§ 8. Атмосферное давление

Определения и обозначения

Атмосферное давление — это давление, оказываемое воздухом атмосферы на поверхность Земли и находящиеся на ней тела. Воздух давит не только сверху, но и сбоку, и снизу. Это понятие нужно, чтобы объяснить действие атмосферы на людей, предметы и приборы.

Атмосферное давление на уровне моря в обычных условиях называют нормальным атмосферным давлением. Его приближённое значение равно 760 мм рт. ст., или 101 300 Па. С этим значением сравнивают показания барометра в разных местах и в разную погоду.

Барометр — прибор для измерения атмосферного давления. В жидкостном барометре давление определяют по высоте столба жидкости, а в барометре-анероиде — по деформации герметичной металлической коробочки. Название «анероид» означает «без жидкости».

Опыт Торричелли — опыт с длинной трубкой, заполненной ртутью и перевёрнутой в сосуд с ртутью. Часть ртути вытекает, но в трубке остаётся столб определённой высоты. По этой высоте судят о величине атмосферного давления: чем выше столб, тем оно больше.

Как это устроено

Воздух оказывает давление, потому что имеет массу. Земля притягивает воздушную оболочку, и её вес действует на поверхность планеты. Если мысленно выделить участок поверхности, на него давит вес всего столба воздуха, расположенного над этим участком.

Торричелли заполнил ртутью стеклянную трубку, закрыл её конец и перевернул в сосуд с ртутью. Часть жидкости опустилась, но не вся: ртутный столб остановился на некоторой высоте. Воздух давит на открытую поверхность ртути в сосуде и уравновешивает давление столба внутри трубки.

Над ртутью в перевёрнутой трубке остаётся почти пустое пространство, поэтому сверху на столб практически нет давления. Если давление воздуха в сосуде увеличится, он сильнее прижмёт ртуть и столб поднимется. Если давление уменьшится, столб станет ниже.

В барометре-анероиде герметичная металлическая коробочка частично лишена воздуха и может немного деформироваться. При увеличении внешнего давления её стенки прогибаются внутрь, а при уменьшении — распрямляются. Передаточный механизм усиливает это малое движение и перемещает стрелку по шкале.

С высотой атмосферное давление обычно уменьшается, потому что над наблюдателем становится меньше воздуха. Кроме того, воздух на больших высотах разрежен, то есть в одинаковом объёме находится меньше частиц. Наблюдая за показаниями барометра в течение времени, можно заметить рост или падение давления и сопоставить его с изменениями погоды.

Атмосферное давление: значение, единицы и измерение

В таблице удобно сначала найти физическую величину и её обычное значение, а затем выбрать нужную единицу или прибор. При решении задач проверяйте, совпадают ли единицы в условии и ответе. Для перевода миллиметров ртутного столба в паскали умножайте значение на 133.

Разбор задач

Задача 1

Нужно перевести нормальное давление 760 мм рт. ст. в паскали. Используем приближённое соотношение 1 мм рт. ст. ≈ 133 Па.

1. Записываем формулу перевода: p = 760 · 133 Па.
2. Выполняем умножение: p = 101 080 Па.
3. Округляем результат до принятого значения: примерно 101 300 Па.

Ответ: 760 мм рт. ст. ≈ 101 080 Па, что обычно округляют до 101 300 Па.

Задача 2

Барометр показывает 750 мм рт. ст. Требуется найти давление в паскалях и сравнить его с нормальным. Показание уже дано в миллиметрах ртутного столба, поэтому применяем тот же коэффициент.

1. Переводим единицы: p = 750 · 133 Па.
2. Считаем: p = 99 750 Па.
3. Сравниваем с нормальным давлением: 750 мм рт. ст. меньше 760 мм рт. ст., значит, давление ниже нормального.

Ответ: 99 750 Па; давление меньше нормального примерно на 10 мм рт. ст.

Задача 3

У подножия горы барометр показывает 760 мм рт. ст., а на вершине — 700 мм рт. ст. Нужно определить изменение давления в паскалях. Сначала находим разность показаний, потому что сравниваем давление в двух местах.

1. Находим разность: 760 − 700 = 60 мм рт. ст.
2. Переводим её в паскали: Δp = 60 · 133 = 7 980 Па.
3. Меньшее показание получено на вершине, поэтому там давление ниже.

Ответ: давление уменьшилось на 7 980 Па, или примерно на 8,0 кПа.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что атмосферное давление действует только вниз. Так думают из-за веса воздуха, но частицы воздуха движутся во всех направлениях. Проверьте себя: давление газа в покоящемся сосуде передаётся на стенки со всех сторон.

Ошибка: учитывать только верхний слой воздуха. На тело действует вес всего столба атмосферы над ним, а не одного ближайшего слоя. Представьте вертикальную колонну воздуха от тела до верхних разреженных слоёв атмосферы.

Ошибка: считать, что с подъёмом давление растёт. Выше над наблюдателем меньше воздуха, поэтому его вес и давление обычно уменьшаются. Сверьте вывод с показаниями барометра у подножия и на вершине.

Ошибка: смешивать миллиметры ртутного столба и паскали. Числа 760 и 101 300 описывают примерно одно давление, но выражены в разных единицах. Перед вычислением запишите коэффициент 1 мм рт. ст. ≈ 133 Па.

Связь с другими темами

Для понимания атмосферного давления нужны знания о давлении, силе давления и площади поверхности. Давление связывает действие силы с площадью, на которую она распределяется. Поэтому атмосферу можно рассматривать как газ, действующий своей силой на поверхности.

Тема пригодится при изучении давления жидкостей и газов, работы насосов и поведения тел в атмосфере. Опыт Торричелли показывает общий принцип равновесия давлений. Барометр помогает применять этот принцип для измерений.

Наблюдения за погодой связаны с изменением показаний барометра. Рост или падение давления фиксируют как изменение состояния атмосферы. Такие данные используют вместе с другими признаками погоды.

Что запомнить

• Атмосферное давление создаётся воздухом атмосферы.
• Воздух оказывает давление на тела во всех направлениях.
• Нормальное атмосферное давление приблизительно равно 760 мм рт. ст. или 101 300 Па.
• Атмосферное давление измеряют барометром.
• С увеличением высоты атмосферное давление обычно уменьшается.
• Изменения показаний барометра помогают наблюдать за изменением атмосферного давления.