空气的压力

在17世纪中期，累根斯堡的居民曾经看到过一件奇事：16匹马有8匹拉向一边，8匹拉向另一边，用尽全力也没把彼此合在一起的两个铜制的半球拉开来。是什么力量使它们合得这样紧呢？“没有什么”，是空气。市长奥托·冯·格里凯就这样让大家亲眼看到了空气并不是“没有什么”，而是有重力并且能对地面上所有物体施加很大的压力。　　这个试验是在1654年5月8日举行的。　　关于著名的“马德堡半球”实验，物理学教科书里都有叙述。但是我还是相信，读者如果能从格里凯本人嘴里听到这个故事，一定会更有趣味。叙述他的实验的这一本书篇幅很大，是用拉丁文写的，1672年在阿姆斯特丹出版。同那个时代所有的书一样，这本书的书名很长。　　这本书的第23章专讲这个实验。让我们直译几段出来：　　奥托·冯·格里凯在无空气空间里进行的所谓新的马德堡实验实验最初是由维尔茨堡大学数学教授卡斯帕尔·萧特规划的。著者自己出版，是内容最详细的版本，并附有各种新实验。　　证明空气的压力能够把两个半球紧压得甚至连16匹马都不能拉开它们的试验。　　我定做了两个铜制的半球，直径是3／4马德堡时，可是实际上只有67％时，因为工匠一般都不能精确地按照需要的尺码做出活来。两个半球倒能够完全吻合。在一个半球上装了一个活栓，通过这个活栓可以抽掉球里的空气，并阻止外面的空气钻进球里去。此外，在两个半球上还安了4个环，环上穿着绳子，绳子缚在马的驾具上。我又叫人缝了一个皮圈，把皮圈放在蜡和松节油的混合物里浸透。把皮圈紧夹在两个半球的中间以后，空气就一点也不会漏进球里去了。活栓接上抽气筒的管子，把球里的空气抽出来。这时候可以看出，两个半球是用多大的力量通过皮圈紧紧粘附在一起的。外面空气的压力把它们压得这样紧，连16匹马（拼命挣扎着）都不能把它们拉开，或者只有费了很大的劲才能拉开它们。当马用尽了全力把两个半球最后拉开的时候，还发出了很大的响声，像放炮一样。　　可是只要把活栓转一下，使空气能够流进球里去，两个半球就很容易被手拉开。　　简单的算法能够告诉我们，为什么要用这样大的力量（每一边8匹马）才能把一个空球分开。空气的压力作用在每平方厘米上大约是9．8牛顿，直径36．85厘米（0．67时）的圆的面积等于1065平方厘米。这就是说，大气加在每一个半球上的压力在10446．5牛顿（约1吨）以上。每一边都应该用这么大的力来拉，才能抵消掉球外空气的压力。　　看起来这个力对每一边8匹马说来好像并不很大。可是不要忘记，平常马在拉1吨重的货物的时候，所要克服的力并不是1吨，而是比1吨小得多，只是车轮和轮轴之间、车轮和道路之间的摩擦力。这种摩擦力，譬如在公路上，不过是货物重的5％，也就是1吨货物的摩擦力约500牛顿（即约只有50千克力。实践告诉我们，8匹马一起拉货的时候要损失拉力一半，这一点我们在这里不）。因此，8匹马拉1吨重的货物相当于拉20吨重的一辆货车。你看马德堡市长的马所要拉的这个空气的力有多么大！它们好像是在拉着一台不在轨道上的小火车头。

　　曾经测量过，壮健的驮马拉货车的时候所用的力不过784牛顿（80千克力）。所以为了拉开马德堡半球，在平稳的拉曳情况下，每一边得用1000÷80＝13匹马。　　读者如果知道我们骨骼的某些关节所以不会脱落，同马德堡半球不容易分开有同样的原因，你一定会觉得惊奇的。我们的髋部关节正是这样的马德堡半球。如果把连在这个关节上的肌肉和软骨都去掉，大腿还是不会掉下来，大气压力把它们压在一起了，因为关节之间的间隙是没有空气的。