§45 Барометр-анероид

Определения и обозначения

Барометр-анероид — прибор для измерения атмосферного давления без использования жидкости. Слово «барометр» указывает на назначение прибора, а «анероид» означает «без жидкости». Такой прибор нужен, чтобы узнавать, с какой силой воздух давит на окружающие тела.

Анероидная коробка — герметичная металлическая коробка с разреженным воздухом внутри. Разреженным называют воздух, которого внутри меньше, чем при обычном атмосферном давлении; это не обязательно полный вакуум. Тонкие упругие стенки коробки могут слегка изменять форму под действием давления снаружи.

Шкала барометра-анероида — деления, по которым определяют значение атмосферного давления. Давление обычно выражают в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) или паскалях (Па). Единицы и деления нужны, чтобы записать показание числом и сравнивать результаты измерений.

Указательная стрелка — подвижная часть прибора, соединённая с коробкой через механизм. Когда коробка деформируется, механизм перемещает стрелку по шкале. Её положение показывает, какому значению давления соответствует деформация коробки.

Как это устроено

Внутри анероидной коробки создают разрежение, чтобы внешнее атмосферное давление заметно воздействовало на её стенки. Если бы давление внутри было таким же, как снаружи, силы с обеих сторон в значительной степени уравновешивались бы. При изменении атмосферного давления меняется сила, с которой воздух давит на коробку. Поэтому её стенки немного прогибаются, а их движение можно использовать для измерения.

Коробку делают из тонкого металла, чтобы стенки могли поддаваться давлению, но сохраняли упругость. При повышении внешнего давления коробка стремится сильнее сжаться, а при его понижении — меньше сжимается и возвращается в сторону исходного положения. Пружина противодействует сжатию, иначе коробка могла бы смяться слишком сильно. Она также помогает стенкам возвращаться, когда давление меняется обратно.

Деформация коробки очень мала, поэтому её непосредственное движение трудно заметить и использовать для отсчёта. Связанный с коробкой передаточный механизм передаёт это движение стрелке и делает его заметным. Так небольшое перемещение стенок превращается в более удобное для наблюдения перемещение указателя. Благодаря механизму стрелка реагирует на изменения давления, хотя сама коробка почти не меняет форму.

Чтобы узнать давление, смотрят, напротив какого деления остановилась стрелка, и учитывают единицу измерения на шкале. Шкалу предварительно градуируют: прибор сопоставляют с известными значениями давления и наносят соответствующие деления. Поэтому стрелка показывает не просто степень прогиба коробки, а значение давления, которому этот прогиб соответствует. Без шкалы и её единиц правильно истолковать положение стрелки нельзя.

Анероид удобен тем, что в нём нет жидкости и длинной стеклянной трубки, которые могут пролиться или разбиться при переноске. Поэтому его проще брать с собой и использовать в разных местах. Однако коробка и передаточный механизм чувствительны к ударам, а сильное сотрясение может повлиять на работу прибора. Чтобы показания оставались надёжными, анероид нужно переносить осторожно и считывать их по шкале.

Устройство барометра-анероида и назначение его частей

Таблица помогает проследить путь от воздействия воздуха до показания: коробка реагирует на давление, а механизм передаёт движение стрелке. При чтении прибора проверьте не только положение стрелки, но и значение деления с единицей измерения. Тогда показание можно записать без путаницы.

Разбор задач

Задача 1. Стрелка барометра-анероида стоит на делении 750 мм рт. ст. Запишите показание прибора и назовите измеряемую величину. Здесь число нужно считать именно с деления шкалы, а не вычислять по устройству прибора. Единица измерения помогает понять, что показывает число.

1. Смотрим, напротив какого деления находится стрелка: это деление 750.
2. Переписываем число вместе с единицей, указанной на шкале: 750 мм рт. ст.
3. Определяем величину по назначению прибора: барометр измеряет атмосферное давление.

Ответ: показание равно 750 мм рт. ст.; измеряемая величина — атмосферное давление.

Задача 2. Утром барометр показывал 748 мм рт. ст., а вечером — 752 мм рт. ст. На сколько изменилось давление и увеличилось оно или уменьшилось? Сравним позднее показание с ранним, потому что именно так можно определить направление изменения. Разность найдём вычитанием меньшего значения из большего.

1. Записываем показания: утром — 748 мм рт. ст., вечером — 752 мм рт. ст.
2. Вычитаем: 752 − 748 = 4 мм рт. ст.
3. Проверяем направление: вечером стрелка показывает большее значение, значит давление увеличилось.

Ответ: давление увеличилось на 4 мм рт. ст.

Задача 3. При перемещении прибора стрелка перешла с деления 755 мм рт. ст. на деление 748 мм рт. ст. Определите изменение давления и объясните, почему по одному этому наблюдению нельзя установить точную высоту перемещения. Сначала сравним показания, не делая выводов о высоте. Для определения высоты одного изменения давления недостаточно, поскольку на него влияют и другие условия.

1. Начальное показание равно 755 мм рт. ст., конечное — 748 мм рт. ст.
2. Находим разность: 755 − 748 = 7 мм рт. ст.
3. Конечное показание меньше начального, поэтому давление уменьшилось на 7 мм рт. ст.
4. Не переводим эту разность в высоту без дополнительных данных: давление меняется не только из-за высоты, но и с изменением погоды и условий окружающей среды.

Ответ: давление уменьшилось на 7 мм рт. ст.; точную высоту перемещения по этим данным определить нельзя.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что внутри коробки полный вакуум. Так думают, потому что слово «анероид» связано с отсутствием жидкости, но это не означает полного отсутствия вещества. Внутри находится разреженный воздух. Проверь себя: отличай разрежение от вакуума и помни, что коробка герметична, но не обязательно пустая.

Ошибка: путать давление внутри коробки с атмосферным давлением. Такое смешение возникает потому, что прибор измеряет давление, хотя воздух снаружи действует на стенки коробки. Анероид реагирует именно на изменение внешнего атмосферного давления через деформацию стенок. Проверь себя: назови, какая сила снаружи изменяет форму коробки, прежде чем объяснять показание.

Ошибка: считать, что стрелка перемещается сама по себе. Можно не заметить связи между указателем и коробкой, потому что движение передаётся через скрытый механизм. На самом деле коробка деформируется, а передаточный механизм перемещает стрелку. Проверь себя: проследи цепочку «давление — коробка — механизм — стрелка».

Ошибка: определить давление только по положению стрелки, не проверив шкалу и единицы. Так ошибаются, если принимают внешний вид прибора за готовое числовое значение. Одно положение стрелки без делений и обозначений единиц нельзя надёжно истолковать. Проверь себя: прочитай деление и подпись единицы, прежде чем записывать показание.

Связь с другими темами

Для понимания работы анероида нужно знать, что такое атмосферное давление и как воздух действует на тела. Понятия деформации и упругости объясняют, почему коробка меняет форму, а пружина сопротивляется сжатию и помогает восстановить её положение. Работа прибора показывает, как измерительное устройство превращает небольшое изменение в показание, которое можно считать. Эти знания пригодятся при изучении других приборов и зависимости атмосферного давления от условий окружающей среды.

Что запомнить

• Барометр-анероид измеряет атмосферное давление без жидкости.
• Внутри анероидной коробки находится разреженный воздух.
• Изменение атмосферного давления деформирует стенки коробки.
• Пружина препятствует сжатию коробки и помогает возвращать её в исходное положение.
• Передаточный механизм связывает коробку с указательной стрелкой.
• Давление определяют по положению стрелки на проградуированной шкале.