Temas de física IV - FDR

Profesor: Fernando del Río H

Temas de física/ otoño 2010 1

Temas de Física Otoño 2010

IV. El descubrimiento del vacío, el peso del aire y la presión



Bomba de succión para agua.

En el siglo XVI se utilizaba, en casas, en la agricultura y en la naciente industria, para extraer agua de minas o pozos.



Rompimiento de la columna de agua

Según la experiencia de constructores de bombas de agua de Florencia (cerca del nivel del mar) en el siglo XVI, no se puede succionar agua a más de

una cierta altura (el equivalente de 10 metros).

La más alta columna de agua que se sostenía tenía 10 metros de altura.

Si el tubo era más alto, la columna “se rompía”, es decir, se separaba del pistón de la bomba y penetraba aire.

¿Por qué una bomba puede succionar el agua?

¿Por qué se rompe la columna de agua a los diez metros?



Explicaciones

El mismo Galileo, afirmó que la bomba podía succionar el agua debido al “horror al vacío”.

Según una versión, cuando joven, a Vincenzo Viviani (1622-1703) se le ocurrió

–cerca de 1643– que el agua es succionada por la bomba debido al peso de la atmósfera que empuja el agua en la parte inferior de la bomba, abierta a la

atmósfera.



Entonces una columna de agua de 10.3 m pesa lo mismo que la atmósfera. Si eso es cierto se puede hacer una experiencia con mercurio, llamado entonces “plata viva”; como el mercurio es 13.5 veces

más denso que el agua, la columna de agua corresponde

a 750 cm de Hg. Según esto, Viviani sugirió a

Evangelista Torricelli utilizar mercurio.

Evangelista Torricelli (1604-1647)



Según otra versión1 Torricelli experimentó con columnas de mercurio, Hg, y encontró que también tenían una altura máxima;

esta altura, respecto a la máxima del agua en las bombas, estaba en razón inversa de su peso específico (densidad).

hH2O

hHg=

!Hg

!H2O

De aquí pensó que el sustento de ambas columnas era un contrapeso común:

!H2O " hH

2O = !Hg " hHg

¿Cuál podía ser este contrapeso?

1 Recherches sur les modifications de l’atmosphere…J A de Luc, Ginebra, 1777



Al constatar que los extremos superiores de las columnas

no estaban en contacto con el aire, mientras que los inferiores sí lo estaban,

se percató que el contrapeso de las comunas era el peso del aire.

[Ya Galileo había considerado el peso del aire pero no había desarrollado todas sus implicaciones (lo más probable es que no

tuviese ocasión de hacerlo).]



El simple manómetro de Torricelli, 1643.

El P Mersenne divulgó en Francia, en 1644, los experimentos de Torricelli.

“Vimos que se hacía un espacio vacío sin que nada le pasara al tubo donde se formaba … Afirmo que la fuerza que impide que el mercurio caiga es externa y viene de afuera del tubo. Sobre la superficie del mercurio de la tina descansa el peso de una columna de cinco millas de aire.”



Aparece René Descartes

René Descartes (1596-1650)



Parece que Descartes no presenció los experimentos de Torricelli. No obstante, en una carta a Mersenne le atribuye al peso del aire la adherencia de las partículas de los cuerpos y la elevación del agua en las bombas de succión.

Descartes, afirmó que la atmósfera era una capa que rodea la Tierra.

En otra carta, explica por la misma causa la suspensión del agua en ciertos vasos perforados en ambos extremos cuando se tapona el extemo superior. También hay otra carta donde habla de la suspensión de una columna de mercurio dentro de un tubo sellado en su parte superior. Pero estas cartas no tienen fecha.



Blas Pascal (1623-1662) escribió un Tratado del vacío.

Pascal se enteró de los experimentos de Torricelli por un libro de Mersenne.



En un tubo en U cerrado de los dos lados, el mercurio tenía en ambos el mismo nivel.

Si el peso de la atmósfera era finito (no infinito), entonces la atmósfera era también finita, y como la presión de la atmósfera era debida al peso del aire, al subir a una montaña habría menos atmósfera por encima y por tanto menos peso: la presión sobre la superficie libre del mercurio sería menor.

Desde tiempos de Herón de Alejandría se sabía que el aire era compresible.



La experiencia definitiva para demostrar el principio del barómetro la realizó el cuñado de Pascal, quien subió al Puy-de Dôme, como a 1000 metros de altura, en septiembre de 1648. La columna de Hg era ahí algo menor.



l'Equilibre des liqueurs et de la Pesanteur de l'air.

Después de innumerables experimentos llegó a una conclusión que se conoce como ley de Pascal:

Dentro de un líquido y a una misma altura, la presión es la misma en cualquier lugar y en cualquier dirección.

Pascal podía medir la presión atmosférica, pero también la del aire comprimido y de otros fluidos que se pudieran poner en contacto con el mercurio.



« Para mostrar que una hipótesis es evidente no basta que todos los fenómenos la sigan; por el contrario, si ella conduce a cualquier cosa contraria a uno solo de esos fenómenos, ello es suficiente para establecer su falsedad »

Blas Pascal

B Pascal, Carta a Étienne Nöel

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