Атмосфера представляет собой воздушную массу вокруг нашей планеты толщиной более 100 км. При этом наиболее плотная часть воздушной оболочки сосредоточена на расстоянии около 15 км от поверхности Земли. Удержание атмосферных слоев происходит за счет гравитации, в отсутствии которой воздух давно бы рассеялся.
Таким образом, на все тела, находящиеся на Земле и на саму планету, действует атмосферное давление.
Основные понятия
Для понимания физического смысла необходимо составить векторное уравнение всех сил, согласно рисунку ниже.
На картинке мы видим гипотетический столб воздуха. Площадь поверхности, на которую он давит – S.
Тогда, по II закону Ньютона:
Вес столба Р – это реакция опоры N с противоположным знаком, т. е. Р = М∙g. Тогда давление воздуха pатм в столбе равно этой величине, отнесенной к площади S.
Нормальное атмосферное давление равно 101325 Па. Эта цифра соответствует уровню моря.
В литературе, в задачах, в технических описаниях к оборудованию и других источниках можно встретить единицу измерения атмосферу, которая соответствует нормальному атмосферному давлению. Для удобства расчетов эту величину принимают приблизительно равной 105 Па. Чем выше точка от уровня моря, тем ниже давление. На высоте около 5,5 км атмосферное давление уменьшается почти в 2 раза.
Измерение атмосферного давления
Прибор для измерения атмосферного давления называется барометр.
Барометры бывают:
- жидкостные;
- механические.
По жидкостному барометру определяют значение pатм в миллиметрах ртутного столба, поскольку рабочая жидкость прибора – ртуть. Ртутные барометры отличаются точностью показаний и сегодня применяются в основном на метеостанциях.
Механические барометры известны также как барометры-анероиды, что значит «безводные». Прибор показывает ту величину атмосферного давления, которая действует на металлическую коробку с гофрированной поверхностью. Внутри коробки создано воздух разрежен. Поэтому если атмосферное давление падает, коробка расширяется, и наоборот. При сжатии коробки в случае роста pатм она оказывает воздействие на прикрепленную к ней пружину. При деформации пружины происходит отклонение стрелки, которая указывает на значение атмосферного давления. Реальные барометры-анероиды могут состоять из нескольких последовательно соединенных между собой подобных механизмов.
Сегодня получают распространение и цифровые приборы измерения атмосферного давления.
Первые опыты
Экспериментально атмосферное давление было впервые определено в 1634 г. итальянским ученым Э. Торричелли. Физик взял стеклянную трубку около 1м длиной, запаянную с одной стороны, и залил ее ртутью до верха. Затем трубка была перевернута и расположена вертикально в чаше, тоже содержащей ртуть. В этом положении часть ртути из трубки вылилась. Таким образом, пренебрегая ничтожно малым давлением паров ртути над ее столбом, считается, что между запаянным концом трубки и столбиком жидкости образовался вакуум. Поэтому в т. С на рисунке давление равно 0 (pc = 0).
Иллюстрация показывает положение ртути в опыте Торричелли.
Согласно рисунку, H есть высота ртутного столба.
Система «трубка-чаша» представляет собой сообщающиеся сосуды, поэтому в произвольных точках А и В давления будут одинаковыми (pА = pВ). Точка. А находится на поверхности ртути в чаше, значит значение pА соответствует атмосферному (p0). Тогда для точки В величина давления будет также равна p0. С другой стороны, для столба жидкости давление:
pB = p0 =ρgH,
где ρ = 13595 кг/м3 – плотность ртути.
Для уровня моря Торричелли вычислил высоту ртутного столба H при нормальном атмосферном давлении: 760 мм.
Единицу давления в 1 мм рт. ст. в честь ученого принято называть 1 Торр.
Взаимосвязь величин такова:
1 атм = 760 Торр ≈ 0,1 МПа
Закон Паскаля
Атмосферное давление действует не только горизонтально, но и в других направлениях одинаково. Это было подтверждено еще в 1653 году Б. Паскалем, поэтому данный постулат носит его имя. Для демонстрации этого свойства воздушного давления ученый взял шар с равномерно распределёнными по поверхности отверстиями и соединил его с поршнем и трубкой (насосом). Если через насос заполнить шар дымом, то сквозь отверстия в шаре струи дыма будут выходить одинаково. Доказательством этого служит то, что поршень передает дымы одно и то же давление.
На картинке показана схема опыта с шаром Паскаля.
На нашей планете атмосферное давление оказывает одинаковое воздействие, независимо от направления, поэтому человек, находясь на Земле, не ощущает его явления.