Атмосферное давление. Урок 13
Земля путём силы гравитации притягивает к себе молекулы воздуха. Они имеют вес, а значит создают давление как внутри самой атмосферы, так и на её границе с различными телами на земной поверхности. Атмосферное давление – это сила, с которой воздух давит на земную поверхность и на все находящиеся на ней предметы.
Атмосферное давление изменяется с высотой и зависит от погодных условий: температуры воздуха и перемещения воздушных масс в вертикальном направлении (конвекции). Вблизи земной поверхности оно приблизительно равно 10 5 Па (в интернациональной системе (СИ) давление измеряется в Паскалях – русское Па, международное – Pa).
За нормальное атмосферное давление принято давление ртутного столба высотой 76 см сечением в 1 см 2 на уровне моря на широте 45° при температуре 0°С. Оно равно 760 мм рт. ст.(101325 Па, но реально берётся 100 000 Па) – это 1 атмосфера (атм.).
Интересно, что среднее давление атмосферы на поверхности Марса в 160 раз меньше, чем у поверхности Земли.
Как заметить атмосферное давление?
Хотя молекулы газа не имеют запаха и цвета, они постоянно взаимодействуют с рецепторами нашей кожи, сдавливают со всех сторон все предметы, заполняют пустоты, а их быстрое перемещение в горизонтальном направлении, называемое ветром, может сбить нас с ног. Доказать, что атмосферное давление существует, можно при помощи простых опытов.
Опыт 1 – «Непроливайка»
В стакан налить воды до краёв. Прикрыть его листком плотной бумаги и, придерживая бумагу ладонью, быстро перевернуть стакан кверху дном. Убрать ладонь. Вода из стакана не выльется, так как на бумагу снизу давит атмосфера.
Объяснение: фраза «на нас давит столб атмосферного воздуха», иногда употребляемая, в том числе и в школьных учебниках, некорректна. Она произносится по ассоциации с силой давления, действующей со стороны твёрдого тела. Эта сила действует на тела, расположенные ниже, и не действует на тела сбоку или, тем более, сверху данного тела. Иное дело давление жидкости или газа.
По закону Паскаля давление передаётся не только в точки на дне сосуда, но также и в точки на стенках и крышке. Силы гидростатического и атмосферного давлений действуют перпендикулярно произвольно ориентированной поверхности тела, контактирующей со средой, и могут иметь любое направление.
Воздух, давящий на бумагу снизу наполненного стакана – это доказательство несостоятельности такой ассоциации. Интересно, что если стакан наполнить водой только наполовину, то оставшийся воздух будет давить с такой же силой, как и наружный, и бумага не удержит воду (и воздух) в стакане.
Опыт 2 – «Сухим из воды»
Положить на плоскую тарелку монету или металлическую пуговицу и налить воды. Монета окажется под водой. Наша задача – выловить монету голыми руками, не замочив их.
Зажгите внутри сухого стакана бумагу и, когда воздух нагреется, опрокиньте стакан на тарелку рядом с монетой так, чтобы монета не очутилась под стаканом. Ждать придётся недолго. Бумага в стакане сразу погаснет, и воздух начнёт остывать. По мере его остывания вода будет втягиваться стаканом и вскоре вся соберётся там, обнажив дно тарелки.
Объяснение: когда воздух в стакане нагрелся, он расширился, как и все нагретые тела, избыток его нового объёма вышел из стакана. Когда же оставшийся воздух начал остывать, его стало недостаточно, чтобы в холодном состоянии оказывать прежнее давление, уравновешивать наружное давление атмосферы. Теперь вода под стаканом испытывает на каждый сантиметр своей поверхности меньшее давление, чем в открытой части тарелки. Неудивительно, что она вгоняется под стакан, втискиваемая туда избытком давления наружного воздуха. Вода вдавливается воздухом!
По этой же теме посмотрите эксперимент программы «Галилео».
Почему мы не чувствуем атмосферное давление?
Зная, что 1 м 3 воздуха при температуре 0° на уровне моря весит 1,3 кг, легко подсчитать, что на крышу дома, имеющую площадь, например 100 м², атмосфера давит с силой 10 7 Н, что соответствует весу тела массой 1000 т. Однако крыша дома не проваливается.
Площадь спины лежащего на пляже человека заведомо больше 0,2 м 2 ; следовательно, атмосфера давит на спину человека с силой, большей чем 20 000 Н, что соответствует камешку массой 2 т. Однако человек вообще не ощущает никакого давления сверху.
Опыт «Сухим из воды» демонстрирует нам ещё и доказательство внутреннего давления, уравновешивающего наружное давление атмосферы.
Мы не чувствуем давления воздуха, потому что давление атмосферы равномерно распределяется со всех сторон и потому что внутри нас есть такое же давление воздуха и жидкости, а адаптационные способности организма постоянно уравновешивают внутреннее давление, подстраивая его под изменение атмосферного. Но адаптации проходят только в небольшом интервале.
Если люди живут длительное время на большой высоте, то их организм приспосабливается как к меньшему количеству кислорода, так и к более низкому давлению. Самые высокогорные поселения мира:
А вот рыбы, живущие на глубине океана, привыкли к более высокому давлению, и быстро перестроиться их организм не способен. Их тело адаптировалось к нему, и внутреннее давление его намного выше 1 атм. Поэтому когда их достают из глубины, они взрываются из-за высокого внутреннего давления. То же произошло бы и с человеком в безвоздушном пространстве (в космосе).
Фильм по теме «Атмосферное давление и самочувствие человека».
Из истории открытия знаний о весе, давлении воздуха и изобретении барометра
Эванжелиста Торричелли и его барометр.
Автор: Saperaud
Торричелли впервые открыто выступил против догм Аристотеля. Рассуждая о насосе, он заявил, что
«прежде всего вода поднимается вслед за поршнем вовсе не потому, что «природа боится пустоты», просто воду гонит в насос давление, которое оказывает воздух на поверхность реки. В трубе же насоса, под поршнем, воздуха нет, поэтому вода входит в неё до тех пор, пока вес водяного столба в трубе насоса не уравновесит наружное давление воздуха».
Но доказал он это немного позже. Предложенный им опыт был осуществлён в 1643 г. В этом опыте использовалась запаянная с одного конца стеклянная трубка длиной около 1 м. Её наполняли ртутью и, закрыв пальцем (чтобы ртуть не выливалась раньше времени), перевернув, опускали в широкую чашку со ртутью.
Часть ртути из трубки выливалась, и в её верхней части образовывался вакуум (первая настоящая пустота, обнаруженная на Земле – Торричеллиева пустота ). При этом высота столба ртути в трубке оказалась равной примерно 760 мм (если отсчитывать её от уровня ртути в чашке). Воздух давил на ртуть чашки и не давал вылиться из трубки.
Принцип действия барометра Торричелли
Уже после опытов Торричелли Декарт поручил талантливому французскому математику и физику Блезу Паскалю проверить его догадку – верно ли, что давление с высотой убывает. Для этого он должен был подняться в горы с трубкой Торричелли. Опустившийся вниз столбик ртути на высоте горы Пюи де Дом подтвердили гипотезы Торричелли и Декарта.
Паскаль сделал вывод:
«законы давления жидкостей, известные ещё со времён славного Архимеда и развитые голландцем Симеоном Стевином, во многом справедливы и для воздуха».
Давление воздуха не замечается человеком, потому что по законам давления в жидкостях и газах оно направлено и в стороны, и вниз.
Как измеряют атмосферное давление?
Барометр Торричелли используют до сих пор. Этот простой прибор помогает определить примерную высоту над уровнем моря. Альпинисты берут его с собой высоко в горы. Барометр – обязательный прибор кабины каждого летательного аппарата, будь то самолёт или спутник Земли. В наши дни его «братья» спускаются и на дно морей. Из высотомеров они превратились в глубиномеры.
За три с лишним века барометры изменились: стали автоматическими, самозаписывающими, научились управлять другими механизмами.
Ртутный барометр измеряет атмосферное давление с наибольшей точностью
При измерении величины давления вводят поправки на температуру, так как при повышении температур, ртуть и шкала барометра расширяются. На практике пользуются готовой таблицей поправок, которая сразу же даёт нужную величину.
Мембранные барометры
Рис. 1. Мембранный барометр
Барометр-анероид.
Изображение Wolfgang Eckert с сайта Pixabay
Высотомер Булова Б-11, с самолёта-истребителя.
Автор: Дозиметр
Другие приборы
Гипсотермометр (гипсометр, термобарометр, баротермометр ) — прибор для измерения атмосферного давления по температуре кипящей жидкости (обычно воды). Он более точен, чем анероид.
Состоит из кипятильника и термометра со шкалой, разделённой на 0°,01. Этот прибор обычно применяется в экспедиционных условиях для барометрического нивелирования.
Весной и осенью резкое падение показателей барометра предвещает ветреную погоду. Летом, в сильную жару, оно предупреждает о грозе. Зимой, особенно после продолжительных морозов, быстрое падение ртутного столба говорит о предстоящей перемене направления ветра, сопровождающейся оттепелью и дождём. Напротив, повышение ртутного столба во время продолжительных морозов предвещает снегопад.
Закономерности в изменении атмосферного давления и способ использования этих знаний
Представляя атмосферный воздух в виде сплошной среды, мы, конечно, не должны забывать, что в действительности это газ. Давление — статистическая величина, выражаемая через усреднённый по многим молекулам квадрат скорости их хаотического движения. Сила давления на любую реальную или мысленно выделенную площадку в газе обусловлена хаотической бомбардировкой этой площадки множеством молекул.
Давление понижается с высотой и повышается при спуске в глубокие шахты. Причина – в разрежении воздуха (уменьшении плотности) с подъёмом и уплотнении со спуском, ведь он притягивается землёй и около неё сосредоточена основная его масса. В нижней тропосфере давление с высотой уменьшается примерно на 1 мм на каждые 10,5 м. Это позволяет с помощью барометра-высотомера определять высоту места.
Как изменяется атмосферное давление с высотой?
На самом деле эта закономерность соблюдается только до высоты в 1 км. Расстояние в метрах, на которое надо подняться или опуститься, чтобы атмосферное давление изменилось на 1 мб, называется барической ступенью. Барическая ступень на высоте от 0 до 1 км составляет 10,5 м, от 1 до 2 км – 11,9 м, на высоте 2-3 км барическая ступень равна 13,5 км. Величина барической ступени зависит от температуры. В тёплом воздухе она больше. Более точно барометрическая формула описана тут: https://ru.wikipedia.org/wiki/
На практике же часто пользуются особыми таблицами, которые позволяют более или менее приблизительно получать данные о высотах. Но для решения задач, не требующих высокой точности, можно пользоваться и средним значением. Можно оценить давление по разности высот, высчитать высоту по разности давления.
Задача 1
Альпинисты поднимаются на гору, высота которой 5100 м. У подножия горы давление составляет 720 мм рт. ст. Какое давление будет на вершине?
При подъёме на 10,5 м давление снижается на 1 мм рт. ст.
1) Узнаем, на сколько мм. рт. ст. снизится давление при подъёме на эту гору. 5100:10,5=486 (на 486 мм рт. ст.)
2) Узнаем, каким будет давление на вершине. 720-486=234 (мм рт. ст.)
Ответ: На вершине будет давление в 234 мм рт. ст.
Задача 2
Определите, на какой высоте летит самолёт, если за бортом давление 450 мм рт. ст., а у поверхности Земли 750 мм рт. ст.
1) Определяем разность в давлении. 750-450=300 мм рт. ст. – столько раз по 10,5 метров поднялся самолёт.
2) Узнаем, на сколько метров поднялся самолёт. 10,5 Х 300 = 3150 (м)
Ответ: самолёт на высоте 3150 м.
Задача 3
У подножия холма барометр показывает давление – 761 мм рт. ст., а на вершине – 761 мм рт. ст. Чему равна высота холма?
Задача решается по тому же принципу, что и предыдущая.
1) 761-750=11 (мм рт. ст.)
2) 11 Х 10,5 = 115,5 (м)
Ответ: высота холма равна 115,5 м.
Атмосферное давление постоянно изменяется
Плотность воздуха зависит от температуры, температура же и является главной причиной изменения давления воздуха. Давление тёплого воздуха меньше, чем холодного. Это объясняется тем, что при нагревании воздух, как и все предметы, расширяется, его объём увеличивается и он перетекает в верхние слои на место менее нагретого воздуха, что приводит к уменьшению давления около земной поверхности.
Все барические области делят на две группы: постоянные и сезонные (сохраняют характерные особенности давлений в течение определенного периода года).
Пояса давления на Земле
Давление на Земле распределяется зонально. В обобщённом виде эту зональность представляют в виде поясов:
На самом деле реальная картина распределения давления на поверхности земли гораздо сложнее.
Постоянные барические области
Постоянным остаётся экваториальный пояс пониженного давления, только смещая ось вслед за Солнцем. В июле она перемещается в Северное полушарие на 15-20° с. ш., в декабре – в Южное, на 5° ю. ш. Зимой над океаном и над сушей возникает сплошной пояс повышенного давления. Летом повышенное давление сохраняется над океанами, а над сушей образуется термическая депрессия и понижение давления. Постоянны и барические максимумы Антарктиды и Гренландии.
Над незамерзающими океанами и тёплыми течениями умеренной зоны и зимой и летом ярко выражены барические минимумы:
Сезонные барические области
30-40° широты
Только зимой тут действительно наблюдается пояс высокого давления. Летом над материком оно становится низким, а над океанами, прогревающимися медленно, давление остаётся высоким и даже повышается. Другими словами барические максимумы в течение всего года здесь сохраняются только над океанами:
Умеренные и субполярные
В умеренных и субполярных широтах северного полушария, где чередуются океаны и материки, давление над сушей и водой различное, особенно зимой. Над сушей летом – минимум, а зимой – максимум. Летом же во всём поясе давление пониженное. Зимой над охлаждёнными материками давление высокое, здесь возникают сезонные барические максимумы:
Суточное колебание давления атмосферы
Наблюдается и суточное колебание давления. Ночью наблюдается один максимум, а днём – один минимум. Дважды за сутки, утром и вечером, оно повышается и столько же раз понижается, после полуночи и после полудня.
Изменение давления в течение суток связано с температурой воздуха и зависит от её изменений. Годовые изменения зависят от нагревания материков и океанов в летний период и их охлаждения в зимнее время. Летом область пониженного давления создается на суше, а область повышенного давления над океаном.
Минимальная величина атмосферного давления – 641,3 мм рт.ст или 854 мб – была зарегистрирована над Тихим океаном в урагане «Ненси», а максимальная – 815,85 мм рт.ст. или 1087 мб – в Туруханске зимой. Максимальное давление в России зарегистрировано в Красноярском крае в 1968 г – 870 мм рт. ст.
Все барические системы оказывают большое влияние на воздушные течения, погоду и климат на значительных территориях. О вызываемых ими ветрах мы поговорим в следующий раз.
Тест для закрепления изученного материала
Тест по теме: «Атмосферное давление»
Вам будет интересно
Река рождается при таянии ледника, из озера или родника. Текущая вода активно меняет пейзаж, вызывает…
Численность населения мира продолжает увеличиваться. В этом можно убедиться, проанализировав график динамики количества людей в…
Коала (Phascolarctos cinereus, Goldfuss, 1817) – единственный современный вид животных из рода коалы, семейства коаловые,…
2 комментария
Не понимаю. В данный момент 23 августа 2020 года в Антарктиде давление 466 мм рт с
В Гренландии 547. Перепроверил.
Здравствуйте, Иван, думаю, что всё объяснимо: Антарктида — самый высокий материк земли, он в 3 раза выше остальных материков. А мы знаем, что чем выше подъём, тем ниже атмосферное давление. А рядом с Гренландией расположен Исландский минимум — область пониженного атмосферного давления.
Атмосферное давление в физике – это что? Определение и формула
Содержание:
Метеозависимые люди при изменении погоды сталкиваются с головными болями. Часто недомогание возникает как следствие повышения либо понижения атмосферного давления. Разбираемся, что это за явление в физике, чем примечательно, как определить его величину разными способами.
Понятие атмосферного давления
Начнём с определений, что такое атмосферное давление и атмосфера в физике. Атмосферой называется газовая оболочка небесных тел, которая удерживается вокруг них за счёт силы гравитации. Она всегда вращается и передвигается с этим телом в межпланетном пространстве, образуя единую систему.
Под атмосферным давлением подразумевают силу, с которой находящиеся в пространстве газы действуют на единицу площади. Да-да, на каждого из нас и всё окружающее «давит» воздух вследствие притяжения его молекул гравитационным полем Земли, прижимает к её поверхности. Ощущать это воздействие человек начинает, когда в окружающей среде оно изменилось, а организм не успел компенсировать возникшую разницу.
Измеряется в паскалях – единицах, названных в честь французского учёного Паскаля, занимавшегося, в том числе, изучением «пустоты» – воздуха.
Нормальным считается давление в 101 325 Па (
100 кПа) или 760 мм ртутного столбика (мм рт. ст.) на уровне моря при температуре 0 °С. Ночью обычно наблюдается суточный максимум давления, минимум – после полудня, годовой минимум припадает на середину зимы, а максимум – на летние месяцы. С ростом высоты, например, подъёмом в горы, оно постепенно снижается, причем вертикальным «ускорением» принято пренебрегать – считается, что с высотой давление падает линейно.
Формула атмосферного давления в физике
В задачах принято считать, что при подъёме на каждые
10,5 м (цифра разнится в разных источниках от 10 до 12 м) давление снижается на 1 мм рт. ст. Температура при этом остаётся неизменной (в идеальных условиях). Применимо решение только вблизи поверхности планеты Земля (в пределах одного километра или чуть более). На высоте около 1000 метров оно снижается до 665 мм рт. ст.
Для более точного определения разницы атмосферного давления на различных высотах применяется формула:
.
Уравнение статики предлагает иной способ расчёта:
Третья формула с учётом температуры воздуха:
p = p0e 
, где:
Для перевода температуры в градусы Цельсия применяется формула: T = t + 273.
Задача
Найти силу, с которой на вас давит воздух в Москве при температуре 0 °C.
Решение. Известна высота расположения Москвы над уровнем моря —
180 м. Проведём простейшие расчёты, зная о линейном снижении атмосферного давления на 1 мм рт. ст. при подъёме на 10,5 м.
Для Москвы нормальным давлением воздушной оболочки Земли считается
Метеостанция на ладони: зачем в телефоне барометр и как его использовать
Вы привыкли узнавать погоду на ближайшие дни из Интернета, а ваш знакомый кидает мимолетный взгляд на телефон и выдает прогнозы точнее официальных? Только он один знает, в какие дни лучше всего клюет карась? Видимо, в вашем окружении завелся маг и заклинатель погоды. Вам повезло: может быть, однажды он по вашей просьбе вызовет дождь или разгонит тучи над городом…
На самом деле ничего загадочного в этом нет. Просто ваш приятель использует барометр в телефоне, который и дает ему волшебные подсказки. Хотите сами стать таким же «магом»? Тогда читайте, для чего и как использовать барометр в мобильном устройстве.
Возможности мобильного барометра
Барометр – это прибор для измерения атмосферного давления – силы, с которой воздушная масса давит на поверхность земли. Наблюдение за изменением его показателей и правильное понимание значений позволяет предугадывать:
Применительно к мобильному телефону функции барометра полезны для:
При желании барометру в телефоне можно найти еще массу применений, например, определять с его помощью высоту объектов. Но это уже на любителя.
Как узнать, есть ли барометр в интересующем вас телефоне
Проще всего это узнать из характеристик аппарата. Если смартфон способен определять давление, в числе его сенсоров должен быть упомянут барометрический датчик или датчик давления. На собственном телефоне наличие этого датчика можно выяснить с помощью приложений, собирающих сведения о системе и аппаратном обеспечении, например:
Это утилиты для девайсов на Андроиде.
Смотрите также:
Тестирование работоспособности и точности сенсора давления проводится под открытым небом с включенной функцией геолокации. Однако если нет возможности (или желания) выходить на улицу, берите на вооружение метод, предложенный нашими находчивыми соотечественниками – поместите телефон в прозрачный герметичный мешочек, наполненный воздухом, и сдавливайте его руками. При нажатии на мешок давление воздуха внутри него увеличивается, и исправный датчик на это реагирует.
Насколько точно снимает показатели барометрический сенсор вашего телефона, с помощью мешка не определить, но чувствительность проверить можно.
Лучшие приложения-барометры
Чтобы «превратить» телефон в полноценный измерительный прибор, не хватает самой малости – приложения, которое сымитирует его работу. Таких приложений немало, и основная их масса доступна бесплатно. Ниже неполный перечень наиболее удобных, красивых и наглядных, на мой взгляд.
Для Андроид
Для Android и iOS
Для iOS
Для использования этих и других аналогичных приложений особые знания не нужны. Достаточно выбрать удобные для себя единицы измерения и включить функцию определения геопозиции смартфона. После этого всё, можно удивлять друзей предсказаниями.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
