Как измерить атмосферное давление? Опыт Торичелли

Но как же его тогда измерить? В этом нам помог итальянский учёный, который учился у Галилея, Эванджелиста Торричелли. Он провёл опыт, где взял стеклянную, запаянную с одного конца, трубку длиной примерно 1м и заполнил её ртутью. Другой конец трубки заткнули.

Трубку опустили заткнутым концом в чашу и открыли её, вследствие чего часть ртути вылилась в чашу. Высота столба ртути получилась примерно 760 мм. В промежутке между вершиной столба ртути и концом трубки безвоздушное пространство.

Но казалось бы, при чём тут атмосферное давление? А вот при чём: атмосфера давит на поверхность ртути, в то время как ртуть находится в равновесии. Из этого следует, что давление ртути в трубке на уровне поверхности ртути в чаше равняется атмосферному.

Если оного больше, то ртуть будет выливаться из трубки, если меньше - то ртуть из чаши будет переходить в трубку. из этого опыта следует, что атмосферное давление равняется давлению ртути в трубке (р атм = р ртути).

Теперь, измерив высоту столба ртути, мы можем посчитать атмосферное давление, которое будет равно: плотность ртути умноженную на силу тяжести, действующая на 1кг умноженную на высоту столба ртути. Это и будет атмосферное давление.

Атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба

Так как в опыте Торричелли чем выше атмосферное давление, тем выше столб ртути в трубке, стало принято измерять атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Если давление будет 760 мм рт. ст., то высота столба ртути в трубке будет равна 760мм соответственно.

Проведём параллель с известной нам единицей измерения давления - паскалем (Па). Итак, давление 1 мм рт. ст. равняется...

р = gρh, p = 9,8 Н/кг * 13600 кг/м^3 * 0,001м ≈ 133,3 Па.

...равняется 133,3 Па, где 9,8 Н/кг - сила тяжести, действующая на 1кг 13600 кг/м^3 - плотность (ρ) ртути, а 0,001 м - 1 миллиметр ртутного столба.

В сводках погоды можно услышать, что атмосферное давление равно 1030 гектопаскалям (1030 гПа). Это то же самое, что и 760 мм рт. ст. и является нормальным атмосферным давлением.

Не секрет, что атмосферное давление нестабильно и меняется на протяжение дня. Зачастую, это происходит от изменения погоды.

Сейчас никто не измеряет линейкой высоту столба ртути в трубке. Для измерения атмосферного давления используют ртутный барометр (от греч. барос - тяжесть и метро - измерять). Самый простейший ртутный барометр получится, если к трубке с ртутью, которая использовалась в опыте Торричелли, прикрепить вертикальную измерительную шкалу.

32

Атмосферное давление на различных высотах и барометр-анероид

 

Кроме ртутного барометра, существует ещё и барометр-анероид (греч. - безжидкостный. Его так называют потому, что он не содержит ртути). Это металлический барометр, по форме напоминающий часы только с одной стрелкой.

Строение барометра-анероида

Его механизм довольно прост. Он состоит из металлический коробочки с гофрированными краями, из которой выкачан воздух. Чтобы атмосферное давление эту коробочку не раздавило, ей крышка оттягивается пружиной вверх. При уменьшении атмосферного давления, пружина выпрямляет крышку, а при увеличении крышка прогибается вниз и оттягивает пружину.

С помощью придаточного механизма к пружинке подключена стрелка-указатель, которая передвигается вправо или влево при изменении давления. Под стрелкой прикреплена шкала, деления которой нанесены по показаниям ртутного барометра. Следовательно, если стрелка указывает на цифру 750, значит атмосферное давление сейчас равняется 750 мм рт. ст.

Атмосферное давление измеряется, так же для того, чтобы предсказать погоду на ближайшие дни. Барометр в метеорологическом деле - незаменимая вещь.

Атмосферное давление на различных высотах

В жидкости давление зависит от плотности жидкости и от высоты столба. Так же мы знаем, что жидкость малосжимаема. Из этого следует, что на всех глубинах плотность жидкости практически одинакова и давление зависит только от высоты.

С газами всё намного сложнее, так как они сильно сжимаемы. А чем сильнее мы сожмём газ, тем больше станет его плотность, следовательно, он произведёт большее давление, так как давление газа создаётся ударами молекул о поверхность тела.

Около поверхности Земли все слои воздуха максимально сжаты слоями, которые находятся над ними. Но если мы будем подниматься, то слоёв воздуха, которые сжимают тот, где мы находимся, будет всё меньше и меньше, следовательно, плотность воздуха будет уменьшаться и давление из-за этого будет уменьшаться.

Если в небо запустили воздушный шар, то с высотой, давление воздуха на поверхность шара будет всё уменьшаться и уменьшаться. Это происходит потому, что уменьшается плотность и высота столба воздуха.

Наблюдения за атмосферным давлением показывают, что среднее давление столба ртути на уровне моря при 0°С равняется 760 мм рт. ст. = 1013 гПа. Это называют нормальным атмосферным давлением.

Чем больше высота, тем меньше атмосферное давление.

В среднем, при подъёме на каждые 12 м атмосферное давление уменьшается примерно на 1 мм. рт. ст.

Если мы знаем зависимость давления от высоты, то по показаниям барометра мы можем определить, ни какой высоте над уровнем моря мы находимся. Для этого существует специальный тип барометра-анероида, который называется высотомер, который используется в авиации и при подъёмах на горы.

33

Манометры: принцип действия

 

Для измерения давления используют манометры и барометры. Барометры используются для измерения атмосферного давления. Для других измерений используются манометры. Произошло слово манометр от двух греческих слов: манос – неплотный, метрео – измеряю.