Опубліковано: 2020-04-24
ТЕМА: АТМОСФЕРНИЙ ТИСК. ДОСЛІД ТОРРІЧЕЛЛІ.
Нашу планету Земля оточує потужна газова оболонка, яку називають атмосферою (з грец. атмос – пара і сфера – куля).
Дослідження навколоземного простору за допомогою штучних супутників Землі показали, що її атмосфера сягає тисячі і більше кілометрів у висоту. Різкої межі вона не має. Її верхні шари дуже розріджені і поступово переходять у безповітряний міжпланетний простір (вакуум). Зі зменшенням висоти густина повітря збільшується. 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.
З’ясуємо, наскільки великий цей тиск. Формула гідростатичного тиску р = gph для розрахунку атмосферного тиску не підходить, тому що атмосферне повітря не має сталої густини (вона на різних висотах різна) і не має певної висоти (атмосфера не має чіткої межі).
Як виміряти тиск атмосфери, уперше здогадався італійський учений Е. Торрічеллі. Дослід, який він запропонував, здійснив у 1643 р. В. Вавіані – учень Г. Галілея. 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” (мал. 177). 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”.
Отже, атмосферний тиск згідно із законом Паскаля дорівнює тиску стовпа ртуті в трубці:
Мал.
Ратм = Рртуті.
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 вгору. Отже, тиск атмосфери можна виміряти висотою відповідного ртутного стовпа. Його висоту вимірюють у міліметрах.
Якщо, наприклад, кажуть, що 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.
Щоб визначити цей тиск у паскалях, скористаємося формулою гідростатичного тиску: р = gph. Підставивши в цю формулу значення р = 13 595,10 кг/м3 (густина ртуті при 0 °С), g = 9,81 Н/м і h = 760 мм = 0,76 м (висота стовпа ртуті), отримаємо таке значення нормального атмосферного тиску: р = 101 325 Па.
Тиск атмосфери, що дорівнює тиску стовпа ртуті висотою 760 мм при температурі 0 °С, називають нормальним атмосферним тиском.
Одиницями атмосферного тиску є 1 мм рт. ст., один паскаль (1 Па) і один гектопаскаль (1 гПа), між ними є такі співвідношення:
1 мм рт. ст. = 133,3 Па = 1,33 гПа;
760 мм рт. ст. = 101 325 Па ≈ 1013 гПа.
Французький учений Блез Паскаль повторив дослід Торрічеллі (див. с. 133) з різними рідинами (олією, вином і водою). Стовп води, який урівноважував тиск атмосфери, у його досліді також був набагато вищим за стовп ртуті. Однак Паскаль вважав, що для остаточного доведення факту існування атмосферного тиску потрібен ще один вирішальний дослід. Розглянемо його.
Паскаль виконав дослід Торрічеллі один раз біля підніжжя гори, а вдруге – на її вершині. Результати здивували всіх присутніх. Тиск повітря на вершині гори був майже на 100 мм рт. ст. менший, ніж біля підніжжя. Цим було доведено, що ртуть у трубці справді підтримується атмосферним тиском.
Якщо виміряти атмосферний тиск на різних висотах, то отримаємо такі результати.
|
Тиск, мм рт. ст. |
760 |
674 |
596 |
526 |
462 |
405 |
|
Висота над рівнем моря, км |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Спостерігаючи щоденно за висотою ртутного стовпа в трубці, можна виявити, що ця висота змінюється: то збільшується, то зменшується.
Існуванням атмосферного тиску можна пояснити багато явищ. На малюнку 178 зображено скляну трубку, всередині якої є поршень, що щільно прилягає до стінок трубки. Кінець трубки опущено у воду. Якщо піднімати поршень, то 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. Це явище використовують у роботі шприца, водяного насоса.
Дослід 1. Візьмемо циліндричну посудину, закриту пробкою, через яку пропущено трубку з краном. Викачаємо з неї повітря, закриємо кран, трубку зануримо у воду й відкриємо кран. Тиск у посудині буде менший, ніж атмосферний, тому під дією атмосферного тиску вода буде бити фонтаном (мал. 179).
Мал. 178
Мал. 179
Мал. 180
Мал. 181
Мал. 182
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 і перевернемо склянку догори дном, як це показано на малюнку 180. Вода буде триматися в перевернутій склянці. Чому? Тому що тиск атмосферного повітря на папір більший, ніж тиск води на нього.
Спостереження. Вплив атмосферного тиску проявляється дуже помітно під час ходьби по в’язкому грунті (засмоктувальна дія болота). Під час піднімання ноги під нею утворюється розріджений простір, і внаслідок присмоктування нога тягне за собою важке трясовиння (наче поршень рідину 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, і щоб її відірвати, потрібно прикласти надзвичайно великі зусилля (мал. 181).
Якщо виконаєте прості обчислення, то впевнитеся, що сила тиску атмосферного повітря на поверхню звичайного зошита дорівнює 3000 Н. Тоді чому ж ви так легко можете підняти зошит? Річ у тому, що сили тиску повітря зверху і знизу зошита врівноважуються, і під час піднімання вам доводиться долати лише вагу самого зошита.
Для вимірювання атмосферного тиску використовують ртутний барометр, барометр-анероїд і барограф.
Якщо до трубки, подібно до тієї, яку використовував у своєму досліді Торрічеллі, прикріпити шкалу, то отримаємо найпростіший прилад для вимірювання атмосферного тиску – ртутний барометр (з грец. барос – вага, тяжкість; метрео – вимірюю) (мал. 182).
Схема барометра-анероїда
Мал. 183
Мал. 184
Барометр-анероїд (з грец. барос, метрео, анероїд) зображено на малюнку 183. Основною частиною приладу є круглі гофровані металеві коробочки (1), які з’єднані між собою (див. схему). 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 передається стрілці (4), яка рухається по шкалі. На шкалі нанесено поділки і значення атмосферного тиску. Наприклад, якщо стрілка зупиняється навпроти позначки 765 (мал. 183), то кажуть, що атмосферний тиск дорівнює 765 мм рт. ст. 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 (з грец. барос, графо – пишу). Крім металевих гофрованих коробочок у цьому приладі є механізм для руху паперової стрічки, на якій нанесено сітку значень тиску і дні тижня (мал. 184).
За такими стрічками можна з’ясувати, як змінювався атмосферний тиск протягом будь-якого тижня.
Це цікаво знати
– 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 лкщини, 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 (мал. 185).
– 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.
Мал. 185
– 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.
Дом.завдання:
1. Унаслідок чого створюється атмосферний тиск?
2. Що доводить дослід Торрічеллі?
3. Що означає запис: “Атмосферний тиск дорівнює 780 мм рт. ст.”?
4. Який тиск називають нормальним атмосферним тиском? Чому він дорівнює?
5. Як змінюється атмосферний тиск при збільшенні висоти над Землею? Чому?
6. Наведіть приклади існування атмосферного тиску.
7. Які прилади використовують для вимірювання атмосферного тиску?
