Інші завдання дивись тут...

§ 35. АТМОСФЕРНИЙ ТИСК. БАРОМЕТРИ.

• Висновок про існування атмосферного тиску незалежно від Е. Торрічеллі

зробив німецький фізик Отто фон Геріке (1602-1686). Відкачуючи повітря з тонкостінної металевої кулі, він побачив, що куля сплющилася. Аналізуючи причини сплющення кулі, він зрозумів, що це відбулося під дією тиску навколишнього середовища.

• Відкривши атмосферний тиск, Геріке побудував біля фасаду свого будинку в м. Магдебурзі водяний барометр, у якому на поверхні рідини плавала фігурка людини, що вказувала на поділки, нанесені на склі.

• У 1654 р. Геріке. бажаючи переконати всіх в існуванні атмосферного тиску, виконав знаменитий дослід з «магдебурзькими півкулями». На демонстрації досліду були присутні члени Регенсбурзького рейхстагу та імператор Фердинанд  III. У їх присутності з порожнини між двома складеними разом металевими півкулями викачали повітря. При цьому сили атмосферного тиску так міцно притиснули ці півкулі одну до одної, що їх не змогли роз'єднати вісім пар коней.

• У природі є понад 400 рослин-барометрів. Квітковий барометр можна знайти і на городі. Це маленька гілляста травиця-мокрець. По її дрібних білих квітках можна передбачити погоду протягом усього літа: якщо вранці віночки не розкриваються, удень буде дощ.

• Дивлячись на павутину, можна дізнатися, якою буде погода: якщо павук сидить, забившись у схованці, і не виходить - це на дощ. Якщо він виходить зі схованки і робить нові павутини - це на ясну погоду.

• На тіло людини масою 60 кг і зростом 160 см, площа поверхні якої становить 1,6 м2 діє сила 160 000 Н, обумовлена атмосферним тиском. Організм витримує такі навантаження за рахунок того, що тиск рідин, які заповнюють судини тіла, дорівнює зовнішньому тиску. 

Із цією особливістю тісно пов'язана можливість знаходитися під водою на великій глибині. Якщо організм знаходиться в названому середовищі, відбуваються розлади його функцій: деформуються стінки судин, які розраховані на певні тиски зсередини і ззовні; змінюється швидкість проходження багатьох хімічних реакцій, унаслідок чого змінюється і хімічна рівновага організму, під час збільшення тиску відбувається посилене поглинання газів рідинами тіла. Під час швидкого зменшення тиску внаслідок інтенсивного виділення газів кров ніби закипає, що призводить до закупорювання судин, у результаті чого людина може померти. Цим і визначається 50-метрова глибина, на якій можуть виконуватися водолазні роботи. Опускання і піднімання водолазів повинно здійснюватися дуже повільно, щоб виділення газів відбувалося тільки в легенях, а не одразу в усій кровоносній системі.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Унаслідок чого створюється атмосферний тиск?

Атмосферний тиск утворюється внаслідок тиску атмосфери під дією сили тяжіння.

Нашу планету Земля оточує потужна газова оболонка, яку називають атмосферою (з грец. атмос - пара і сфера - куля). Вона займає тисячу і більше кілометрів у висоту, не має різкої межі, зі збільшенням висоти густина зменшується, її верхні шари дуже розріджені і поступово переходять у безповітряний міжпланетний простір (вакуум). Майже 80 % усієї маси повітряної оболонки Землі зосереджено в межах 15 км над Землею. Дослідами встановлено, що при температурі 0 °С маса 1 м3 повітря на рівні моря дорівнює 1,29 кг. 

На повітряні шари діє сила тяжіння, тому верхні шари тиснуть на середні, а середні - на нижні (найбільшого тиску, зумовленого вагою всієї атмосфери, зазнають земна поверхня, а також усі тіла, які на ній розміщуються).

Тиск, який створює атмосфера на всі тіла, що в ній перебувають, а також на земну поверхню, називають атмосферним тиском.

2. Що доводить дослід Торрічеллі?

Оскільки густина повітря з висотою змінюється і атмосфера не має чіткої висоти, формула гідростатичного тиску для розрахунку атмосферного тиску не підходить. 

Дослід Торрічеллі довів існування атмосферного тиску і можливість виміряти атмосферний тиск (атмосферний тиск згідно із законом Паскаля дорівнює тиску стовпа ртуті в трубці). У 1643 р. його виконав В. Вавіані (учень Г. Галілея).

Дослід Торрічеллі. У цьому досліді було використано запаяну з одного кінця скляну трубку завдовжки близько 1 м; її заповнювали ртуттю, а потім, закривши відкритий кінець, перевертали отвором униз і занурювали в широку посудину із ртуттю; після того як трубку відкривали, частина ртуті з неї виливалася в посудину, а у верхній частині трубки утворювався безповітряний простір - «торрічеллева пустота»; при цьому висота стовпа ртуті в трубці дорівнювала приблизно 760 мм.

Результати цього досліду Торрічеллі пояснив так: «До цього часу існувала думка, ніби сила, яка не дає змоги ртуті, проти її природної властивості, падати вниз, міститься всередині верхньої частини трубки, тобто - або в пустоті, або в розрідженій речовині. Однак я стверджую, що ця сила - зовнішня і що ця сила береться ззовні. На поверхню рідини, яка знаходиться в посудині, діють своєю важкістю 50 миль повітря. Що ж дивного, якщо ртуть піднімається настільки, щоб урівноважити важкість зовнішнього повітря».

3. Що означає запис: «Атмосферний тиск дорівнює 780 мм рт. ст.»?

Тиск атмосфери можна виміряти висотою відповідного ртутного стовпа (його висоту вимірюють у міліметрах). Якщо в деякому місці атмосферний тиск дорівнює 760 мм рт. ст., то це означає, що повітря в цьому місці створює такий самий тиск, що й вертикальний стовп ртуті висотою 760 мм. 

Коли б ці тиски не дорівнювали один одному, то ртуть не перебувала б у рівновазі: при збільшенні тиску ртуті вона виливалася б з трубки в посудину, а при зменшенні - піднімалася б по трубці вверх.

4. Який тиск називають нормальним атмосферним тиском? Чому він дорівнює?

Тиск атмосфери, що дорівнює тиску стовпа ртуті висотою 760 мм при температурі 0 °С, називають нормальним атмосферним тиском.

Щоб визначити атмосферний тиск 760 мм. рт. ст.  у паскалях, за формулою гідростатичного тиску: р = gρh. Підставивши в цю формулу значення ρ=13595,10 кг/м3 (густина ртуті при 0 °С), g=9,81 Н/м і h=760мм=0,76 м (висота стовпа ртуті), отримаємо таке значення нормального атмосферного тиску: р = 101 325 Па.

Одиницями атмосферного тиску є 1 мм рт. ст., один паскаль (1 Па) і один гсктопаскаль (1 гПа), між ними є такі співвідношення:

1 мм рт. ст. = 133,3 на = 1,33 гПа; 

760 мм рт. ст. = 101 325 на ≈ 1013 гПа.

5. Як змінюється атмосферний тиск при збільшенні висоти над Землею? Чому?

Французький учений Блез Паскаль повторив дослід Торрічеллі з різними рідинами (олією, вином і водою) - стовп води, який урівноважував тиск атмосфери, у його досліді також був набагато вищим за стовп ртуті, але підтверджував наявність атмосферного тиску. 

Також Паскаль виконав дослід Торрічеллі один раз біля підніжжя гори, а вдруге - на її вершині (тиск повітря на вершині гори був майже на 100 мм рт. ст. менший, ніж біля підніжжя) . При збільшенні висоти атмосферне повітря розріджене, відповідно атмосферний тиск менший. 

Таблиця атмосферного тиску на різних висотах.

6. Наведіть приклади існування атмосферного тиску.

Дослід. Принцип роботи шприца та водяного насоса.

Візьмемо скляну трубку, всередині якої є поршень, що щільно прилягає до стінок трубки; кінець трубки опущено у воду; піднімемо поршень, тоді за ним підійматиметься і вода (між поршнем і водою внаслідок піднімання поршня утворюється безповітряний простір, у якому немає тиску атмосфери, у цей простір під тиском зовнішнього повітря і входить за поршнем вода). 

Дослід 1. Візьмемо циліндричну посудину, закриту пробкою, через яку пропущено трубку з краном; викачаємо з посудини повітря; закриємо кран і трубку зануримо у воду; відкриємо кран; вода буде бити фонтаном (тиск атмосферний буде більший, ніж тиск у посудині, тому вода буде виштовхуватися).

Дослід 2. Візьмемо склянку, наллємо в неї води й накриємо аркушем паперу (розміри якого трохи більші за діаметр склянки); тримаючи склянку за нижню частину, притиснемо папір до склянки долонею; перевернемо склянку догори дном; вода буде триматися в перевернутій склянці (тиск атмосферного повітря на папір більший, ніж тиск води на нього).

Спостереження. Вплив атмосферного тиску проявляється дуже помітно під час ходьби по в'язкому ґрунті (засмоктувальна дія болота); під час піднімання ноги вона тягне за собою важке трясовиння (під нею утворюється розріджений простір, нога працює наче поршень рідини в насосі).

Завдяки тиску атмосферного повітря працюють присоски для кріплення предметів на гладеньких плоских поверхнях; якщо витиснути повітря з-під присоски, то вона буде притиснута силою тиску атмосфери; тоді, щоб її відірвати, потрібно прикласти надзвичайно великі зусилля.

Якщо піднімаємо зошит, ми легко це робимо (хоч сила тиску атмосферного повітря на поверхню звичайного зошита дорівнює 3000 Н, але сили тиску повітря зверху і знизу зошита врівноважуються, під час піднімання доводиться долати лише вагу самого зошита).

7. Які прилади використовують для вимірювання атмосферного тиску?

Для вимірювання атмосферного тиску використовують ртутний барометр (з грец. барос - вага, тяжкість; метрео - вимірюю), барометр-анероїд (з грец. барос, метрео, анероїд) і барограф (з грец. барос, графо - пишу).

Якщо до трубки, подібно до тієї, яку використовував у своєму досліді Торрічеллі, прикріпити шкалу, то отримаємо найпростіший прилад для вимірювання атмосферного тиску - ртутний барометр.

Основною частиною барометра-анероїда є круглі гофровані металеві коробочки (1), які з'єднані між собою; усередині коробочок створено розрідження (тиск у них менший, ніж атмосферний); із збільшенням атмосферного тиску коробочки стискаються і тягнуть прикріплену до них пружину (3); переміщення кінця пружини через спеціальні пристрої передасться стрілці (4), яка рухається по шкалі (на шкалі нанесено поділки і значення атмосферного тиску). При зменшенні тиску коробочки піднімаються і пружина послаблюється, а стрілка рухається в бік зменшення значень тиску.

Барометр-анероїд є одним з основних приладів, який використовують метеорологи для прогнозування погоди на найближчі дні, тому що зміна погоди пов'язана зі зміною атмосферного тиску.

Для автоматичного і безперервного записування змін атмосферного тиску використовують барограф. Крім металевих гофрованих коробочок у цьому приладі є механізм для руху паперової стрічки, на якій нанесено сітку значень тиску і дні тижня. За такими стрічками можна з'ясувати, як змінювався атмосферний тиск протягом будь-якого тижня.

Інші завдання дивись тут...