Witamy wszystkich zainteresowanych nauką w tym odcinku, gdzie postanowiliśmy poddać badaniu coś co codziennie oddychamy bez zastanawiania się nad jego właściwościami. Naszym celem jest bezpośrednie ważenie powietrza za pomocą prostej komory próżniowej oraz precyzyjnej wagi sklepowej.
Przygotowanie do pomiaru
Zanim uruchomimy pompę, musimy dokładnie zaplanować eksperyment i przewidzieć oczekiwane wyniki na podstawie obliczeń teoretycznych. Nasza komora ma wewnętrzne wymiary 30x30 centymetrów co daje objętość wynoszącą pełne 27 litrów.
Jeśli przełożymy tę objętość na gęstość powietrza, otrzymujemy wynik około 35 gramów. Ponieważ żadna pompa nie jest w stanie usunąć absolutnie wszystkiego z wnętrza naczynia, zakładamy że osiągniemy próżnię o ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego.
W praktyce oznacza to usunięcie około 95 procent powietrza. Masa tego usuwanego gazu powinna wynosić zatem blisko 33 gramów co jest wartością kluczową dla naszego pomiaru.
Pierwsze ważenie
Zaczynamy od zważenia pustej komory zanim usuniemy z niej powietrze. Urządzenie to jest niezwykle lekkie i łatwe do przenoszenia w dowolne miejsce laboratorium czy domu.
Wskazania na tarczy wskazują początkową wartość, która stanowi nasz punkt wyjścia dla dalszych obliczeń różnicowych. Następnie podłączamy rury odprowadzające oraz uruchamiamy pompę próżniową.
Różnica w masie
Po usunięciu powietrza i ponownym zważeniu komory obserwujemy wyraźną zmianę na tarczy. Wynik końcowy różni się od początkowego o około 30 do 40 gramów co potwierdza nasze wcześniejsze obliczenia.
Jest to dowód naukowy że powietrze posiada masę i nie jest po prostu niczym w sensie fizycznym. Widzimy więc że niewidzialny gaz wypełniający przestrzeń ma realną wagę którą można zmierzyć.
Siła wyporu Archimedesa
Należy jednak pamiętać o zjawisku siły wyporu wynikającym z zasady Archimedesa. Gdy obiekt znajduje się w cieczy lub gazie, działa na niego siła skierowana przeciwnie do grawitacji.
Wartość tej siły jest równa ciężarowi wypartej substancji otaczającej badany przedmiot. W przypadku komory próżniowej jej masa własna przewyższa wagę usuniętego powietrza więc nie unosi się ona w atmosferze ziemskiej.
Porównanie z balonami
Balony latające wykorzystują hel lub wodór aby uzyskać siłę wyporu większą niż ich własna masa. Gdybyśmy mogli wypełnić balon prawdziwą próżnią byłoby to znacznie bardziej efektywne.
Próżnia jest lżejsza od każdego znanej nam gazu i nie wymaga magazynowania ani transportu paliwa. Jest również całkowicie bezpieczna w odróżnieniu od łatwopalnego wodoru czy helu.