З самого поняття “атмосферний тиск” випливає, що повітря повинен мати вагу, інакше він не міг би ні на що тиснути. Але ми цього не помічаємо, нам здається, що повітря невагомий. Перш ніж говорити про атмосферний тиск, потрібно довести, що повітря має вагу, треба його як-то зважити. Як це зробити? Вага повітря і атмосферний тиск ми детально розглянемо у статті, вивчаючи їх за допомогою експериментів.
Досвід
Ми будемо зважувати повітря, що знаходиться в скляній посудині. Він надходить у ємність через гумову трубку в шийці. Кран закриває шланг так, що в нього не надходить повітря. Видаляємо повітря з судини з допомогою вакуумного насоса. Цікаво, що в міру відкачування звук насоса змінюється. Чим менший обсяг повітря, що залишається в колбі, тим тихіше працює насос. Чим довше ми відкачуємо повітря, тим нижчим стає тиск в посудині.
Коли все повітря видалений, закриваємо кран, перетискаємо шланг, щоб перекрити доступ повітря. Зважимо колбу без повітря, потім відкриємо кран. Повітря зайде всередину з характерним свистом, і його вага додасться до ваги колби.
Спочатку помістимо порожній посудину з закритим краном на ваги. Усередині ємності — вакуум, зважимо її. Відкриємо кран, повітря зайде всередину, і знову зважимо вміст колби. Різниця ваги наповненою і порожньої колби і буде масою повітря. Все просто.
Вага повітря і атмосферний тиск
Тепер перейдемо до вирішення наступного завдання. Щоб обчислити щільність повітря, потрібно його масу розділити на обсяг. Обсяг колби відомий, бо він вказаний на її стінці. ρ=мвозд /V. Треба сказати, що для отримання так званого високого вакууму, тобто повної відсутності повітря в посудині, потрібно досить багато часу. Якщо колба об’ємом 1,2 л, це приблизно півгодини.
Ми з’ясували, що повітря має вагу. Земля його притягує, а тому на нього діє сила тяжіння. Повітря тисне на землю із силою, яка дорівнює вазі повітря. Атмосферний тиск, отже, існує. Воно проявляє себе в різних експериментах. Проведемо один з таких.
Експеримент зі шприцами
Візьмемо порожній шприц, до якого приєднана гнучка трубка. Опустимо поршень шприца і зануримо шланг у посудину з водою. Потягнемо поршень вгору, і вода почне підніматися по трубці, наповнюючи шприц. Чому ж вода, яку сила тяжіння тягне вниз, все-таки піднімається за поршнем вгору?
У посудині на неї зверху вниз діє атмосферний тиск. Позначимо його Ратм. За законом Паскаля тиск, яке виробляє атмосфера на поверхню рідини, передається без змін. Воно поширюється на всі точки, значить всередині трубки теж атмосферний тиск, а в шприці над шаром води знаходиться вакуум (безповітряний простір), тобто Р=0. Ось і виходить, що знизу на воду тисне атмосферний тиск, а над поршнем тиску немає, тому що там порожнеча. З-за різниці тисків вода заходить у шприц.
Досвід зі ртуттю
Вага повітря і атмосферний тиск — наскільки вони великі? Може, це щось, чим можна знехтувати? Адже один кубічний метр залоза має масу 7600 кг, а один кубічний метр повітря — всього 1,3 кг. Щоб розібратися, видозмінимо тільки що проведений експеримент. Замість шприца візьмемо пляшку, закриту пробкою з трубкою. Приєднаємо трубку до насоса і почнемо відкачувати повітря.
На відміну від попереднього досвіду, ми створюємо вакуум не під поршнем, а у всьому обсязі пляшки. Вимкнемо насос і одночасно опустити трубку пляшки в ємність з водою. Ми побачимо, як вода буквально за кілька секунд з характерним звуком заповнила через трубку пляшку. Висока швидкість, з якою вона «вривалася» в пляшку, говорить про те, що атмосферний тиск — це досить велика величина. Досвід це доводить.
Вперше виміряв атмосферний тиск, вага повітря італійський вчений Торрічеллі. Він провів такий досвід. Взяв скляну трубку довжиною трохи більше 1 м, запаяну з одного кінця. Заповнив її ртуттю до країв. Після цього він взяв посудину з ртуттю, затиснув пальцем його відкритий кінець, перевернув трубку і занурив її в ємність. Якби атмосферного тиску не було, то ртуть б вилилася вся, але цього не сталося. Вона вилилася частково, рівень ртуті встановився на висоті 760 мм.
Так сталося, тому що атмосфера тиснула на ртуть в ємності. Саме з цієї причини у нас в попередніх дослідах вода загонялась в трубку, саме тому за шприцом йшла вода. Але в цих двох експериментах ми брали воду, щільність якої невелика. Ртуть має велику щільність, тому атмосферний тиск змогло підняти ртуть, але не до самого верху, а тільки на 760 мм.
За законом Паскаля, тиск, вироблене на ртуть, передається у всі її точки в незмінному вигляді. Значить, усередині трубки теж атмосферний тиск. Але з іншого боку, це тиск врівноважується тиском стовпа рідини. Позначимо висоту ртутного стовпа h. Ми можемо сказати, що знизу вгору на ртуть діє атмосферний тиск, а зверху вниз діє гідростатичний тиск. У що залишилися незаповненими 240 мм знаходиться вакуум. До речі, цей вакуум ще називають торричеллиева порожнеча.
Формули і розрахунки
Атмосферний тиск Ратм одно гідростатичного і обчислюється за формулою ррт*g*h . ррт=13600 кг/м3. g=9,8 Н/кг h=0,76 м. Ратм=101,3 КПа. Це досить велика величина. Аркуш паперу, що лежить на столі, справляє тиск в 1 Па, а атмосферний тиск — 100 тис. паскалів. Виходить, що потрібно покласти один на інший 100 тис. аркушів паперу, щоб вони виробляли таке тиск. Цікаво, чи не правда? Атмосферний тиск і вага повітря дуже великі, тому з такою силою запихали воду всередину пляшки в ході досвіду.
