Атмосферное давление

Атмосферное давление

Чем окружена Земля?

Земля окружена воздушной оболочкой — атмосферой, которая простирается на сотни километров в высоту и не имеет чёткой границы

Давление атмосферы

Вследствие притяжения к Земле атмосфера давит на её поверхность, а согласно закону Паскаля это давление передаётся по всем направлениям.
Поэтому атмосфера давит на все тела, находящиеся вблизи поверхности Земли, в том числе и на каждого из нас. 
Такое давление маленькое или большое?
Ответ: Большое
На поверхность ладони атмосфера давит с силой, примерно равной весу взрослого человека

Почему мы не ощущаем давление атмосферы?

Мы не ощущаем давления атмосферы только потому, что жидкости и газы, содержащиеся в наших тканях, сами находятся под давлением, примерно равным давлению атмосферы.

Как убедиться в существовании атмосферного давления на опыте?

Самый впечатляющий опыт поставил в 17-м веке немецкий учёный Отто фон Герике (рассмотрим позже)

Самый простой опыт:

втяните щёки
Почему щёки втянулись — разве их что-то тянет внутрь?
Во рту нет «крючков», которые тянули бы щёки изнутри.
Значит, на щёки что-то давит снаружи.
Это «что-то» и есть давление атмосферы: втягивая щёки, вы уменьшаете давление воздуха во рту, и атмосферное давление вдавливает щёки.
Поэтому точнее было бы говорить, что щёки не втянуты, а вдавлены — они вдавлены наружным атмосферным давлением.

До какой высоты можно поднять воду поршнем?

Когда вы пьёте сок через трубочку, вы тоже втягиваете щёки, уменьшая давление во рту.
И давление атмосферы, действуя на поверхность сока в пакете, толкает сок в трубочку.
Благодаря атмосферному давлению поднимается и вода в трубке вслед за поршнем.
Давление атмосферы на поверхность воды схематически показано красными стрелками; оно вталкивает воду в трубку при подъёме поршня. Так, например, поднимают воду из неглубокого колодца.

«Терпит» ли природа пустоту?

Подъём воды вслед за поршнем древние греки объясняли так: если бы вода не поднималась, то между водой и поршнем образовалась бы пустота, а согласно Аристотелю «природа не терпит пустоты».
Ученик Галилея, которого звали Эванджелиста Торричелли, следуя примеру своего учителя, доверял больше опыту и разуму, чем авторитету Аристотеля.
Торричелли догадался, что вода поднимается не потому, что её будто бы тянет образующаяся под поршнем пустота, а потому, что её толкает давление атмосферы на поверхность воды в колодце. Однако по мере того как увеличивается высота столба воды в трубке, увеличивается и создаваемое этим столбом давление. И как только оно становится равным давлению атмосферы, дальнейший подъём воды становится невозможным.

А если всё же продолжать поднимать поршень? 

Тогда между ним и поверхностью воды образуется пустота. В честь Торричелли её назвали «торричеллиева пустота». Так Торричелли опроверг старинное заблуждение, что «природа не терпит пустоты».
Между водой и поршнем будет всё-таки не абсолютная пустота: там будет водяной пар, но его давление при комнатной температуре значительно меньше, чем давление атмосферы.

Чему равно атмосферное давление?

То, что воду нельзя поднять поршнем выше 10 метров, означает, что атмосферное давление равно давлению, создаваемому десятиметровым столбом воды, то есть многокилометровый слой воздуха над поверхностью Земли создаёт такое же давление, как столб воды высотой с трёхэтажный дом.
При подъёме атмосферное давление постепенно уменьшается

Задача

Найдите, чему равно атмосферное давление, приняв, что оно равно давлению, создаваемому 10-метровым столбом воды.
Решение:
Воспользуемся формулой р = ρвgh для давления воды на глубине h (ρв — плотность воды). Получаем

С какой силой давит атмосфера на квадратный сантиметр поверхности?

Р е ш е н и е. Используя формулу F = pS и учитывая, что 1 м2 = 104 см2, получаем

Опыт Торричелли

При наклоне трубки высота столба ртути не изменялась (до тех пор, пока вся трубка не заполнялась ртутью).
Современники Торричелли удивлялись этому опыту, но он понятен: ртуть не выливается из трубки потому, что её удерживает давление атмосферы на поверхность ртути в чаше.

Почему же столб ртути, уравновешивающий давление атмосферы, намного меньше водяного столба?

Дело в том, что плотность ртути в 13,6 раза больше плотности воды.
Поэтому согласно формуле р = ρgh давление, равное атмосферному, создаёт столб ртути, который в 13,6 раза ниже 10-метрового водяного столба, создающего такое же давление.
Поскольку столб ртути в трубке создаёт давление, равное атмосферному, то высотой этого столба можно измерять атмосферное давление.
Долгое время так и поступали. И сегодня в сводках погоды значение атмосферного давления дают часто в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).

Так называемым нормальным атмосферным давлением принято считать давление, которое создаёт столб ртути высотой 760 мм.

Задача

Выразите нормальное атмосферное давление (760 мм рт. ст.) в паскалях. Для большей точности примите g = 9,8 Н/кг.
Р е ш е н и е. Используя формулу р = ρgh для давления столба жидкости (здесь ρ — плотность ртути), получаем

При решении задач для упрощения расчётов нормальное атмосферное давление часто принимают равным 100 кПа.

Барометры

Измеряя давление атмосферы по высоте ртутного столба, Торричелли заметил, что оно не остаётся постоянным.
Причём обнаружилась интересная закономерность: атмосферное давление повышается перед улучшением погоды и понижается перед её ухудшением (почему это так, рассказано в разделе «Почему барометр “падает”?»).
Таким образом, оказалось, что по атмосферному давлению можно надёжно предсказывать погоду. Надо ли говорить, насколько это важно, например, для мореходов?

Приборы, с помощью которых измеряют давление, называют барометрами.
Первые барометры представляли собой уже знакомую вам «трубку Торричелли», на которую нанесена шкала.
Такие барометры и сегодня самые точные, но они, к сожалению, громоздки и хрупки.
Кроме того, ртутные пары вредны для человека. Поэтому изобрели безопасные и удобные барометры-анероиды (в переводе с греческого — безжидкостные).

Как зависит атмосферное давление от высоты

При подъёме давление атмосферы уменьшается, потому что чем выше мы находимся, тем меньше высота столба воздуха над нами.
Для небольших высот (десятки и даже сотни метров) уменьшение давления с высотой можно приближённо рассчитать, принимая плотность воздуха ρвозд постоянной (на уровне моря — около 1,3 кг/м3).
Это означает, что при подъёме на высоту h давление воздуха уменьшается на ρвоздgh. Отсюда следует, что при подъёме, например, на высоту 10 м (трёхэтажный дом) давление уменьшается примерно на 130 Па. Это немного меньше 1 мм рт. ст.

Для больших высот, например в горах, надо учитывать, что с увеличением высоты плотность воздуха уменьшается.
Поэтому с увеличением высоты давление воздуха уменьшается медленнее, чем если бы плотность воздуха оставалась постоянной. 

Мягкий и надёжный щит

Атмосфера Земли не только дарит нам и всему живому необходимый для дыхания воздух.
Она ещё и защищает нас: несмотря на «воздушность», атмосфера — надёжный «щит».
В атмосфере сгорают, не долетая до поверхности Земли, миллионы мелких космических тел — метеоров: их считали раньше падающими звёздами.

Мягкий и надёжный щит

Атмосфера защищает нас и от избыточного солнечного излучения, особенно так называемого ультрафиолетового: в небольших дозах оно дарит красивый загар, а в чрезмерных дозах — вредно.
«атмосферная шуба» греет нашу планету: не даёт уйти в космическое пространство теплу от нагретой Солнцем воды и суши. Если бы не было атмосферы, на Земле было бы так холодно, что здесь вряд ли могла бы зародиться жизнь.

Но вместо благодарности человек начал вредить атмосфере. Сжигая колоссальные массы топлива (в том числе в автомобильных моторах), человек изменил состав атмосферы так, что «шуба» стала чересчур тёплой.
Из-за этого может начаться изменение климата Земли (так называемое глобальное потепление): начнут таять ледники в горах и ледяные полярные шапки у Северного и Южного полюсов.
В результате может подняться уровень воды в Мировом океане, что приведёт к затоплению целых стран, а из-за потепления плодородные земли могут превратиться в пустыни.
Чтобы этого не произошло, людям надо заботиться о своей родной планете.
Это должно стать и вашей заботой.

Магдебургские полушария

Бургомистр (глава городского управления) немецкого города Магдебурга Отто фон Герике поставил в 1654 году эффектный опыт, убедивший всех присутствующих в существовании атмосферного давления. Вот как Герике описывал этот опыт.

Магдебургские полушария

«Я заказал два медных полушария диаметром в три четверти магдебургского локтя1.
К одному полушарию приделали кран, через который можно было выкачивать воздух с помощью воздушного насоса.
К полушариям прикрепили кольца и продели в них канаты, привязанные к упряжи лошадей.
Я велел соединить полушария, чтобы образовался шар, и вложить между полушариями кожаное кольцо, пропитанное смесью воска со скипидаром, — оно не пропускало воздух внутрь полушарий.
Когда воздух из полушарий выкачали, давление наружного воздуха прижало их друг к другу так сильно, что 16 лошадей не могли разнять их.
Но стоило поворотом крана открыть доступ воздуху внутрь полушарий — и их легко можно было разнять руками».

Почему барометр «падает»

Когда говорят, что барометр «падает», имеют в виду, конечно, не падение самого прибора, а отмечаемое им уменьшение давления атмосферы
Почему это — предвестник ухудшения погоды?

Почему барометр «падает»

Дело в том, что падение давления означает приближение циклона — так называют огромный атмосферный вихрь диаметром в сотни и даже тысячи километров.
Причиной возникновения циклонов является в основном суточное вращение Земли.
Давление воздуха внутри области циклона понижено, поэтому вдоль поверхности Земли сюда устремляется воздух из областей более высокого давления.
В результате в области циклона возникают мощные восходящие потоки воздуха.
Они приводят к образованию облаков, а облака проливаются дождями.

Области же высокого давления называют антициклонами.
В этих областях преобладает ясная или малооблачная погода.
Летом антициклоны приносят жару, зато зимой — самые сильные морозы!