Как нашли атмосферное давление

С атмосферным давлением каждый хорошо знаком, как минимум, благодаря урокам физики и прогнозам погоды. Однако с научной точки зрения понятие давления, а также особенности его возникновения выглядят намного сложнее. Кроме того, интерес вызывают нюансы влияния давления на человека.

Что такое атмосферное давление?

Атмосферное давление – это давление газовой оболочки нашей планеты, атмосферы, которое действует на все имеющиеся в ней предметы, а также земную поверхность. Давление соответствует силе, которая действует в атмосфере на единицу площади.

Если говорить более простым языком, то это сила, с которой повсюду окружающий нас воздух воздействует на поверхность земли и объекты. Отслеживая изменения атмосферного давления, можно в совокупности с другими факторами прогнозировать погодные условия.

Почему и вследствие чего создается атмосферное давление?

Специалисты, изучающие атмосферу Земли и различные метеорологические явления, тщательно следят за тем, как перемещаются воздушные массы. Это основной фактор, влияющий на климатические условия той или иной местности. Эти наблюдения дали возможность понять, почему возникает атмосферное давление.

Всему виной гравитация. Путем множества экспериментов доказано, что воздух отнюдь не невесомый. Он состоит из различных газов, которые имеют определенный вес. Таким образом, на воздух действует сила притяжения Земли, которая и способствует образованию давления.

Интересный факт: весь воздух на планете (или вся атмосфера Земли) весит 51 х 10¹⁴ тонн.

Вокруг земного шара масса воздуха неодинаковая. Соответственно колеблется и уровень атмосферного давления. На участках с большей массой воздуха наблюдается более высокое давление. Если же воздуха меньше (его также называют разреженным в таких случаях), то и давление ниже.

Почему меняется вес атмосферы? Секрет этого явления таится в нагревании воздушных масс. Дело в том, что нагревание воздуха происходит вовсе не от солнечных лучей, а за счет земной поверхности.

Вблизи нее воздух нагревается и, становясь легче, поднимается вверх. В это время охлажденные потоки тяжелеют и опускаются вниз. Этот процесс происходит беспрерывно. Каждый воздушный поток имеет свое давление, а его разность вызывает ветер.

Как влияет состав атмосферы на давление?

В состав атмосферы входит огромное количество газов. Преимущественно это азот и кислород (98%). Также имеется углекислый газ, неон, аргон и др. Атмосфера начинается с пограничного слоя толщиной 1-2 км и заканчивается экзосферой на высоте около 10 000 км, где плавно переходит в межпланетное пространство.

Состав атмосферы влияет на давление за счет плотности. Каждый компонент имеет свою плотность. Чем больше высота, тем тоньше слой атмосферы и ниже его плотность. Соответственно снижается и давление.

Измерение атмосферного давления

В Международной системе единиц атмосферное давление измеряется в паскалях (Па). Также в России используются такие единицы, как бар, миллиметры ртутного столба и их производные. Их применение обусловлено приборами, при помощи которых измеряется давление – ртутными барометрами. 1 мм ртутного столба соответствует около 133 Па.

Барометры бывают двух типов:

• жидкостные;
• механические (барометр-анероид).

Жидкостные барометры заполняются ртутью. Изобретение данного прибора – это заслуга итальянского ученого Эванджелисты Торричелли. В 1644 году он проводил эксперимент с емкостью, ртутью и колбой, которая открытым отверстием опускалась в жидкость.

При изменении давления ртуть то поднималась, то опускалась в колбе. Современные ртутные барометры со шкалами считаются наиболее точными, но не очень удобными, поэтому их используют на метеорологических станциях.

Более распространены барометры-анероиды. В конструкции такого прибора предусмотрена металлическая коробка с разреженным воздухом внутри. Когда давление понижается, коробка расширяется. При возрастающем давлении коробка сжимается и действует на прикрепленную пружину. Пружина приводит в движение стрелку, которая отображает на шкале уровень давления.

Интересный факт: существует эталон единицы давления (как и других единиц физических величин). Первичный эталон, отображающий абсолютное давление максимально точно, находится во Всероссийском НИИ метрологии имени Менделеева (Санкт-Петербург).

Норма атмосферного давления для человека

Нормальное атмосферное давление – это 760 мм ртутного столба или 101 325 Па при температуре 0℃ на уровне моря (45º широты). При этом на каждый квадратный сантиметр поверхности земли атмосфера воздействует с силой в 1,033 кг. Ртутный столб высотой 760 мм уравновешивает массу этого воздушного столба.

Показатель в 760 мм тоже был определен Торричелли в ходе эксперимента. Также он заметил, что когда колба наполняется ртутью, вверху остается пустота. Впоследствии это явление получило название «торричеллиевой пустоты». Тогда ученый еще не знал, что в ходе своего эксперимента создал вакуум – то есть пространство, свободное от каких-либо веществ.

При стандартном давлении в 760 мм ртутного столба человек ощущает себя наиболее комфортно. Если учесть предыдущие данные, то на человека воздух давит с силой около 16 тонн. Почему тогда мы не ощущаем этого давления?

Дело в том, что внутри организма тоже имеется давление. Не только люди, но и представители животного мира приспособились к атмосферному давлению. Каждый орган формировался и развивался под влиянием данной силы. Когда атмосфера воздействует на тело, эта сила распределяется равномерно по всей поверхности. Таким образом, давление уравновешивается, и мы его не чувствуем.

Норму атмосферного давления не стоит путать с климатической нормой. Каждый регион имеет свои стандарты для определенного времени года. Например, жителям Владивостока повезло, поскольку там среднегодовой показатель атмосферного давления почти равен норме – 761 мм ртутного столба.

А в населенных пунктах, расположенных в горной местности (например, в Тибете), давление гораздо ниже – 413 мм ртутного столба. Это связано с высотой около 5000 м.

Повышение и понижение давления

Когда давление превышает отметку в 760 мм. рт. ст., его называют повышенным, а когда показатель меньше нормы – пониженным.

В течение 24 часов происходит несколько перепадов атмосферного давления. Утром и вечером оно повышается, а после 12 часов дня и ночи – понижается. Это происходит в связи с тем, что меняется температура воздуха и, соответственно, его потоки перемещаются.

В зимний период над материковой частью Земли отмечается самое высокое атмосферное давление, потому что воздух имеет низкую температуру и отличается высокой плотностью. Летом наблюдается противоположная ситуация – отмечается минимальное давление.

В более глобальных масштабах уровень давления тоже зависит от температуры. Земная поверхность нагревается неодинаково: планета имеет геоидную (а не идеально круглую) форму и вращается вокруг Солнца. Одни зоны нагреваются сильнее, другие – слабее. Из-за этого и атмосферное давление распределяется по поверхности планеты зонально.

Ученые выделяют 3 пояса, где преобладает низкое давление и 4 пояса с преобладающими максимумами. Зона экватора прогревается больше всего, поэтому легкий теплый воздух поднимается вверх, а у поверхности образовывается низкое давление.

Вблизи полюсов все наоборот: холодный воздух опускается, поэтому здесь отмечается высокое давление. Если посмотреть на схему распределения давления по поверхности планеты, можно заметить, что пояса минимумов и максимумов чередуются.

Кроме того, нужно помнить и о неравномерном нагревании обоих полушарий Земли в течение года. Это приводит к определенному смещению поясов низкого и высокого давления. Летом они сдвигаются в северном направлении, а зимой – в южном.

Влияние на человека

Атмосферное давление оказывает серьезное воздействие на организм человека. Это вполне естественно, если учитывать все вышесказанное относительно силы, с которой воздух давит на наше тело и оказываемого противодействия.

Существует понятие метеорологической зависимости, подтвержденное наукой и медициной. Метеопатами считаются люди, организм которых реагирует даже на минимальные отклонения давления от нормы. К ним также относятся люди с некоторыми хроническими заболеваниями (в частности сердечнососудистой, нервной системы и др.).

В целом организм человека умеет приспосабливаться к изменению климатических условий. Например, при путешествии в страну с совершенно другими погодными условиями может потребоваться несколько дней на акклиматизацию.

Значительные отклонения от нормы будут ощутимы для абсолютно любого человека. Сюда относится как повышенное, так и пониженное давление.

В обычной жизни повышение атмосферного давления до критического уровня, при котором ухудшается самочувствие человека, не происходит (за исключением вышеупомянутых метеозависимых и хронически больных). Ощутить его эффект можно, например, при погружении на большую глубину.

Пониженное атмосферное давление более опасно. Его воздействие можно легко ощутить на большой высоте. Существует понятие высотной болезни, при которой увеличивается количество углекислого газа. Объем кислорода при этом, наоборот, понижается, поэтому ткани организма ощущают кислородное голодание. Сосуды быстро реагируют на это, провоцируя резкое возрастание давления в организме.

Циклон

Циклон – это огромная масса воздуха, которая вращается в виде вихря вокруг вертикальной оси диаметром до нескольких тысяч километров. В центре данного вихря наблюдается пониженное давление.

В Северном полушарии атмосферный вихрь циклона вращается против часовой стрелки, в Южном – по часовой. Циклоны возникают регулярно, так как их образование напрямую связано с вращением Земли. Не бывает циклонов рядом с экватором.

Циклоны бывают двух типов:

1. Тропические. Возникают в тропических широтах, отличаются относительно небольшими размерами. Однако им свойственна огромная, разрушительная сила ветра.
2. Внетропические. Формируются в полярных и умеренных широтах. Достигают нескольких тысяч километров в диаметре.

Интересный факт: в тропических циклонах нередко наблюдается «глаз бури» – это область размером около 20 км в самом центре вихря, в которой сохраняется ясная и безветренная погода.

Главные отличительные особенности циклона – колоссальная энергия, которая проявляется в виде сильных ветров, бурь, гроз, шквалов, осадков. Мощным тропическим циклонам присваивают уникальные имена или названия, например, «Катрина» (2005), «Нина» (1975), «Дориан» (2019).

Антициклон

Антициклон – это не только противоположность циклона. Данное явление имеет другой механизм возникновения. Ветер в обоих полушариях Земли движется в обратном направлении по сравнению с циклоном.

Антициклон представляет собой область высокого давления. Ей свойственны замкнутые изобары – это линии, которыми отмечаются места с одинаковым атмосферным давлением.

Антициклон приносит стабильные погодные условия, соответствующие времени года. Летом это безветренная жаркая погода, зимой – морозная. Характеризуется малым количеством облаков или полным их отсутствием.

Формируются антициклоны на определенных участках. Например, чаще всего они возникают над большими массивами льда: в Антарктиде, Гренландии, Арктике. Также встречаются в тропиках.

Антициклоны тоже несут в себе опасность и неприятные последствия. Они могут способствовать возникновению пожаров, продолжительных засух. При долгом отсутствии ветра в крупных городах накапливаются вредные вещества, газы, что особенно остро ощущают люди с заболеваниями дыхательных путей.

Интересный факт: существуют блокирующие циклоны, которые формируются над определенной зоной и никуда не движутся. При этом они не пропускают прочие воздушные массы. Обычно они длятся не дольше 5 суток, но регулярно в Европейской части России антициклоны держатся около месяца. Последний раз это было в 2015 году. Результат – жара, засуха, лесные пожары.

Как с высотой изменяется атмосферное давление? Формула, график

Атмосферное давление напрямую зависит от высоты. Чем выше, тем давление ниже и наоборот. Если подняться на 12 м выше уровня моря, столбик ртути в барометре снизится на 1 мм.

Давление чаще отображают в гектопаскалях вместо мм рт. ст.: 1 мм = 133,3 Па = 1, 333 гПа. Показать взаимоотношение высоты и давления можно при помощи несложной формулы:

∆h/∆P=12 м/мм рт. ст или ∆h/∆P=9 м/гПа,

где ∆h — изменение высоты,
∆P — изменение давления.

Таким образом, при подъеме на 9 метров, уровень давления снижается на 1 гПа. Этот показатель называется барической ступенью. Норма атмосферного давления – 1013 гПа (можно округлить до 1000).

Как с помощью этих данных рассчитать изменение давление на другой высоте? К примеру, при подъеме на 90 м давление снизится на 10 гПа. В таком случае выходит, что при подъеме на 900 м давление упадет до 0.

Но с высотой меняется и плотность воздуха, поэтому, когда речь идет о большей дистанции (начиная с 1,5-2 км), все расчеты надо проводить с учетом данного показателя.

График изменения атмосферного давления с высотой наглядно отображает все вышесказанное. Он приобретает вид кривой линии, а не прямой. Из-за того, что плотность атмосферы неодинаковая, с увеличением высоты давление начинает снижаться все медленнее. Однако оно никогда не достигнет нуля, поскольку повсюду есть какое-то вещество – во Вселенной нет вакуума.

Атмосферное давление в горах

В горах давление будет в любом случае ниже. Как себя при этом чувствует человек, зависит от высоты, а также дополнительных условий. Например, при нормальной влажности подъем на 3000 м может вызвать слабость, снижение работоспособности. Это объясняется недостатком кислорода.

Во влажном климате аналогичные ощущения возникают уже на высоте 1000 м. Дело в том, что молекулы воды вытесняют молекулы кислорода – во влажном воздухе его меньше. А в сухом климате можно практически без проблем подняться на 5000 м.

Разная высота и ее влияние:

1. 5 км – ощущение недостатка кислорода.
2. 6 км – максимальная высота, на которой располагаются постоянные поселения.
3. 8,9 км – высота Эвереста. Вода закипает при температуре +68℃. Недолго находиться на таком уровне могут подготовленные люди.
4. 13,5 км – безопасно находиться можно лишь при наличии чистого кислорода. Максимально допустимая высота, на которой можно пребывать без специальной защиты.
5. 20 км – высота, недопустимая для человека. Только при условии нахождения в герметичной кабине.

Интересное видео про атмосферное давление

Содержание:

Атмосферное давление и его измерение:

Нашу планету Земля окружает мощная газовая оболочка, которую называют атмосферой ( от греческих слов атмос — пар и сфера — шар).

Исследования околоземного пространства с помощью искусственных спутников Земли показали, что её атмосфера простирается на тысячу и более километров в высоту. Резкой границы она не имеет. Её верхние пласты очень разрежены и постепенно переходят в безвоздушное межпланетное пространство (вакуум). С уменьшением высоты плотность воздуха возрастает. Почти 80 % всей массы воздушной оболочки Земли сосредоточены в пределах 15 км над Землей. Опытами установлено, что при температуре 0 ⁰С масса 1 м³ воздуха на уровне моря равна 1,29 кг. На воздушные слои действует сила тяжести, поэтому верхние слои давят на средние, а средние — на нижние. Наибольшее давление, обусловленное весом всей атмосферы, испытывает поверхность Земли, а также все находящиеся на ней тела.

Давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней тела, а также на земную поверхность, называют атмосферным давлением.

Выясним, насколько велико это давление.

Формула гидростатического давления

При этом высота столба ртути в трубке составляла приблизительно 760 мм.

Результаты этого опыта Торричелли объяснил так: «До сих пор существовала мысль, будто сила, которая не даёт возможности ртути, вопреки её естественному свойству, падать вниз, содержится внутри верхней части трубки, т. е. — или в пустоте, или в разрежённом веществе. Однако я утверждаю, что эта сила — внешняя и что сила берётся снаружи. На поверхность жидкости, находящейся в сосуде, действуют своей тяжестью 50 миль воздуха. Что же странного, если ртуть… поднимается настолько, чтобы уравновесить тяжесть внешнего воздуха».

Итак, атмосферное давление согласно закону Паскаля равно давлению столба ртути в трубке:    р_атм  =  р _ртути

Если бы эти давления не были равны, то ртуть не находилась бы в равновесии: при увеличении давления ртути она выливалась бы из трубки в сосуд, а при уменьшении — поднималась бы по трубке вверх.

Итак, давление атмосферы можно измерить высотой соответствующего ртутного столба. Его высоту обычно измеряют в миллиметрах.

Если, например, говорят, что в некотором месте атмосферное давление равно 760 мм рт. ст., то это означает, что воздух в этом месте создаёт такое же давление, что и вертикальный столб ртути высотой 760 мм.

Чтобы определить это давление в паскалях, воспользуемся формулой гидростатичного давления: . Подставляя в эту формулу значения

 = 13 595,10 (плотность ртути при 0°С), = 9,81  и = 760 мм = 0,76 м (высота столба ртути), получим такое значение нормального атмосферного давления: р =101 325 Па.

Давление атмосферы, которое равно давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре О ⁰С, называют нормальным атмосферним давлением.

Единицами атмосферного давления являются 1 мм рт. ст., один паскаль (1 Па) и один гектопаскаль (1 гПа), между ними существуют такие соотношения:

Об опытах Торричелли узнал французский учёный Блез Паскаль. Он повторил их с разными жидкостями (маслом, вином и водой). Столб воды, уравновешивающий давление атмосферы, оказался намного выше столба ртути.

Однако Паскаль считал, что для окончательного доказательства факта существования атмосферного давления нужен ещё один решающий опыт. Для этого он выполнил опыт Торричелли сначала у подножия горы, а потом — на её вершине. Результаты удивили всех присутствующих. Давление воздуха на вершине горы было почти на 100 мм рт. ст. меньше, чем у подножия. Этим было доказано, что ртуть в трубке в самом деле поддерживается атмосферным давлением.

Если измерить атмосферное давление на разных высотах, то получим такие результаты.

Наблюдая ежедневно за высотой ртутного столба в трубке, можно заметить, что она изменяется: то увеличивается, то уменьшается. Существованием атмосферного давления можно объяснить много явлений. На рисунке 114 изображена стеклянная трубка, внутри которой имеется поршень, плотно прилегающий к её стенкам. Конец трубки опущен в воду. Если поднимать поршень, то за ним будет подниматься и вода. Между поршнем и водой вследствие поднятия поршня образуется безвоздушное пространство, в котором нет давления атмосферы. В это пространство под давлением внешнего воздуха и входит за поршнем вода. Данное явление используют в работе шприца, водяного насоса.

Опыт 1. Возьмём цилиндрический сосуд, закрытый пробкой, через которую пропущена трубку с краном Выкачаем из неё воздух, закроем кран, трубку опустим в воду и откроем кран. Поскольку атмосферное давление больше давления в сосуде, то под его действием вода будет бить фонтаном внутри сосуда (рис. 115).

Опыт 2. Нальём в стакан воды и накроем его листом бумаги, немного большим диаметра стакана. Держа стакан за нижнюю часть, прижмём бумагу к краям стакана ладонью и перевернём его кверху дном, убрав затем руку от бумаги (рис. 116).

Удивительно, но вода будет удерживаться в стакане и листок останется на месте — почему? Дело в том, что давление атмосферы на бумагу больше, чем давление столба воды в стакане.

Наблюдение. Влияние атмосферного давления весьма заметно проявляется во время ходьбы по вязкой почве (засасывающее действие трясины). При подъёме ноги под ней образуется разрежённое пространство, и вследствие присасывания нога тянет за собой тяжёлую трясину (как поршень — жидкость в насосе).

Благодаря давлению атмосферного воздуха работают присоски для крепления предметов на гладких плоских поверхностях. Если вытеснить воздух под присоской, то она прижмётся силой давления атмосферы, и чтобы её оторвать, нужно приложить довольно большое усилие (рис. 117).

Результаты простых вычислений показывают, что сила давления атмосферы на поверхность обычной тетради равна 3000 Н. Почему же вы так легко можете поднять тетрадь? Дело в том, что силы давления воздуха зверху и снизу тетради уравновешиваются, и при подъёме вам приходится преодолевать лишь вес самой тетради.

Для измерения атмосферного давления используют ртутный барометр, барометр-анероид и барограф.

Если трубку, подобную той, что использовал в своём опыте Торричелли, снабдить шкалой, то получим простейший прибор для измерения атмосферного давления — ртутный барометр (от греческих слов барос — вес, тяжесть; метрео — измеряю) (рис. 118).

Барометр-анероид (от греческих слов: барос, метрео, анероид) изображён на рисунке 119. Основная часть прибора — круглые гофрированные металлические коробочки, соединённые между собой. Внутри коробок создано разряжение (давление в коробках ниже атмосферного). С увеличением атмосферного давления коробки сжимаются и тянут прикреплённую к ним пружину. Перемещение конца пружины через специальные устройства передаётся стрелке, а её указатель движется вдоль шкалы. Против штрихов шкалы нанесены значения атмосферного давления. Например, если стрелка останавливается напротив отметки 750, то это значит, что атмосферное давление равно 750 мм рт. ст. При уменьшении давления стенки коробочек расходятся, растяжение пружины уменьшается, и стрелка движется в сторону уменьшения значений давления.

Барометр-анероид — это один из основных приборов, который используют метеорологи для составления прогнозов погоды на ближайшие дни, так как её изменение зависит от изменения атмосферного давления.

Для автоматической и непрерывной записи изменений атмосферного давления используют барограф (от греческих слов барос; графо — пишу). Кроме металлических гофрированных коробочек в этом приборе есть механизм для движения бумажной ленты, на которой нанесены сетка значений давления и дни недели (рис. 120). По таким лентам можно выяснить, как изменялось атмосферное давление в течение любой недели.

Кстати:

Вывод о существовании атмосферного давления независимо от Э. Торричелли сделал немецкий физик Отто фон Герике (1602-1686). Откачивая воздух из тонкостенного металлического шара, от увидел, что шар сплющился. Анализируя причины сплющивания шара, он понял, что оно произошло под действием давления окружающей среды.

Открыв атмосферное давление. Герике построил перед фасадом своего дома в г. Магдебурге водяной барометр, в котором на поверхности жидкости плавала фигурка человека, указывающая на деления, нанесённые на стекле. • В 1654 г Герике, желая убедить всех в существовании атмосферного давления, выполнил знаменитый опыт с «магде-бургскими полушариями». На демонстрации опыта присутствовали члены Регенсбургского рейхстага и император Фердинанд III. В их присутствии из полости между двумя составленными вместе металлическими полушариями выкачали воздух. При этом силы атмосферного давления так крепко прижали эти полушария одно к другому, что их не смогли разъединить восемь пар лошадей (рис. 121).

В природе существует более 400 растений-барометров. Цветочный барометр можно найти и на огороде. Это маленькая ветвистая трава-мокрец. По её мелким белым цветкам можно предсказывать погоду в течение всего лета: если утром венчики не раскрываются — днем будет дождь.

• Заказать решение задач по физике

Атмосферное давление и опыт Торричелли

Атмосфера Земли — это смесь различных газов, удерживающихся возле планеты благодаря действию силы тяжести на их молекулы, которые одновременно и беспрерывно двигаются, создавая давление. Это давление называют атмосферным.

Доказать существование атмосферного давления можно при помощи простых опытов.

Какие последствия действия атмосферного давления

Если взять трубку с поршнем, опустить ее одним концом в сосуд с водой и поднимать поршень вверх, то вода будет подниматься вслед за поршнем (рис. 102). Это возможно только тогда, когда давление воды в сосуде будет больше, чем под поршнем. За счет весового давления вода не сможет подниматься, так как уровень воды под поршнем выше, чем в сосуде, а поэтому и его давление больше. Вода должна вылиться обратно в сосуд. Следовательно, на жидкость в сосуде действует дополнительное давление, значение которого больше давления жидкости столба воды под поршнем. Это давление создают молекулы атмосферного воздуха. Действуя на свободную поверхность воды, атмосферное давление согласно закону Паскаля передается во всех направлениях одинаково.

Так как под поршнем воздуха нет, то вода будет заходить в трубку под действием неуравновешенного давления.

Каково значение атмосферного давления

Значение атмосферного давления достаточно большое. Убедиться в этом можно на многих опытах.

Возьмем два полых полушария, имеющие хорошо отшлифованные поверхности сечений. В одной из них есть специальный штуцер с краном, через который можно откачивать воздух.

Подвесим к штативу одно из полушарий, присоединим к нему снизу другое и начнем откачивать насосом через кран воздух из полости. Нижнее полушарие крепко прижмется к верхнему. Это возможно только тогда, когда давление в полости шара будет меньше давления снаружи.

В результате действия воздушного насоса, который откачивает воздух, давление в полости полушарий уменьшится, а наружное давление останется без изменений. Поэтому нижнее полушарие плотно прижмется к верхнему.    ЮЗ

О значении силы при некотором уменьшении давления в шаре можно судить по массе груза, который может удерживаться, если его подвесить к нижнему полушарию. Если же открыть кран и в полость шара зайдет воздух, то нижнее полушарие вместе с грузом отпадет.

Как начали исследовать атмосферное давление

Подобный опыт провел и описал в 1654 г. немецкий физик, бургомистр города Магдебург а Отто Герике.

Отто Герике (1602-1686) — немецкий физик, который экспериментально изучал атмосферное давление. С помощью «магдебургских полушарий» он продемонстрировал действие атмосферного давления. Изучал также электрические явления, объяснил природу трения. Сконструировал первую электрическую машину.

Это событие осталось в истории науки благодаря образной гравюре того времени (рис. 103).

В современном производстве используют множество приспособлений, основанных на действии атмосферного давления. Для расчетов результатов их работы нужно знать значение атмосферного давления.

Способ измерения атмосферного давления впервые предложил итальянский ученый Эванджелиста Торричелли.

 Эванджелиста Торричелли (1608-1647) — итальянский ученый. Первым измерил атмосферное давление с помощью сконструированного им ртутного барометра. Доказал, что высота ртутного столба барометра равна примерно высоты водяного столба.

Он установил, что если закрытую с одной стороны трубку заполнить полностью ртутью, перевернуть ее и опустить в сосуд с ртутью, то выльется только часть этой ртути (рис. 104). Высота столба ртути в его опытах была примерно 760 мм. Результаты опыта дали возможность сделать вывод, что давление ртутного столба уравновешивается атмосферным давлением, которое действует на свободную поверхность ртути в сосуде. Атмосферное давление при таких условиях называют нормальным. С того времени в науку была введена единица измерения атмосферного давления — миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.).

Как рассчитать атмосферное давление

Выразим значение давления столба ртути высотой 760 мм (нормальное) в системных единицах измерения давления паскалях. Из предыдущих параграфов известно, что давление жидкости рассчитывается по формуле:

Учитывая, что плотность ртути получаем

Атмосферное давление и его измерение

19 сентября 1648 года французский математик, механик, физик, литератор и философ Блез Паскаль, в ходе опытов в городе Руан (Франция) сумел экспериментально доказать существование атмосферного давления.

Наличие атмосферного давления стало для человечества настоящей сенсацией в 1638 году, когда не удалась затея герцога Тосканского украсить сады Флоренции фонтанами — вода не поднималась выше 10,3 метров. Поиски причин этого и опыты с более тяжёлым веществом — ртутью, предпринятые Эванджелистой Торричелли, привели к тому, что в 1643 году он доказал, что воздух имеет вес.

В конце 1646 года весть об этих удивительных опытах докатилась до французского города Руана, где в то время жил Блез Паскаль. Этому знаменитому математику, физику и мыслителю — была присуща удивительная разносторонность, которая характерна для людей эпохи Возрождения.

Паскаль с увлечением стал повторять тосканские опыты, экспериментируя не только с ртутью (как Торричелли), но и с водой, маслом, красным вином. Для всего этого ему потребовались бочки вместо чашек и трубки длиной около 15 м. Эти эффектные опыты проводились прямо на улицах Руана, собирая толпы зевак.

Паскаль верил, что в трубке Торричелли действительно есть пустота, и упорно искал этому доказательство. Решающий эксперимент был проведен 19 сентября 1648 года. По просьбе ученого его зять Флорен Перье проделал опыт, доказавший существование атмосферного давления и опровергший утверждение Аристотеля о том, что «природа боится пустоты».

Стоит сказать, что для такого научного вывода нужно было обладать немалым гражданским мужеством. В те времена во Франции за выступление против учения Аристотеля вполне можно было заработать звание «еретика» и даже угодить на каторгу.

Суть опыта состояла в том, чтобы при помощи запаянной с одного конца стеклянной трубки, опрокинутой другим концом в чашечку с ртутью, определить на какую высоту поднимается в ней жидкий металл у подножия и на вершине горы Пюи-де-Дом (1647 метров) в Клермоне.

Как Паскаль и предполагал, на вершине столбик ртути остановился на более низкой отметке — ведь там толща земной атмосферы ровно на 1647 метров меньше. При такой высоте горы разница уровней ртути составила более 8 см, что по словам Перье «повергло свидетелей эксперимента в удивление и восхищение».

В честь этого открытия единицу измерения давления назвали «паскалем». А помощь зятя ученому понадобился потому, что сам он передвигался на костылях и подняться на гору был просто не в состоянии.

Также в этот день:

1888 год — состоялся первый конкурс красоты

1356 год — битва при Пуатье (Столетняя война)

5. Атмосферное давление. Опыт Торричелли

Понятие атмосферного давления

Земля окружена воздушной оболочкой, состоящей из смеси газов. Эта оболочка называется атмосферой. Каждый горизонтальный слой атмосферы сжат весом более верхних слоёв. Поэтому давление в нижних слоях атмосферы больше, чем в верхних. При этом и плотность воздуха в нижних слоях значительно больше, чем в верхних. Это связано с тем, что газы под воздействием давления могут сильно уменьшить свой объём. Жидкости же обладают очень малой сжимаемостью и практически не изменяют своей плотности даже при больших давлениях. Атмосферное давление на уровне моря равно примерно 105 Па10^5;mathrm{Па}, т. е. 100000 Па100000;mathrm{Па}. Это желательно помнить. С увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается. На высоте примерно в 5,5 км5,5;mathrm{км} оно уменьшается вдвое.

Значение атмосферного давления впервые определил экспериментально в 1634 г. итальянский учёный Торричелли, создав простейший ртутный барометр. Опыт Торричелли состоит в следующем. Стеклянная трубка длиной около метра, запаянная с одного конца, заполняется полностью ртутью. Затем, закрыв отверстие трубки, её переворачивают и погружают открытым концом в чашу со ртутью (см. рис.).

Часть ртути из трубки выливается, и в ней остаётся столб ртути высотой `H`. Давление в трубке над ртутью равно нулю (если пренебречь ничтожным давлением паров ртути), так как там — пустота (вакуум):  `P_C = 0`. Давление `P_B` в точке `B` равно давлению `P_A` в точке `A`, поскольку в сообщающихся сосудах — чаше и трубке — точки `A` и `B` находятся на одном уровне. Давление `P_A` равно атмосферному давлению $$ {P}_{mathrm{атм}}$$.  Поэтому $$ {P}_{B}={P}_{mathrm{атм}}$$. Разность давлений `P_B — P_C = rho gH`, где `rho` — плотность ртути. Так как $$ {P}_{B}={P}_{mathrm{атм}}$$  и `P_C = 0`, то $$ {P}_{mathrm{атм}} =rho gH$$. Измерив `H` и зная `rho`, можно определить атмосферное давление в условиях опыта. Торричелли нашёл, что для уровня моря H=760 ммH=760;mathrm{мм}.

В опыте Торричелли каждому значению `H` соответствует определённое значение $$ {P}_{mathrm{атм}}$$. Следовательно, атмосферное давление можно измерять в миллиметрах ртутного столба. Эта единица давления получила специальное название «Торр»: `1`Торр `= 1` мм. рт.ст. При этом высота столба ртути берётся той, которую он имел бы при `0^@»C»`. Атмосферное давление в `760` Торр называется нормальным атмосферным давлением. Значение этого давления называется нормальной (физической) атмосферой и обозначается 1 атм1;mathrm{атм}.  Зная плотность ртути  ρ=13595 кг/м3rho=13595;mathrm{кг}/mathrm м^3, находим по формуле    $$ {P}_{mathrm{атм}}=rho gH$$:

1 атм=760 Торр≈101325 Па≈1,013·105 Па1;mathrm{атм}=760;mathrm{Торр}approx101325;mathrm{Па}approx1,013cdot10^5;mathrm{Па}.                         

Умножим равенство $$ {P}_{mathrm{атм}}=rho gH$$ на площадь `S` внутреннего сечения трубки: $$ {P}_{mathrm{атм}}S=rho gHS$$. Заметим, что последнее равенство можно получить и непосредственно, записав условие равновесия  столба `BC`  ртути (рис. 6). Произведение $$ {P}_{mathrm{атм}}S$$ равно силе давления `F` на столб ртути `BC` снизу, вызванное наличием атмосферного давления, а `rho gHS` есть вес столба `BC` ртути в трубке. Поэтому говорят, что в опыте Торричелли давление, создаваемое весом столба ртути, уравновешивается атмосферным давлением.

Замена ртути водой в опыте Торричелли требует высоты трубки более `10` м. Действительно, при нормальном атмосферном давлении 1 атм1;mathrm{атм} для значения плотности воды ρ=1000 кг/м3rho=1000;mathrm{кг}/mathrm м^3 из формулы $$ {P}_{mathrm{атм}}=rho gH$$ следует, что H≈10,3 мHapprox10,3;mathrm м. Это означает, что нормальное атмосферное давление уравновешивается столбом воды высотой `10,3` м.   

Несколько замечаний для решения задач. Полезно помнить, что плотность воды равна 1000 кг/м31000;mathrm{кг}/mathrm м^3 и гидростатическое давление в 105 Па10^5;mathrm{Па} создаётся в воде на глубине приблизительно 10 м10;mathrm м. Проверьте это, используя формулу для гидростатического давления.

Поскольку плотность воздуха намного меньше плотности воды, изменением атмосферного давления, связанным с перепадом высоты в несколько метров, можно в ряде случаев пренебречь по сравнению с гидростатическим давлением воды, вызванным таким же перепадом высоты.