بدین ترتیب اگر بخواهید آزمایش را با آب انجام دهید باید ۱۳٫۶ مرتبه بیشتر از لولههای آزمایش با طول ۱ متر استفاده کنید. با توجه به اینکه طول لوله توریچلی برای آزمایش با جیوه ۱۰۰ سانتیمتر یا ۱۰۰۰ میلیمتر است با انجام آزمایش توسط آب باید طول لوله آزمایش شما ۱۳٫۶ برابر شود.
از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید بسیار خرسندیم.