"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Атмосферное давление — давление, которое воздух оказывает на Землю и находящиеся на ней тела. Оно возникает потому, что воздух имеет массу и притягивается Землёй. Атмосфера давит во всех направлениях, а её давление меняется с высотой и погодой. Измеряют его барометрами: ртутным или безжидкостным барометром-анероидом. Нормальное атмосферное давление составляет 760 мм рт. ст., или примерно 101 300 Па.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атмосферное давление — давление, которое воздух оказывает на Землю и тела, находящиеся в атмосфере. Воздух состоит из частиц и имеет массу, а Земля притягивает его силой тяжести. Поэтому воздух давит не только на поверхность, но и на предметы вокруг нас. Это понятие помогает объяснить, почему воздух способен воздействовать на тела, хотя его обычно не видно.
Опыт Торричелли — опыт с трубкой, наполненной ртутью, который показал, что атмосферное давление существует. Трубку закрывают с одного конца, заполняют ртутью и переворачивают открытым концом в чашу с ртутью. Часть ртути вытекает, но столб в трубке остаётся. Опыт нужен, чтобы увидеть действие атмосферы и связать давление воздуха с высотой столба жидкости.
Барометр — прибор для измерения атмосферного давления. К основным видам относятся ртутный барометр и барометр-анероид, в котором нет жидкости. Первый показывает давление по высоте столба ртути, второй — по изменению формы упругой металлической детали. Барометры позволяют наблюдать изменения давления и сравнивать его значения.
Нормальное атмосферное давление — условное значение, принятое для сравнения: 760 мм рт. ст., или примерно 101 300 Па. Миллиметр ртутного столба — единица, связанная с высотой столба ртути в барометре, а паскаль — единица давления в Международной системе. Нормальное значение не означает, что давление всегда именно такое. Реальное показание может отличаться из-за высоты местности и изменений погоды.
Воздух кажется лёгким, но он состоит из множества частиц и обладает массой. Земля притягивает эти частицы, поэтому воздух имеет вес и нижние слои атмосферы испытывают действие воздуха, расположенного выше. Воздействие веса воздуха на поверхность и тела и называют атмосферным давлением. Так объясняется его причина: давление создаётся не самим фактом движения воздуха, а весом притягиваемой Землёй атмосферы.
Воздух, как и другие газы, не удерживает одну постоянную форму и распространяется в доступном ему пространстве. Частицы воздуха воздействуют на поверхности, с которыми сталкиваются, поэтому давление передаётся во все стороны, а не только вниз. Воздух давит на верхние, нижние и боковые поверхности предметов. Это позволяет понять, почему давление атмосферы действует и на стенки помещения, и на предметы, и на поверхность Земли.
В опыте Торричелли заполненную ртутью трубку переворачивают открытым концом вниз и погружают в чашу с ртутью. Часть ртути выходит, а над оставшимся столбом в закрытой части трубки почти не остаётся воздуха. На поверхность ртути в чаше давит атмосфера, и это давление поддерживает ртуть в трубке. Когда давление воздуха меняется, меняется и высота столба; поэтому по ней можно судить о величине атмосферного давления.
В ртутном барометре один конец трубки закрыт, а другой сообщается с чашей, в которой находится ртуть. Атмосфера давит на ртуть в чаше и удерживает столб в трубке; давление определяют по его высоте. В барометре-анероиде жидкости нет: давление сжимает или расправляет упругую металлическую коробочку, а связанный с ней механизм перемещает стрелку. Оба прибора показывают атмосферное давление, но используют разные способы преобразования давления в показание.
Атмосферное давление не является постоянным: оно зависит от состояния атмосферы и высоты точки наблюдения. При подъёме вверх над человеком или прибором остаётся меньший столб воздуха, чем внизу. Значит, вес воздуха, давящего на эту точку, обычно меньше, и давление снижается. Изменения погоды тоже сопровождаются изменением давления, поэтому показания барометра могут меняться и на одной высоте.
| Прибор | Как устроен | Как измеряет давление | Особенности |
|---|---|---|---|
| Ртутный барометр | Трубка, закрытая с одного конца, заполнена ртутью и опущена открытым концом в чашу с ртутью. | Давление определяют по высоте столба ртути в трубке. | Наглядно показывает связь давления с высотой столба, но содержит ртуть и требует аккуратного обращения. |
| Барометр-анероид | Упругая металлическая коробочка соединена с механизмом и стрелкой; жидкости внутри нет. | Изменение давления деформирует коробочку, а механизм перемещает стрелку по шкале. | Компактен и удобен для переноски; его показания снимают по шкале. |
При выборе прибора сначала обратите внимание на его устройство, а затем — на то, какое изменение превращается в показание. У ртутного барометра считывают высоту столба, у анероида — положение стрелки. Оба прибора предназначены для измерения атмосферного давления, но их устройство и особенности обращения различаются.
Задача 1. У ртутного барометра высота столба ртути равна 760 мм. Определить атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба и сравнить его с нормальным. Показание такого барометра непосредственно задаёт давление в этой единице, поэтому достаточно сопоставить высоту с нормальным значением.
Ответ: атмосферное давление равно 760 мм рт. ст.; оно нормальное.
Задача 2. На вершине холма барометр показывает меньшее давление, чем у его подножия. Нужно объяснить наблюдение. Для этого сравним, сколько воздуха находится над прибором в двух точках: на вершине воздушный столб меньше. Значит, его вес и создаваемое им давление обычно меньше.
Ответ: на вершине над прибором меньше воздуха, поэтому атмосферное давление обычно меньше.
Задача 3. Давление воздуха у поверхности Земли равно 100 000 Па. Найти силу, с которой воздух давит на крышку площадью 0,02 м². Сила зависит не только от давления, но и от площади: на большей поверхности при том же давлении действует большая сила. Используем формулу давления p = F/S и выразим из неё силу.
Ответ: воздух давит на крышку с силой 2 000 Н.
Считать, что атмосферное давление направлено только вниз. Так думают, потому что воздух имеет вес, и представляют лишь его действие сверху; но газ давит во все стороны. Проверьте себя: назовите поверхность предмета, на которую воздух не мог бы давить, — такой поверхности в обычных условиях нет.
Объяснять давление воздуха его движением. Движение воздушных масс может менять погоду, но причина самого атмосферного давления — вес воздуха, притягиваемого Землёй. Чтобы проверить рассуждение, спросите себя, будет ли воздух давить и тогда, когда он неподвижен относительно предмета.
Путать атмосферное давление с давлением внутри сосуда. Давление внутри сосуда создаёт находящийся в нём газ или жидкость, а атмосферное — окружающий воздух; их значения могут не совпадать. Сверьте, где расположен источник давления и каким прибором его измеряют: атмосферное давление показывает барометр.
Считать 760 мм рт. ст. неизменным давлением в любом месте и в любое время. Это нормальное значение для сравнения, а реальное давление меняется с высотой и состоянием атмосферы. Проверить себя можно по показаниям барометра: если они отличаются от 760 мм рт. ст., это не означает, что прибор обязательно неисправен.
Для этой темы нужны понятия силы, площади поверхности и давления, а также формула p = F/S. Она помогает понять, как давление связано с силой и площадью, и решать задачи о действии воздуха на предметы. Позже эти знания пригодятся при изучении давления в жидкостях и газах, устройства барометров и изменений погоды. Наблюдения за атмосферным давлением помогают объяснить, почему показания прибора меняются при подъёме на высоту и при изменении состояния атмосферы.
Почему мы не замечаем атмосферное давление?
Воздух давит на тело со всех сторон, поэтому силы давления в обычных условиях уравновешиваются. Кроме того, внутри нашего тела есть давление, которое помогает уравновесить давление окружающего воздуха.
Как опыт Торричелли доказывает существование атмосферного давления?
Перевёрнутая трубка, наполненная ртутью, опускается открытым концом в чашу с ртутью, но часть ртути остаётся в трубке. Её удерживает давление воздуха на поверхность ртути в чаше; значит, атмосфера действительно оказывает давление.
Почему ртуть в трубке барометра не выливается полностью?
На ртуть в трубке действует давление, связанное с весом столба ртути, а на ртуть в чаше давит атмосфера. Эти воздействия уравновешиваются, поэтому столб остаётся в трубке. Его высота зависит от атмосферного давления.
Чем барометр-анероид отличается от ртутного барометра?
В ртутном барометре давление определяют по высоте столба ртути. В анероиде жидкости нет: давление деформирует упругую металлическую коробочку, а механизм передаёт её движение стрелке.
Почему атмосферное давление уменьшается с высотой?
Чем выше находится точка, тем меньшая часть атмосферы расположена над ней. Вес воздуха над точкой становится меньше, поэтому уменьшается и давление. Обычно оно снижается при подъёме вверх.
§ 12. Атмосферное давление
