Атмосферний тиск — це сила, з якої на нас впливає навколишнє повітря, тобто атмосфера. У статті будуть наведені досліди, в ході яких ми переконаємося, що тиск повітря дійсно існує. Дізнаємося, хто його вперше виміряв, що виникає при нерівномірному розподілі атмосферного тиску та багато іншого.
Прояви атмосферного тиску
Якщо повітря тисне на все навколишнє, значить, він щось важить. Невже це правда, чому ж тоді він здається нам невагомим? Проведемо досліди, які свідчать про те, що атмосферний тиск існує насправді.
Наповнимо шприц водою до середини, а потім потягнемо поршень нагору. Вода буде слідувати за поршнем. Причина цього — атмосферний тиск, але коли люди ще не знали про його існування, вони говорили, що природа просто не терпить порожнечі. Зараз ми знаємо, що коли поршень піднімається, створюється область зниженого тиску, і атмосфера видавлює воду всередину шприца.
Досвід з пластиковою карткою і банкою
Наповнимо скляну баночку доверху водою, накриємо зверху шматочком пластику, наприклад, карткою. Перегорнемо банку і побачимо, що картка тримається і не падає. Силу тиску води компенсує сила тиску атмосфери. Зверху на воду нічого не тисне, а знизу давить атмосфера, в результаті картка утримується. Якщо між пластиком і банкою зайде повітря, то карта відпаде і вода виллється.
Прилад Торрічеллі
Вперше виміряв атмосферний тиск італійський вчений Торрічеллі. Він зробив це за допомогою так званого ртутного барометра. Спочатку Торрічеллі наповнив ртуттю скляну трубку до верху, взяв велику чашу з ртуттю, перевернув трубку, занурив її в чашу і відкрив нижній кінець. Ртуть почала опускатися, але не вийшла вся, а опустилася до певної висоти.
Виявилося, що цей рівень — 760 мм. Отже, тиск атмосфери здатне утримати стовп ртуті в 760 мм. Якщо тиск підвищується, то воно може утримати стовп більшої висоти, якщо знижується — менше. Раз так, то про його величині можна судити по висоті стовпа. Тому на практиці тиск атмосфери і газів часто вимірюють саме в міліметрах ртутного стовпа. Встановимо зв’язок між міліметрами ртутного стовпа і звичними одиницями паскаль.
Як пов’язані міліметри ртутного стовпа і паскалі
Атмосферний тиск піднімає ртуть на 760 мм. Це означає, що ртутний стовпчик висотою 760 мм тисне з силою, рівною нормального рівня атмосферного тиску. 1 мм ртутного стовпа — це тиск, вироблене стовп ртуті висотою 1 мм. Уявімо собі, що висота стовпа ртуті дорівнює 1 мм. Розрахуємо гідростатичний тиск, що відповідає цій висоті.
P=1 мм рт.ст. Гідростатичний тиск обчислюється за формулою: ρ*g*h. ρ — це щільність ртуті, g — прискорення вільного падіння, h — висота стовпа рідини. ρ=13,6*103 кг/м3, g=9,8 Н/кг, h=1*10-3 м. Підставимо ці дані у формулу. Після перетворення залишиться 13,6*9,8=133,3 Н/м2. Н/м2 — це і є паскаль (Па). Якщо переводити атмосферний тиск у гектопаскали, то 1 мм рт. ст. відповідає 1,333 гПа.
Ртутний стовпчик і погода
Торрічеллі спостерігав за показаннями ртутного барометра протягом довгого часу. Він помітив цікаву річ. Коли стовпчик ртуті знижується, тобто коли стає низьким атмосферний тиск, через деякий час настає негода. Коли ртутний стовпчик підвищується, через якийсь час негода змінюється гарною погодою. Тобто вимірювання атмосферного тиску дозволяє робити прогноз погоди.
Зараз метеорологічні служби цілодобово, кожні 3 години, вимірюють атмосферний тиск. В книзі Жюля Верна «П’ятнадцятирічний капітан» описано спостереження за барометром і погодою. Головний герой книги виявив, що якщо ртутний стовпчик падає швидко, то погода псується різко, але ненадовго, якщо рівень ртуті знижується повільно, протягом декількох днів, то погода буде псуватися поступово, а триматися довго.
Що виникає при нерівномірному розподілі атмосферного тиску
Розглянемо синоптическую карту. На ній розставлені значення атмосферного тиску в різних місцевостях, містах, країнах, континентах. Напрямок руху повітряних мас позначено стрілками. Чому дме вітер? Атмосферний тиск в одних місцях, в інших менше. Звідти, де воно більше, вітер дме туди, де воно менше. Ми бачимо це по напрямку стрілок на карті.
Якщо подивитися на всю планету, видно, що в різних частинах вона різна. Області високого тиску відзначені ліловим кольором, у них стрілки вітру закручені і рухаються за годинниковою стрілкою. Така область високого тиску називається антициклоном. У ньому, як правило, ясна погода.
А ось Іспанія і Португалія. Тут ми спостерігаємо два найпотужніших антициклону. Закручування повітряних потоків пов’язано з обертанням земної кулі.
А ось тут дві потужних області зниженого атмосферного тиску — всього 965 гектопаскалей. Це циклон, повітря в ньому обертається проти годинникової стрілки.
Таким чином можна спостерігати розподіл атмосферного тиску в різних місцях нашої планети. В наш час метеорологи точно передбачають зміну погоди, яке виникає при нерівномірному розподілі атмосферного тиску.
Тиск на рівні й над рівнем моря
Припустимо, барометр показує тиск, що дорівнює 1006 гПа. Але якщо подивитися на синоптическую карту цієї місцевості, міста, то може виявитися, що атмосферний тиск там відрізняється. Чому так відбувається? Справа в тому, що на синоптичних картах наведено значення атмосферного тиску на рівні моря. Ми ж можемо перебувати на певній висоті над рівнем моря, тому тиск, який показує барометр в приміщенні, менше, ніж на рівні моря.
Альтиметр
Як же виміряти висоту свого розташування? Існують спеціальні прилади, схожі на барометр, але їх шкала проградуйована не в одиницях тиску, а в одиницях висоти. Такі прилади є у туристів, льотчиків. Вони називаються альтиметры або параметричними высотомерами. Коли льотчик знаходиться на землі, він виставляє стрілка альтиметра на нуль, тому що його висота над землею дорівнює нулю. Якщо потрібно, він виставляє стрілку на висоту над рівнем моря, в залежності від того, важливо йому знати, на якій висоті знаходиться аеродром над рівнем моря, чи ні. У разі дальніх польотів це може бути корисно, особливо якщо аеродром в горах. Потім, дивлячись на стрілку альтиметра, льотчик визначає висоту.
Чому із зростанням висоти збільшується атмосферний тиск
Після того як ми дізналися, що при нерівномірному розподілі атмосферного тиску виникає вітер, розберемося, чому тиск зменшується з ростом висоти. Повітря має вагу, тому він, притягається до землі, справляє на неї тиск. Якщо ми розмістимо барометр в певному шарі атмосфери, то на нього буде тиснути той шар атмосфери, який знаходиться вище. Треба зауважити, що у атмосфери немає чітких меж.
Якщо ми розмістимо барометр на рівні моря, то тиск буде дорівнювати сумі тиску в цьому шарі повітря і тисків у верхніх шарах атмосфери. Тобто із зростанням висоти тиск зменшується. Виникає питання: чи можна вважати атмосферний тиск за формулою Р=ρ*g*h? Ні, тому що величина густини повітря непостійна в різних шарах атмосфери. Внизу повітря знаходиться під великим тиском, тому він більш щільний, а нагорі — менш щільний.
