Как найти давление атмосферного давления

Атмосферное давление
Размерность	L−1MT−2
Единицы измерения
СИ	Па
СГС	дин·см-2
Примечания
скаляр

Атмосфе́рное давле́ние — давление атмосферы, действующее на все находящиеся в ней предметы и на земную поверхность, равное модулю силы, действующей в атмосфере, на единицу площади поверхности по нормали к ней^[1]. В покоящейся стационарной атмосфере давление равно отношению веса вышележащего столба воздуха к площади его поперечного сечения. Атмосферное давление является одним из термодинамических параметров состояния атмосферы, оно изменяется в зависимости от места и времени^[2]. Давление — величина скалярная, имеющая размерность L⁻¹MT⁻², измеряется барометром.

Единицей измерения в Международной системе единиц (СИ) является паскаль (русское обозначение: Па; международное: Pa). Кроме того, в Российской Федерации в качестве внесистемных единиц давления допущены к использованию бар, миллиметр ртутного столба, миллиметр водяного столба, метр водяного столба, килограмм-сила на квадратный сантиметр и атмосфера техническая^[3]. Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °C, называется нормальным атмосферным давлением (101 325 Па)^[2].

История[править | править код]

Традиционно считалось, что всасывающие насосы работают из-за того, что «природа боится пустоты». Но голландец Исаак Бекман в тезисах своей докторской диссертации, защищенной им в 1618 году, утверждал: «Вода, поднимаемая всасыванием, не притягивается силою пустоты, но гонима в пустое место налегающим воздухом» (Aqua suctu sublata non attrahitur vi vacui, sed ab aere incumbentein locum vacuum impellitur).

В 1630 году генуэзский физик Балиани написал письмо Галилею о неудачной попытке устроить сифон для подъема воды на холм высотою примерно 21 метр. В другом письме Галилею (от 24 октября 1630 года) Балиани предположил, что подъем воды в трубе обусловлен давлением воздуха.

Наличие атмосферного давления привело людей в замешательство 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^[5]. Совместно с В. Вивиани, Торричелли провёл первый опыт по измерению атмосферного давления, изобретя первый ртутный барометр — стеклянную трубку, в которой нет воздуха. В такой трубке ртуть поднимается на высоту около 760 мм.

Изменчивость и влияние на погоду[править | править код]

На земной поверхности атмосферное давление изменяется время от времени и от места к месту. Особенно важны определяющие погоду непериодические изменения атмосферного давления, связанные с возникновением, развитием и разрушением медленно движущихся областей высокого давления (антициклонов) и относительно быстро перемещающихся огромных вихрей (циклонов), в которых господствует пониженное давление. Отмечены колебания атмосферного давления на уровне моря в пределах 641 — 816 мм рт. ст.^[6] (в центральной части смерча давление падает и может достигать значения 560 мм ртутного столба)^[7].

На картах атмосферное давление изображается с помощью изобар — изолиний, соединяющих точки с одинаковым приземным атмосферным давлением, обязательно приведенным к уровню моря^[8].

Атмосферное давление — очень изменчивый метеоэлемент. Из его определения следует, что оно зависит от высоты соответствующего столба воздуха, его плотности, от ускорения силы тяжести, которая меняется от широты места и высоты над уровнем моря.

1 Па = 0,0075 мм рт. ст., или 1 мм рт. ст. = 133,3 Па

Стандартное давление[править | править код]

В химии стандартным атмосферным давлением с 1983 года по рекомендации IUPAC считается давление, равное 100 кПа^[9].
Атмосферное давление является одной из наиболее существенных характеристик состояния атмосферы. В покоящейся атмосфере давление в любой точке равно весу вышестоящего столба воздуха с единичным сечением.

В системе СГС 760 мм рт. ст. эквивалентно 1,01325 бар (1013,25 мбар) или 101 325 Па в Международной системе единиц (СИ).

Барическая ступень[править | править код]

Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа (гектопаскаль), называется «барической (барометрической) ступенью». Барической ступенью удобно пользоваться при решении задач, не требующих высокой точности, например, для оценки давления по известной разности высот. Считая, что атмосфера не испытывает существенного вертикального ускорения (то есть находится в квазистатическом состоянии), из основного закона статики получаем, что барическая ступень равна:

При температуре воздуха 0 °C и давлении 1000 гПа, барическая ступень равна 8 м/гПа. Следовательно, чтобы давление уменьшилось на 1 гПа, нужно подняться на 8 метров.

С ростом температуры и увеличением высоты над уровнем моря она возрастает (в частности, на 0,4 % на каждый градус нагревания), то есть она прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению. Величина, обратная барической ступени, — вертикальный барический градиент, то есть изменение давления при поднятии или опускании на 100 метров. При температуре 0 °C и давлении 1000 гПа он равен 12,5 гПа.

Изменения давления с высотой[править | править код]

С высотой атмосферное давление уменьшается. Например, горная болезнь начинается на высоте около 2-3 км, а атмосферное давление на вершине Эвереста составляет примерно 1/4 от показателя на уровне моря.

В стационарных условиях атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создаётся лишь вышележащим слоем атмосферы. Зависимость давления от высоты описывается барометрической формулой^[10].

Уравнение статики выражает закон изменения давления с высотой:

где: — давление, — ускорение свободного падения, — плотность воздуха, — толщина слоя. Из основного уравнения статики следует, что при увеличении высоты () изменение давления отрицательное, то есть давление уменьшается. Так как плотность газа зависит от его давления, основное уравнение статики справедливо только для очень тонкого (бесконечно тонкого) слоя воздуха , в котором плотность воздуха почти не изменяется. На практике оно применимо, когда изменение высоты достаточно мало по отношению к приблизительной толщине атмосферы.

Приведение к уровню моря[править | править код]

Многие метеостанции рассылают так называемые «синоптические телеграммы», в которых указывается давление, приведённое к уровню моря (см. КН-01, METAR). Это делается для того, чтобы давление было сравнимо на станциях, расположенных на разных высотах, а также для нужд авиации. Приведённое давление используется также и на синоптических картах.

При приведении давления к уровню моря используют сокращенную формулу Лапласа:

То есть, зная давление и температуру на уровне , можно найти давление на уровне моря .

Вычисление давления на высоте по давлению на уровне моря и температуре воздуха :

где — давление Па на уровне моря [Па];
— молярная масса сухого воздуха, M = 0,029 кг/моль;
— ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²;
— универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/моль·К;
— абсолютная температура воздуха, К, , где — температура Цельсия, выражаемая в градусах Цельсия (обозначение: °C);
— высота, м.

На небольших высотах каждые 12 м подъёма уменьшают атмосферное давление на 1 мм рт. ст. На больших высотах эта закономерность нарушается^[5].

Более простые расчёты (без учёта температуры) дают:

где — высота в километрах.

Измерения и расчёт показывают в полном согласии, что при подъёме над уровнем моря на каждый километр давление будет падать на 0,1 долю; то же самое относится и к спуску в глубокие шахты под уровень моря — при опускании на один километр давление будет возрастать на 0,1 своего значения.

Речь идёт об изменении на 0,1 от значения на предыдущей высоте. Это значит, что при подъёме на один километр давление уменьшается до 0,9 (точнее 0,87^{[прим 1]}) от давления на уровне моря.

В ещё более грубом приближении, двукратному изменению давления соответствует изменение высоты на каждые пять километров.

В прогнозах погоды и сводках, распространяемых для населения через интернет и по радио, используется неприведённое давление, то есть, фактическое давление на уровне местности.

См. также[править | править код]

• Фактическая погода
• Атмосфера
• Разгерметизация

Примечания[править | править код]

Источники[править | править код]

Сноски[править | править код]

Литература[править | править код]

• Хргиан А. Х. Физика атмосферы. — 2 изд. — М., 1958.
• Бургесс Э. К границам пространства, пер. с англ.. — М.: Изд. иностранной литературы, 1957. — 223 с.

Ссылки[править | править код]

• Медиафайлы по теме Атмосферное давление на Викискладе
• Атмосферное давление // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• График изменения атмосферного давления при изменении высоты

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

План урока:

Атмосфера. Атмосферное давление

Давление на разных высотах

Давление морских глубин

Путешествие к центру Земли

Атмосфера. Атмосферное давление

Воздухом дышат люди и животные, без него не смогли бы существовать растения на Земле, т.е. жизни без воздуха нет. В этом состоит колоссальное значение воздуха. Вокруг Земли воздух образует оболочку, называют которую атмосферой. Атмосферный воздух – это газовая смесь:

Состав воздуха Источник

Больше всего в воздухе азота (78%), на долю кислорода приходится 21%, остальные газы вместе (углекислый газ, водород, озон, водяной пар и др.) входят в 1 %. К сожалению, в воздухе есть и пыль, сажа, «промышленная грязь».

Общая масса всех молекул атмосферного воздуха – это масса атмосферы, равна 5,3 миллиарда тонн (5,3 млрд. т = 5 300 000 000 т = 5,3 ∙ 10¹² кг). Движение молекул хаотично, с большими скоростями (самые быстрые молекулы водорода имеют скорость около 1 800 м/с). Но преодолеть силу тяжести молекулам невозможно. Для этого нужна скорость не менее 8 000 м/с (первая космическая скорость). Поэтому многочисленные молекулы воздуха «толпятся» около поверхности Земли и образуют оболочку из газов – атмосферу.

Атмосфера до 2 000 км и выше простирается вверх, дальше размывается в пространство без воздуха (вакуум). Воздух давит на планету, и давление это называется атмосферным.

Атмосфера  

Давление окружающего воздуха определяет состояние атмосферы, погоду, которую нужно прогнозировать. Но для этого надо исследовать передвижения огромных масс воздуха, за что как раз и отвечает давление. Как давление атмосферы измерить? Если использовать формулу p = ρgh, то в ней не определена плотность, которая уменьшается с высотой. Чем выше воздушный слой, тем меньше на него давят вышележащие слои, а самое большое давление будет на Земле.

Изменение плотности воздуха с высотой Источник

Высота тоже не имеет четкого значения. Граница перехода атмосферы в вакуумное пространство размыта. (В старших классах изучается, что и величина g уменьшается с ростом высоты). Как же быть? Ответ нашел Эванджелиста Торричелли (итальянский ученый 1608-1647г.г.).

Опыт Торричелли Источник

Метровую стеклянную трубку ученый запаял с одной стороны, наполнил ртутью и опрокинул ее в плоский сосуд. Ртуть вытекла из трубки не полностью, а остановилась на некоторой высоте. Сверху образовалось пустое пространство. Вес ртути в трубке и сила атмосферы, давящая на ртуть в открытой части сосуда, сравнялись. Получается: атмосферное давление равно давлению ртутного столбика в трубке, которое легко вычисляется по упомянутой формуле p = ρgh. Зафиксировать уровень ртути помогает шкала обыкновенной измерительной линейки, если ее подставить к собранному устройству.

При изменении погоды высота ртутного столбика в приспособлении непостоянна. Атмосферное давление растет, давит на открытую ртуть в сосуде, дальше давление передается по трубке, столбик поднимается до высоты, пока не наступит равновесие. Атмосферное давление уменьшается, меньше давит на открытую ртуть, тогда ртуть из столбика вытекает до равновесия, столбик становится ниже. Положения столбика отмечаются на миллиметровой шкале. Отсюда возникли миллиметры ртутного столба, а устройство со стеклянной трубкой называют ртутным барометром (греч. «барос» – «тяжесть»).

Опыт Торричелли с трубками разной формы и разного наклона Источник

В 1647 году Б.Паскаль проделал опыт Торричелли в горах и отметил, что у подножия горы давление атмосферы больше, чем на горе. Паскаль испробовал и водяной барометр вместо ртутного. Плотность воды меньше плотности ртути в 13,6 раза, значит, столбик воды должен быть в 13,6 раза выше, и трубку надо брать более десяти метров длиной.

Измерение давления водяным барометром  

Понятно, что пользоваться таким барометром неудобно. Барометры ртутные на практике также не используются из-за опасных для человека паров ртути.

p = 760 мм рт. ст. при t = 0^о С считается нормальным атмосферным давлением.

В СИ 1 мм рт. ст. получается следующим образом:

p = ρgh

ρ = 13600 кг/м³ (ртуть), h = 1 мм = 0,001 м – высота, g = 9,8 Н/кг.

p = 13600 кг/м³ ∙ 9,8 Н/кг ∙ 0,001 м ≈ 133,28 Па

760 мм рт.ст. = 101292,8 Па ≈ 101300 Па

Давление атмосферы очень значительно. Это подтверждает опыт, проведенный 8 мая 1654 года, по распоряжению Отто Герике, бургомистра г. Магдебурга. Из медного шара, составленного из двух полушарий, выкачивался воздух. Эти полушария пытались разделить по четыре пары лошадей с каждой стороны. Совместные усилия лошадей ни к чему не привели: они не смогли преодолеть огромную силу атмосферного давления.

Опыт с магдебургскими шарами  

Атмосферное давление используется в практической деятельности человека. Если в трубке с помощью поршня создавать безвоздушное пространство, то атмосферное давление будет вдавливать туда жидкость. Например, лекарство поступает в шприц вслед за поршнем, заполняя пустое пространство. Вода поступает вслед за поршнем насоса тоже под действием давления атмосферы.

Присоски из резины удерживаются на стенке за счет атмосферного давления. Нажимая на присоску, из нее удаляют часть воздуха. Давление внутри уменьшается, и атмосферное давление оказывается больше, чем в присоске. Поэтому атмосфера и прижимает присоску к стене.

Атмосферное давление широко учитывается в метеорологической службе для прогнозирования погодных явлений.

Давление на разных высотах

В начале урока возникла проблема: у мальчиков, живущих в одном доме, приборы показывают разные давления. На первом этаже – 760 мм рт. ст., на девятом – 757,5 мм рт. ст.

Давление воздуха на разных высотах Источник

Давление воздуха пропорционально зависит от его плотности. Плотность же атмосферного воздуха заметно изменяется с изменением высоты. На уровне моря воздух обладает плотностью примерно 1033 г/м³, на высоте от 5 до 6 км плотность становится 400 г/м³, на высоте 20 км – уже 43 г/м³. Соответственно и атмосферное давление становится меньше.

На высотах, близких к Земле, наблюдается следующая зависимость. Через каждые 12 м атмосферное давление изменяется на 1 мм рт. ст. или на 133,28 Па. На высотах от 2 до 6 км на 1мм рт. ст. давление меняется через каждые 15 м, от 6 до 10 км – каждые 20 м. Это достаточно приближенные значения, так как изменить показатели давления могут бури, циклоны, ветра. На состояние атмосферы оказывает влияние даже время суток и года, географическая широта местности, влияние Солнца. В данных примерах рассматривается атмосфера в нормальных условиях (температура 0^о С и давление 760 мм рт. ст.). Но в таком состоянии атмосфера бывает очень редко.

Теперь ясно, почему приборы на разных этажах дома показали неодинаковые давления воздуха. Высота девятого этажа по сравнению с первым около 30 м. Делим 30 м на 12 м (каждые 12 м дают изменение давления на 1 мм рт. ст.). Получается, что давление должно отличаться на 2,5 мм рт. ст. Значит, оба мальчика определили давление правильно.

Интересно, какие приборы они использовали? Атмосферное давление можно измерить ртутным барометром. Использование его небезопасно и неудобно. Чаще применяют барометр – анероид (слово «анероид» означает безжидкостный):

Барометр – анероид  

Внешний вид барометров различен. Корпус делают в виде пластмассовых или деревянных коробок, которые имеют разные формы и цвета. Главные же элементы у приборов присутствуют всегда и находятся внутри.

Схема устройства барометра – анероида Источник

Принцип работы прибора не сложен. Пустая металлическая коробочка 1 имеет очень тонкие стенки. Ее видно через стекло прибора (чем-то напоминает небольшую консервную банку). Коробочка соединена передаточным механизмом 3 с пружинкой 2 и стрелкой – указателем 4. Стрелка движется над шкалой.

Атмосферное давление, повышаясь, давит на тонкие стенки коробочки. Коробочка слегка сжимается, с помощью передаточного механизма действует на стрелку, заставляя ее поворачиваться и показывать давление на шкале. Пружинка не дает стрелке падать до конца шкалы. Если давление уменьшается, коробочка расширяется, передаточный механизм поворачивает стрелку в обратную сторону. Стрелка указывает на новое значение давления.

Безжидкостный барометр менее точен, чем ртутный, но удобнее в использовании. На больших высотах используются приборы, в которых на основе давления указывается высота над уровнем Земли. Сейчас используются карманные устройства или устройства, похожие на ручные часы.

Высотомер парашютистов Источник                           Карманный барометр Источник

            

Давление морских глубин

Три четверти земной поверхности занимает вода, образующая гидросферу Земли. Чтобы определить физические характеристики воды на больших глубинах, нужно использовать специальные методы, и вот почему. Погружаясь на большие глубины, слой воды все сильнее и сильнее давит на погружаемое тело. С погружением на 10 метров давление возрастает на 100 000 Па (почти на величину нормального атмосферного давления). Значит, при погружении на глубину 1 км давление воды будет в 100 раз больше атмосферного. Средняя глубина Мирового океана 3704 м. Самая большая глубина 11034 м в Марианской впадине, которая находится в Тихом океане. На таких глубинах существуют огромные давления.

Марианская впадина на карте  

Вода малосжимаема, поэтому ее плотность лишь незначительно возрастает по мере погружения. Значит, на расчет давления большее влияние оказывает глубина, т.е. высота столба жидкости.

Интересно, что и на таких глубинах есть жизнь. Светящиеся и необычайные по форме рыбы населяют морское дно. А кашалот, рекордсмен среди животных по нырянию, достигает глубины 3 км.

   Красногубый нетопырь^[1]                                     Зубатый кит кашалот                                 

Человек может нырять на большие глубины, но лишь опытные ныряльщики – ловцы жемчуга могут достигать глубины порядка 85 м. На больших глубинах давление воды может раздавить грудную клетку человека. Применяя водолазные костюмы, человек может опуститься на глубину 300 м. Водолазы прокладывают по дну подводный кабель или трубопровод, строят мосты, гидроэлектростанции и шлюзы – очень нужная профессия для настоящих мужчин.

Но костюм водолаза замедляет движение человека. С поверхностью корабля он связан тросом и шлангом, по которому поступает воздух. Это также мешает передвижению под водой.

Поэтому исследователь морей француз Кусто изобретает акваланг – новое снаряжение для ныряльщиков. Аквалангисты берут с собой запас воздушной смеси в баллонах. Используя устройство, возможно под водой достигнуть глубин 90 м.

Водолаз                                                                      Аквалангист                                                 

По свидетельству историков первым водолазом был Александр Македонский, который в IV веке до нашей эры спускался в море в водолазном колоколе. Лишь в XX веке человечество начало осваивать большие глубины Мирового океана. Для этого используются батисферы и батискафы. Батисферы спускаются с корабля на прочном тросе на глубину более 900 м. Батискафы имеют собственный двигатель и перемещаются около самого дна. Из них наблюдатели исследуют подводный мир. Прочные шарообразные стенки подводных аппаратов выдерживают гигантские давления.

Батискаф  

Одна из первых подводных лодок была построена по идеям Ж.Верна (роман «80 000 лье^[2] под водой») в 1899 году. Под водой теперь океанские просторы бороздят современные подводные лодки.

Подводная лодка  

 

Путешествие к центру Земли

У Земли экваториальный радиус больше полярного радиуса на 21 километр. Поэтому форма нашей планеты – сплюснутый шар со стороны полюсов. Форму такую называют эллипсоидом. Рассматривают обычно средний радиус Земли: 6370 км. Впервые рассчитали его грек Эратосфен в третьем веке до нашей эры и араб Бируни во втором веке до нашей эры.

Землю делят на три основные зоны:

• ядро (из двух частей);
• мантию;
• кору.

Строение Земли Источник

Толщина земной коры изменяется от 5 км в области океанов, до нескольких десятков километров в области горных районов. Возраст Земли примерно 4,5 миллиарда лет. Много – много лет назад земные недра находились в расплавленном состоянии, поэтому легкие элементы из глубины всплыли в верхние слои и образовали кору, а тяжелые, оставшись на глубине, образовали ядро. Ниже коры до глубины 2800-2900 км располагается мантия. Плотность мантии с глубиной растет от 3300 кг/м³ до 5000 кг/м³.

Ядро, состоящее из расплавленного железа с примесями других плотных веществ, делится на внешнее и внутренне. Внешнее ядро достигает глубины 5000 км и имеет плотность от 10600 кг/м³ до 11500 кг/м³. Во внутреннем ядре плотность продолжает расти к центру и на глубине 6370 км (средний радиус Земли) достигает максимального значения 12500 кг/м³. Из приведенных цифр видно, что плотность изменяется не планомерно, а скачками на границах кора – мантия и мантия – ядро, что явилось причиной выделения трех зон строения планеты.

Слои литосферы Источник

Твердую каменистую (греч. «литос» – камень) оболочку из земной коры и верхней части мантии называют литосферой (более подробно изучается по географии).

При таких глубинах и плотностях нетрудно представить огромные значения давления внутри планеты. Используя современные приборы, рассчитывают, что давление на глубине 50 км в 400 раз больше атмосферного. Человек выносит давление в три раза больше нормального атмосферного. Такое давление есть уже на глубине 9 км. Поэтому без специальных устройств-камер человек не опускается вглубь Земли.

На глубине Земли  

Давление в центре Земли 353 ГПа. Это в 350 тысяч раз больше нормального атмосферного давления.

При приближении к центру Земли увеличиваются не только плотность и давление, но и температура. На глубине 10 км около 180^о С, на условной границе кора – мантия (примерно 33 км) – 420^о С. Температура в центре ядра более 6100^о С.

Итак:

• атмосфера оказывает давление на Землю и тела, находящиеся на ее поверхности и вблизи нее. С высотой давление уменьшается;
• гидросфера – водная оболочка Земли. С погружением на дно Мирового океана происходит увеличение давления до гигантских значений (несколько десятков миллионов Паскалей);
• литосфера – твердая оболочка Земли. На больших глубинах давление в сотни раз больше атмосферного.

Словарь

1. Нетопырь – 1) по мифологии славян страшное ночное животное, в котором живет душа злого человека; 2) плосконосая летучая мышь.

2. Лье – (другой вариант «льё») старинная французская мера расстояний; 5557 м – в море, 4445 м – на земле.