Itt bepillanthatsz
a Mi MICSODA filmekbe:

Get Flash to see this player.

A vákuum

2013. szeptember 02., 09:25
 

Nem könnyű elképzelni, hogy ha felülünk egy repülőre, amely a gyorsulása révén felemelkedik és fenn is marad, akkor itt ugyanaz a jelenség játszik szerepet, mint a forró lekvárral töltött befőttesüvegnél, amelynek fedele kinyithatatlanul odatapad, ha kihűlt az anyag. Ez a jelenség a vákuum keletkezése.


 
Ez Torricelli kísérletének szokásos ábrázolása. (A „mercury” szó jelentése: higany, az „air pressure” légnyomást jelent.)

Mióta ismert a vákuum?
Elsőként a görögök keresték a válaszokat arra az igen nehéz kérdésre, hogy miből áll a világ, mi az őselve (ha van, egyáltalán), mi az építőanyaga és mi okozza benne a változásokat, vagyis az élet jellemzőit. Mivel még nem létezhettek pontos és sokféle méréshez alkalmas műszerek, a kísérletezések nem játszhattak jelentős szerepet, és a fizika nem különülhetett el önálló tudományágként. Így az anyag szerkezetéről való gondolkodás szükségképpen csak az általános gondolkodás, vagyis a filozófia szerves része lehetett. Ezért a filozófusok voltak azok, akiknek kezdeniük kellett valamit a „semmi”, az „űr” – latin szóval a „vacuum” (üres tér, hely) – fogalmával. Márpedig a „semmi”, az üres tér képzete abban a pillanatban előkerült, valahányszor a „valami” fogalmáról kezdtek gondolkodni. Elsőként Démokritosz (kb. Kr.e. 460-370) volt olyan bátor, hogy „valaminek”, vagyis létezőnek tekintette a „semmit”, az elvileg „nem létező”-t. (Ennek egyébként a „nulla” matematikai fogalmának kialakításában és használatában is nagy volt a jelentősége. Ezt bizonyíthatóan a hindú csillagászok kezdték használni, de a Kr. e. 5. századi gondolkodási rendszerük alapján a görögök is eljuthattak a fogalmáig.)
Démokritosz úgy gondolta, hogy a létező világ végtelen sokaságú, parányi, éppen ezért az emberi érzékszervek által fel nem fogható részecskéből, atomból épül fel. (A maghasadás felismeréséig legkisebb egységként kezelt anyagi részt az ő, athomosz = oszthatatlan szava alapján nevezték atomnak.)  Ebből logikusan következett, hogy a részecskéknek helyeket kell betölteniük, amelyeket „az üres, „a semmi” vagy „a határtalan” nevekkel illetett, míg az egyes szubsztanciáknak „a tömör” ill. „a létező” neveket adta. Vagyis az ő értelmezésében – amely egyébként nagyon hasonlított a későbbi, kísérletekkel alátámasztott, kinetikus gázelmélet képéhez – a világban nincs más, mint homogén szubsztanciájú (a lényegüket illetően egynemű) atomok és a köztük lévő űr, a vákuum. Az űr létének elfogadása minden szempontból forradalmi jelentőségű volt. Démokritosz ebből vezette le azt az állítását is, amely szerint a világnak végtelennek kell lennie, a „valami” és a „semmi” végeérhetetlen láncolatából kell állnia, amelyet nem teremtett semmiféle külső erő vagy hatalom. Ez is vált később az egyik okává annak, hogy a keresztény egyház évszázadokon át erkölcstelenségnek tekintette a vákuum feltételezését, amely másfelől a szerinte mindenütt jelenlévő Isten megtagadását jelentette. De Démokritosz elméletét már Arisztotelész is olyan nagy erővel bírálta, hogy emiatt kétezer évig háttérbe kellett szorulnia. Arisztotelész szerint üres tér, vákuum nem létezhet, mert attól úgymond „irtózik a természet”. Ezt fogalmazta meg a „horror vacui” (irtózás az ürességtől) kifejezéssel, amely azután évszázadokig támadhatatlan tétel maradt, annak ellenére, hogy misztikus alapon magyarázott egy objektív természeti jelenséget. Ám Arisztotelész egész életművének hatalmas és sok mindent megalapozó volta ezt az állítását is megkérdőjelezhetetlenné tette.

A nyomókutakat, amelyek évszázadokon át szolgálták az embereket, gyakran gyönyörűen megmunkált, kovácsoltvas fejjel szerelték fel.

A szivattyúzás korlátjai, mint gyanúra okot adó jelenségek
A vákuum lehetőségének gyanújával akkor kezdtek el komolyabban foglalkozni, amikor a technika fejlődése már lehetővé tette a szivattyúk rendszeres használatát. Ez a 17-dik században következett be. Észrevették, hogy bármilyen jó minőségű szivattyút használnak, a vizet maximum tíz méter mélységből tudják a felszínre juttatni, mert az ennél magasabb vízoszlop egyszerűen megszakad a dugattyús csőben és visszazuhan. És mivel a zárt fémcső belsejébe nem lehetett belelátni, fogalmuk sem lehetett arról, hogy mi is történik odabenn, a dugattyú által felhúzott vízoszloppal. Ugyanakkor az látszott logikusnak, hogy valahol a csőben üres térnek kell keletkeznie, és hogy valamilyen módon ennek van szerepe a víz felszippantásában. De hogy ez az űr a dugattyúnál vagy lejjebb jön-e létre, azt például senki sem nézhette meg, hiszen a szivattyúk vastag csöveit nem lehetett üvegből legyártani.
A kérdéssel Galilei is foglalkozott. Ő továbbra is úgy gondolta, hogy itt a misztikus horror vacui érvényesül, de nem lett volna tudós, ha nem akarja valahogy mégis megmérni, hogy vajon mekkora erővel is hat a természetnek ez az „irtózása”. Kísérletei során egyre nagyobb súlyt akasztott egy dugattyúra, amely egy vízzel telt henger alját zárta le, és így kapott egy számot arra, hogy a súlyok mikor kezdik el lefelé húzni az egész csövet. Ezt tekintette a vákuum erejét mérő számnak. Ugyanakkor még mindig azt a – hamis – magyarázatot tartotta érvényesnek, hogy a vízoszlop magától omlik össze, vagyis nem keresett valamiféle külső, a vízen és a csövön kívülről érkező hatást. Megtette azonban ezt helyette egy tanítványa, Torricelli, aki 1643-ban Vivianival együtt elvégezte azt az alapvető kísérletet, amely nélkül ma nem létezhet fizikatanítás. Ennek legfontosabb eleme az volt, hogy Torricelli nem a nehézkesen mérhető, magas vízoszlopot, hanem a víznél tizenháromszor nagyobb fajsúlyú, jóval sűrűbb higanyt választotta, amelyből sokkal kisebb mennyiség is elég volt a kísérletezéshez. Ez pedig lehetővé tette, hogy végre üvegcsővel dolgozzon, és belelásson a folyamatba. Torricelli, tisztán logikai úton eleve azt feltételezte, hogy a levegő külső nyomása hozza létre a jelenséget – ez volt tehát a hipotézise. Ennek bizonyítására egy higannyal teli edénybe egy szintén higannyal töltött, egyik végén nyitott üvegcsövet helyezett be, a nyitott végével lefelé. Azt látta, hogy a higany a csőben elindul lefelé, a tálban ennek megfelelően kissé megemelkedik a folyadék szintje, és a folyamat az oszlopnak nagyjából a hetvenhat centiméteres magasságban megáll. Az üres tér, amelyet azóta is Torricelli-űrnek nevezünk, az oszlop tetején látható. Torricelli ezt úgy foglalta össze, hogy mivel a higany külső (tálbeli) felületére egy ötven mérföld magas légoszlop nehezedik, ennek súlya pontosan addig hagyja süllyedni (vagy ha dugattyúval húzzák: fölemelkedni) a csőben lévő higanyt, ameddig annak nyomása egyensúlyba nem kerül a külső levegőével, amely a tálban lévő folyadék felületére nehezedik. Ezt a magyarázatot később csak annyiban kellett pontosítani, hogy az üvegcső felső részében nem jött létre tökéletes vákuum, mert ott nagyon ritka higanygőz volt jelen, ez azonban nem érintette a kísérlet lényegét, vagyis az arisztotelészi vákuum-tagadási elmélet megdöntését. Torricelli bebizonyította, hogy a vákuum létezik, hogy a légnyomás hozza létre és hogy a létrejötte a folyadék sűrűségétől is függ. Ettől kezdve megnyílt az út, részben a vákuum részletes tanulmányozásához, részben ennek tapasztalatai alapján a sokoldalú felhasználásához, a mesterségesen létrehozott nyomás- majd hőmérsékletkülönbségek kihasználásához.
Azt már a következő évtizedekben megállapították, hogy a fény áthatol a vákuumon, de a hang nem, hogy égés nem lehetséges benne, és a belehelyezett állatok elpusztulnak. Így a vákuum legegyszerűbb meghatározása a „légüres tér” lett, amihez hozzá kell tenni, hogy földi körülmények között sosem lehetséges tökéletesen anyaghiányos formájában, csak részleges vákuumról beszélhetünk. Teljes vákuum csak a világűrben van.

A köpölyözés olykor vicces látványt hoz létre, de megéri, mert a vákuummal „dolgozó” burácskák hatékonyan elűzik a fájdalmakat.

Hol kezdődött a vákuum sikerhadjárata?
A vákuumot először és leglátványosabban az izzólámpáknál használták fel, ahol a különféle izzószálakat védték vele, a levegő oxidáló hatásától. Már 1840-ben vákuumos burákban világítottak Warren de la Rue tekercselt platina szállal felszerelt égői. Később, a Walther Nernst német fizikus és kémikus által kifejlesztett, kerámia izzószálú lámpákhoz nem kellett vákuum, ám ezt a lámpafélét hamarosan kiszorították a fémszálas izzók, amelyek szálait ismét célszerű volt légüres térrel vagy semleges gázzal, pl. argonnal védeni.
Az égők mellett a szivattyúval működő nyomókutaknál vált hamar mindennapossá a vákuum.
A természetes gyógymódok egyik legrégebbi eszköze volt a köpölyöző, amelyet mázas kerámiából, bambuszból vagy üvegből formáltak harang alakúvá. Felmelegítették, és szorosan rányomták a fájó testrészekre. A hűlése során vákuum keletkezett, amely fölemelte a bőrt, például a begörcsölt izmokról, így azokat könnyen ki lehetett lazítani. Ma már gyorsabban bevákuumozódó, pumpás köpölyözőket használnak, például a reuma enyhítésére.
Az már a huszadik század leleménye, hogy az élelmiszerek csomagolásánál is felhasználják a vákuumot, amely azért előnyös, mert akadályozza a baktériumok szaporodását. De a légritka vagy légüres tér kiváló hőszigetelő is, így kettős falú ablakok és termoszok is készülnek vákuummal. A vákuum segíti a kipárolgást, ezért szárításra, desztillálásra is jól használható. Az egészségügyben a nehezebb szüléseknél is nélkülözhetetlen: ha kell, vákuumos fogókkal segítik világra a szülőcsatornába beszorult kisbabákat. Emellett műtétek közben a szivárgó vér elszívását, az szállítását és az orvosi eszközök fertőtlenítését is vákuummal oldják meg. Egyszóval ma már a vákuummal az élet minden területén találkozhatunk, de szerencsére már anélkül, hogy ez nagyobb, filozófiai vagy vallási megrázkódtatást jelentene.

 

Lévai Júlia

 
Nyomtatóbarát verzió
Küldd tovább ezt a cikket barátodnak, ismerősödnek
Ajánld a Mi MICSODA Klubot barátodnak, ismerősödnek

Kapcsolat | Impresszum