§ 42. Атмосферное давление

Определения и обозначения

Атмосферное давление — давление, которое воздух атмосферы оказывает на находящиеся в ней тела и на поверхность Земли. Проще говоря, воздух не просто окружает нас, но и действует на предметы вокруг. Это понятие помогает описывать, как атмосфера влияет на тела и почему воздух можно измерять как физическую величину.

Барометр — прибор для измерения атмосферного давления. Его показания позволяют узнать, насколько сильно воздух давит в месте наблюдения. Сравнивая показания в разное время, можно заметить, что давление меняется.

Ртутный барометр — прибор, в котором атмосферное давление уравновешивается давлением столба ртути. Высоту столба можно измерить и использовать как меру давления воздуха. Такой прибор помогает наглядно увидеть связь атмосферного давления с давлением жидкости.

Нормальное атмосферное давление — давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при стандартных условиях. Это значение используют как точку сравнения, а не как обязательное давление в любом месте и в любое время. Если показание барометра меньше или больше 760 мм рт. ст., давление соответственно ниже или выше нормального.

Как это устроено

Воздух состоит из частиц и имеет массу, поэтому Земля притягивает его силой тяжести. Вес всей атмосферы давит на поверхность Земли и на тела, находящиеся в воздухе. Верхние слои атмосферы также давят на нижние, поэтому давление создаётся не только у самой поверхности.

Существование атмосферного давления можно показать простым опытом: наполнить стакан водой, накрыть листом бумаги и осторожно перевернуть. Если лист прилегает к краям стакана, он не падает, хотя вода тянет его вниз. Воздух снаружи давит на лист снизу вверх и поддерживает его, уравновешивая действие воды; опыт показывает, что давление воздуха реально действует на предметы.

Чтобы измерить атмосферное давление, Эванджелиста Торричелли заполнил ртутью длинную стеклянную трубку, закрыл её отверстие и перевернул трубку в чашу с ртутью. Часть ртути вытекла в чашу, но в трубке остался столб, над которым почти нет воздуха. Столб остановился, потому что давление воздуха на ртуть в чаше уравновесило давление ртути в трубке. Измерив высоту столба, можно определить атмосферное давление.

На возвышенности над прибором находится меньший слой воздуха, чем у подножия. Значит, вес воздуха, давящего на единицу площади, обычно меньше, и показание барометра снижается. Поэтому атмосферное давление, как правило, уменьшается с увеличением высоты, хотя на него влияют и другие условия.

Барометр измеряет атмосферное давление, а его показания записывают и сравнивают. В ртутном приборе судят о давлении по высоте столба ртути, а в барометре-анероиде — по перемещению стрелки. Если показания меняются, значит, меняется и давление воздуха; такие изменения помогают судить о возможных переменах погоды, но не дают безошибочного прогноза сами по себе.

Приборы и способы измерения атмосферного давления

В таблице сравниваются не только приборы, но и способы, которыми получают показание. Для ртутного барометра результат связан с высотой столба, а анероид показывает давление с помощью стрелки. При сравнении результатов учитывайте единицы измерения и помните, что 760 мм рт. ст. соответствует нормальному давлению.

Разбор задач

Задача 1. В перевёрнутом стакане с водой находится лист бумаги, который не падает после переворачивания. Нужно объяснить наблюдение и определить, какие силы действуют на лист. Важно учесть не только воду внутри стакана, но и воздух снаружи.

1. Вода давит на лист и стремится переместить его вниз.
2. Атмосферный воздух снаружи давит на лист снизу вверх.
3. Когда лист плотно закрывает стакан, давление воздуха поддерживает его и уравновешивает действие воды.

Ответ: лист не падает, потому что атмосферное давление снизу поддерживает его и уравновешивает давление воды. Если воздух сможет попасть внутрь стакана, условия изменятся и лист может упасть.

Задача 2. Высота столба ртути в барометре составляет 740 мм. Сравните показание с нормальным атмосферным давлением. Чтобы ответить, не требуется переводить миллиметры в другие единицы: достаточно сопоставить измеренную высоту с нормальным значением.

1. Нормальное атмосферное давление соответствует столбу ртути высотой 760 мм.
2. Сравним показания: 740 мм меньше, чем 760 мм.
3. Следовательно, измеренное давление ниже нормального. Разность высот равна 760 − 740 = 20 мм рт. ст.

Ответ: давление ниже нормального на величину, соответствующую 20 мм рт. ст. Высота 740 мм — показание барометра, а не высота атмосферы.

Задача 3. У подножия горы высота столба ртути равна 760 мм, а на вершине — 680 мм. Требуется объяснить, почему один и тот же барометр показывает разные значения в этих местах. Сравнение высот столба помогает увидеть, где атмосферное давление больше.

1. У подножия показание равно 760 мм, а на вершине — 680 мм.
2. Значение на вершине меньше: 680 < 760. Значит, там атмосферное давление ниже.
3. На вершине над барометром расположен меньший слой воздуха, поэтому его вес и давление меньше.

Ответ: разница показаний объясняется высотой: на вершине меньше воздуха давит на барометр. Поэтому столб ртути там ниже на 80 мм.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что атмосферное давление действует только сверху. Так думают, представляя воздух как тяжёлое одеяло, хотя газ давит во всех направлениях. Проверка: вспомните опыт с листом под перевёрнутым стаканом — воздух поддерживает его снизу.

Ошибка: полагать, что давление существует только при движении воздуха. Это представление возникает из-за того, что ветер особенно заметно ощущается кожей, но неподвижный воздух тоже имеет вес. Проверка: даже в комнате без ветра барометр показывает давление.

Ошибка: путать атмосферное давление с силой тяжести, действующей на отдельное тело. Сила тяжести приложена к телу, а давление описывает действие на единицу площади; эти величины связаны, но не равны. Проверка: уточните, что именно сравнивается — сила или действие на площадь поверхности.

Ошибка: считать, что 760 мм — высота атмосферы. Путаница появляется из-за того, что нормальное давление выражают высотой столба ртути в миллиметрах. Проверка: спросите себя, какая именно жидкость стоит за этим числом: речь идёт о ртути, а не о воздухе.

Связь с другими темами

Чтобы понять атмосферное давление, нужно знать, что такое давление, сила и площадь поверхности, и уметь пользоваться формулой давления: p = F/S. Она показывает, что давление зависит от силы и площади, на которую эта сила действует. Здесь давление создаёт вес воздуха, а сравнение площадей помогает отличать давление от самой силы.

Эта тема пригодится при изучении давления жидкостей и газов: в обоих случаях важно, что вещество может давить на окружающие тела. Знание об атмосферном давлении помогает понять работу барометров и причины изменения их показаний. Наблюдая за такими изменениями, можно получить сведения, полезные для прогнозирования погоды.

Что запомнить

• Воздух имеет массу и притягивается Землёй.
• Вес воздуха атмосферы создаёт атмосферное давление.
• Атмосферное давление действует во всех направлениях.
• Давление воздуха измеряют барометром.
• Нормальное атмосферное давление соответствует столбу ртути высотой 760 мм.
• С подъёмом над поверхностью Земли атмосферное давление обычно уменьшается.