§46 Атмосферное давление на различных высотах

Определения и обозначения

Атмосферное давление — давление, которое воздух оказывает на поверхность и тела. Воздух имеет вес и давит на окружающие предметы, поэтому давление можно измерить так же, как давление газа или жидкости. Для этого используют барометр: его показания связаны с действием воздуха.

Барометр — прибор для измерения атмосферного давления. Он показывает, насколько сильное давление оказывает воздух в месте наблюдения. Если показание изменилось, значит, изменилось и давление; так можно сравнивать условия в разных местах или в разное время.

Барометр-анероид — барометр, в котором нет жидкости. Его упругая металлическая коробочка сжимается или расширяется, когда меняется давление воздуха, а механизм передаёт её движение стрелке. Такой прибор удобен тем, что его можно переносить и использовать без ртутного столба.

Высотомер, или альтиметр, — прибор, который определяет высоту по изменению атмосферного давления. Чем выше поднимаются, тем ниже обычно становится давление, поэтому шкалу прибора связывают с высотой. Высотомер нужно настраивать, поскольку погода тоже изменяет давление.

Как это устроено

Воздух не кажется тяжёлым, но он имеет массу и вес. Поэтому воздух над Землёй давит на поверхности и тела, а атмосферное давление создаётся весом столба воздуха над наблюдателем. Барометр позволяет измерять это давление по изменению показаний прибора. Чем сильнее воздух давит, тем больше будет показание барометра.

Когда человек поднимается вверх, часть воздуха остаётся ниже него. Над наблюдателем теперь расположен более короткий столб воздуха, а значит, его вес меньше и он давит слабее. К тому же в верхних слоях атмосферы воздух обычно менее плотный: в одинаковом объёме там содержится меньше воздуха. Поэтому при подъёме атмосферное давление падает.

На уровне моря над человеком находится весь воздушный столб атмосферы, расположенный выше этой точки. На возвышенности часть столба остаётся ниже наблюдателя, поэтому давление там обычно меньше. Это можно проверить барометром: на более высоком месте его показание будет ниже. В горах различие особенно заметно, хотя точное давление зависит и от погодных условий.

В барометре-анероиде изменение давления действует на упругую коробочку. При увеличении давления коробочка сильнее сжимается, при уменьшении — расправляется; связанный с ней механизм перемещает стрелку. На шкале отмечены значения давления, поэтому по положению стрелки можно увидеть, как оно изменилось. Если шкалу дополнительно связать с высотой, по показаниям прибора можно оценить подъём.

Высотомер использует связь между высотой и давлением: прибор измеряет давление и переводит его в значение высоты по своей шкале. Но давление меняется не только из-за подъёма или спуска. Например, погодные условия могут изменить давление на той же высоте, поэтому одинаковое показание иногда соответствует разным высотам. Чтобы получить более надёжный результат, высотомер настраивают по известной высоте или текущему давлению.

Как меняются атмосферное давление и показания барометра с высотой

В таблице сравниваются не точные числовые значения, а общая зависимость: при увеличении высоты давление обычно становится меньше. Чтобы определить, где находится наблюдатель выше, сравни показания барометров: меньшее показание обычно соответствует большей высоте. Для точного расчёта одного сравнения недостаточно, потому что на давление влияет погода.

Разбор задач

Задача 1. У подножия холма барометр показывает большее давление, чем на вершине. Нужно определить, где наблюдатель находится выше. Сравним показания с зависимостью давления от высоты: при подъёме столб воздуха над человеком становится меньше. Поэтому давление на вершине должно быть ниже.

1. Сравниваем места: подножье и вершину холма.
2. Учитываем, что большее показание барометра означает большее атмосферное давление.
3. На большей высоте давление меньше, значит, меньшее показание относится к вершине.

Ответ: выше находится наблюдатель на вершине холма. Проверка проста: если перепутать места, получится, что давление при подъёме возрастает, хотя над человеком остаётся меньший столб воздуха.

Задача 2. У подножия горы барометр показывает 760 мм рт. ст., а на вершине — 730 мм рт. ст. Найдём, на сколько миллиметров ртутного столба изменилось давление. Здесь требуется сравнить начальное и конечное показания. Так как на вершине значение меньше, давление уменьшилось.

1. Записываем показание у подножия: 760 мм рт. ст.
2. Записываем показание на вершине: 730 мм рт. ст.
3. Вычитаем меньшее значение из большего: 760 − 730 = 30 мм рт. ст.

Ответ: давление уменьшилось на 30 мм рт. ст. Важно указать не только разницу, но и направление изменения: показание на вершине ниже, следовательно, давление стало меньше.

Задача 3. На участке подъёма давление уменьшилось на 24 мм рт. ст. Приближённо при подъёме на 12 м давление меняется на 1 мм рт. ст. Оценим высоту подъёма, пользуясь этим соотношением. Поскольку уменьшение составило 24 мм рт. ст., подъём примерно в 24 раза больше, чем 12 м.

1. Находим, сколько раз по 1 мм рт. ст. содержится в изменении давления: 24 ÷ 1 = 24.
2. Умножаем число таких частей на соответствующую высоту: 24 × 12 м = 288 м.
3. Проверяем смысл результата: давление уменьшилось при подъёме, значит, оценённая высота положительная.

Ответ: высота подъёма составляет примерно 288 м. Это оценка, а не точное измерение: зависимость давления от высоты не является строго равномерной, а на показания может влиять погода.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что атмосферное давление с высотой увеличивается. Так могут рассуждать, представляя, что воздух «поднимается» вместе с человеком. Но выше наблюдателя остаётся меньший столб воздуха, и его вес меньше. Проверь себя: при подъёме давление должно снижаться, а не расти.

Ошибка: считать, что на каждой высоте давление уменьшается на одну и ту же величину. Приближённое правило удобно для оценки, поэтому его иногда принимают за точный закон. На самом деле связь не строго равномерна, и результаты такого расчёта приблизительны. Проверь, не выдаёшь ли ты оценку за точное значение.

Ошибка: путать высоту места с показанием барометра. Можно ошибочно решить, что большее число на шкале означает большую высоту. Но барометр показывает давление, и с ростом высоты оно обычно уменьшается. Для проверки сначала выясни, что именно измеряет прибор, а затем сравни его показания.

Ошибка: считать высотомер абсолютно точным. Прибор переводит давление в высоту, но атмосферное давление зависит и от погоды. Если не настроить высотомер, одинаковое показание может соответствовать разной высоте. Перед выводом проверь, учитывались ли настройка и погодные условия.

Связь с другими темами

Для понимания атмосферного давления нужно знать, что давление равно отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Также пригодятся представления о весе воздуха и о давлении в жидкостях и газах. Зависимость давления от высоты помогает объяснить показания приборов при подъёме в горы и при изучении погоды. Эти знания нужны, чтобы понимать, как устроен и почему требует настройки высотомер.

Что запомнить

• Воздух имеет вес и оказывает давление.
• Атмосферное давление создаётся столбом воздуха над наблюдателем.
• С увеличением высоты атмосферное давление обычно уменьшается.
• Барометр измеряет атмосферное давление.
• Барометр-анероид работает без жидкости.
• Высотомер определяет высоту по изменению давления.
• Приближённое соотношение между изменением давления и высотой не заменяет точного измерения.