Как найти силу столба атмосферного воздуха

Наша планета окружена атмосферой — огромным по толщине слоем воздуха, превышающим 100 км. Примерно 80% всей массы атмосферы сосредоточено в нижнем слое высотой около 15 км от поверхности Земли. Воздух удерживается вблизи земной поверхности действующей на него силой тяжести. Если бы Земля не притягивала воздух, то он рассеялся бы в окружающем Землю пространстве.

Рассмотрим цилиндрический столб воздуха атмосферы, который опирается на земную поверхность площадью S (рис. 152). На этот столб действует сила тяжести M · g, где M – масса воздуха в этом столбе. В системе отсчета, связанной с Землей, сила тяжести столба воздуха, находящегося в покое, уравновешивается силой реакции опоры N со стороны поверхности Земли. Поэтому по второму закону Ньютона N – M · g = 0.

По третьему закону Ньютона сила N по модулю равна весу P столба воздуха, с которой он действует на поверхность Земли. Таким образом, сила, с которой столб атмосферного воздуха давит на земную поверхность площадью S, равна силе тяжести P = M · g. Разделив эту силу на площадь S, получим давление атмосферы p_атм на поверхность Земли.

Давление воздуха на поверхность Земли (на уровне моря) почти с не изменяется и в среднем равно p_атм = 101 325 Па. Это давление называют нормальным атмосферным давлением.

При решении задач нормальное атмосферное давление приблизительно считают равным 0,1 МПа.

Для измерения давления часто используют внесистемную единицу, называемую физической атмосферой (атм): 1 атм = 101 325 Па.

Атмосферное давление в каждом конкретном месте может незначительно изменяться с течением времени. Это связано с изменением температуры воздуха, движением воздушных масс и другими причинами.

По мере подъема над уровнем моря толщина давящего сверху столба атмосферного воздуха уменьшается. Поэтому вместе с уменьшением его веса уменьшается и атмосферное давление. Опыт показывает, что при небольшом подъеме от поверхности Земли атмосферное давление уменьшается примерно на 10 Па на каждый метр подъема. Следовательно, отслеживая изменение атмосферного давления с высотой, можно определить высоту подъема.

Многочисленные эксперименты показывают, что силы атмосферного давления действуют не только на горизонтальную поверхность, но и на стены домов, окна, наклонные крыши и т. п. Действует атмосферное давление и на любую точку человеческого тела. Давление внутри человека в среднем равно атмосферному и уравновешивает внешнее давление. Поэтому человек не ощущает действия атмосферного давления.

Тот факт, что силы атмосферного давления в данной точке действуют во всех направлениях одинаково, можно установить экспериментально. Возьмем открытую стеклянную банку, в которой воздух находится под давлением атмосферы, и закроем ее горлышко тонкой резиновой пленкой (рис. 153, а). На поверхность пленки снаружи будет действовать сила Fатм атмосферного давления. При этом пленка на банке не прогибается, так как изнутри действует равная по модулю сила Fв давления воздуха в банке. Если наклонить и переворачивать банку, то поверхность пленки будет оставаться плоской (рис. 153, б и в). Следовательно, сила внешнего атмосферного давления, действующая на пленку, при любом ее положении будет равна силе давления воздуха внутри банки (т. е. равна силе давления атмосферы на горизонтальную поверхность пленки). Значит, атмосферное давление в данной точке по всем направлениям одинаково. Это давление создается весом столба атмосферного воздуха, находящегося над данной точкой.

Таким образом, воздух передает оказываемое на него давление во всех направлениях одинаково. Этот закон был открыт в 1653 г, французским ученым Блезом Паскалем и носит его имя.

Воздух передает оказываемое на него давление во всех направлениях одинаково.

Действие этого закона можно продемонстрировать с помощью прибора, который называют шаром Паскаля (рис. 154). Это полый шар с маленькими отверстиями, расположенными равномерно по всей его поверхности. Пар присоединен к насосу (трубке с поршнем). Если заполнить насос и шар дымом и надавить на поршень, то дым будет выходить из отверстий в шаре одинаковыми струями во всех направлениях. Дым выходит из отверстий под действием разности давлений внутри и снаружи шара. То, что струи дыма одинаковы, доказывает, что добавочное давление, созданное поршнем, передается во всех направлениях одинаково.

Можно также продемонстрировать, что атмосферное давление уменьшается с высотой. Для этого поднимем банку, горлышко которой закрыто тонкой резиновой пленкой, на крышу высотного дома. Мы обнаружим, что пленка, остававшаяся плоской у поверхности Земли, выгнется наружу. Это означает, что внешнее атмосферное давление изменилось: оно стало меньше давления воздуха внутри банки. Если мы будем изменять наклон банки, то убедимся, что форма выгнутой поверхности пленки при этом останется неизменной. Значит, давление на высоте в данной точке также будет одинаково во всех направлениях, но меньше, чем давление на уровне Земли.

Таким образом, на все предметы, находящиеся в атмосфере, действует давление воздуха, которое называют атмосферным давлением.

Итоги

Сила, с которой столб атмосферного воздуха давит на земную поверхность, равна силе тяжести: P = M · g, где M – масса столба воздуха.

Давление воздуха па поверхность Земли (на уровне моря) почти не изменяется и в среднем равно: p_атм = 101 325 Н/м² = 0,1 МПа. Это давление называют нормальным атмосферным давлением.

Закон Паскаля.
Воздух передает оказываемое на него давление во всех направлениях одинаково.

Вопросы

1. Почему воздух атмосферы Земли не улетает в космическое пространство?
2. Что такое атмосферное давление?
3. Чему равно нормальное атмосферное давление?
4. Как изменяется атмосферное давление с высотой вблизи поверхности Земли? Как объяснить это явление?
5. Сформулируйте закон Паскаля.
6. Зависит ли атмосферное давление в данной точке от направления действия?

Упражнения

1. Рассчитайте силу нормального атмосферного давления, действующую на горизонтальную крышу дома. Площадь крыши равна 150 м².
2. Определите, с какой силой действует воздух на потолок вашей комнаты, класса.
3. Выразите в паскалях давление внутри шин колес автобуса (равное 4,5 атм) и легкового автомобиля (1,8 атм).
4. Для перемещения тяжелых пакетов стекол используют вакуумные присоски. Объясните принцип их действия. Какую массу может удерживать одна присоска площадью 50 см²?

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

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах. 

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте. 

Как быстро и эффективно исправить почерк?  Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.