§ 34. Атмосферний тиск

• Чому повітря тисне на земну поверхню. Чи звертали ви коли-небудь увагу на те, як вакуумні присоски з еластичних матеріалів тримають мильницю чи рушник у ванній кімнаті? А чи замислювалися над тим, чому медичні банки добре тримаються на спині хворого? Що за чудодійна сила примушує ці предмети не падати? Причиною таких див є атмосферний тиск.

Тривалий час люди вважали, що повітря невагоме. Лише в XVII ст. італійський учений Е. Торрічеллі довів, що повітря має вагу і тому тисне на земну поверхню і навколишні предмети з великою силою, яку назвав атмосферним тиском. Отже, атмосферний тиск – це сила, з якою повітря тисне на одиницю площі земної поверхні, на всі розташовані на ній об’єкти і тіла. Нині за міжнародною угодою вимірюють цю силу в гектопаскалях (гПа). Проте в окремих країнах для різних цілей застосовують і старі одиниці вимірювання атмосферного тиску – міліметри ртутного стовпчика (мм рт. ст.) і мілібари (мБар).

На рівні моря за температури 0 °С атмосферний тиск близький до тиску стовпчика ртуті заввишки 760 мм. Цей тиск прийнято за нормальний атмосферний тиск. Атмосферний тиск на рівні моря, більший за цей показник, є високим, а менший – відповідно низьким. Проте для кожної місцевості буде характерний свій нормальний атмосферний тиск. Наприклад, для столиці України, міста Києва, розташованого на висоті близько 150 м, нормальним є атмосферний тиск 745 мм рт. ст.

МОЇ ДОСЛІДЖЕННЯ

Визначте атмосферний тиск в гПа, якщо ваш барометр показує значення 750 мм рт. ст. Для обчислення скористайтеся такими даними: 1 мм рт. ст. = 1,33 гПа. Яким – низьким чи високим – буде цей тиск для місцевості, розташованої на рівні моря? А яким він буде для вашого населеного пункту?

НОТАТКИ ДО ТЕМИ

Скільки важить повітря? На рівні моря людина чи будь-який інший об’єкт відчуває тиск у 1,033 кг/см 2 . Тобто на людину середнього зросту тисне близько тонни повітря. Проте ми не відчуваємо цього, оскільки наш внутрішній тиск протидіє тиску повітря. Перебуваючи на вершині гори висотою 5,5 км над рівнем моря, людина відчуває тиск, рівний усього 38,6 кг. На висоті 10,8 км атмосферний тиск зменшиться до 15,9 кг. Отже, в нижньому п’ятдесятикілометровому шарі атмосфери при кожному подвоєнні висоти тиск зменшується приблизно наполовину.

• Як ї за допомогою чого можна виміряти атмосферний тиск. Силу атмосферного повітря вимірюють за допомогою барометрів (мал. 93). Існують ртутні барометри та барометри-анероїди. Ці прилади визначають атмосферний тиск у певний момент часу.

Ртутний барометр являє собою скляну трубку заввишки близько 1 м, запаяну з одного кінця і наповнену ртуттю – важким рідким металом. Відкритим кінцем вона встановлюється у посудину, частково заповнену ртуттю. Ртуть у трубці падає доти, доки об’єм ртутного стовпа не встановиться відповідно до сили, з якою атмосферне повітря давить на ртуть, що знаходиться у посудині. Вважають, що за допомогою ртутного барометра виміри атмосферного тиску є найбільш точними. Тому ртутні барометри встановлюють на станціях, де спостерігають за погодою. Проте користуватися таким барометром у повсякденному житті дуже незручно.

Мал. 93. Барометр-анероїд (1), електронний барометр (2)

Більш зручними у користуванні є барометри-анероїди. Такі барометри можна побачити в багатьох установах, удома. Слово «анероїд» означає у перекладі з грецької мови «безрідинний». Дійсно, основною частиною анероїда є не рідина, а пружна коробочка, з якої майже повністю видалене повітря. До того ж поверхня коробочки хвиляста, ніби гофрована. На зміни атмосферного тиску вона то стискається, то розтягується. За допомогою певних важелів ці зміни передаються на шкалу, схожу на циферблат годинника, з якої і беруть величину атмосферного тиску.

Існує й такий барометр, у якому поряд зі шкалою тиску є шкала висот. Цей особливий вид барометрів називають висотоміром.

• Про причини і наслідки зміни тиску в тропосфері. Повітря тисне на земну поверхню в різних місцях з різною силою. Більш холодне повітря має більшу щільність, а значить більшу вагу, а тому тисне на поверхню Землі з більшою силою. Навпаки, більш тепле повітря, а значить і більш легке та менш щільне, чинить менший тиск.

Мал. 94. Залежність атмосферного тиску від висоти місцевості над рівнем моря

Крім температури повітря, на показник атмосферного тиску впливає висота місцевості над рівнем моря. Так, високо в горах атмосферний тиск набагато нижчий, ніж на рівні моря, оскільки що вище точка вимірювання, то менший над нею стовп повітря. Крім того, з висотою зменшується і густина повітря (мал. 94).

У нижніх шарах тропосфери з підняттям угору на кожні 12 м атмосферний тиск знижується в середньому на 1 мм рт. ст. Знаючи, як змінюється тиск з висотою, можна обчислити абсолютну та відносну висоту місцевості.

Мал. 95. Розподіл атмосферного тиску на Землі

Мал. 96. Карта ізобар (фрагмент)

Унаслідок постійного переміщення повітря атмосферний тиск також змінюється. В результаті горизонтального руху повітря на ділянках, куди воно переміщується, утворюється ніби його «надлишок», що спричинює підвищення тут тиску. Навпаки, у місцях, звідки рухається повітря, його стає менше, а отже, там зменшується й атмосферний тиск.

Незважаючи на постійні зміни тиску, на земній кулі утворилися певні пояси, де протягом року переважає високий або низький атмосферний тиск. Так, поблизу екватора завдяки високій температурі переважає низький атмосферний тиск (мал. 95). Натомість у високих широтах та біля полюсів через низьку температуру тиск упродовж року високий. У тропічних широтах тиск підвищений, а в помірних, навпаки, переважає дещо знижений атмосферний. Причиною цього є постійне впродовж року переміщення повітря у цих широтах як у горизонтальному, так і у вертикальному напрямках.

Розподіл атмосферного тиску на географічній карті показують за допомогою ліній, що з’єднують точки з однаковим атмосферним тиском (мал. 96). Їх називають ізобарами. За картою ізобар можна визначити особливості просторового розподілу атмосферного тиску на Землі, побачити області високого та низького тиску, які значно впливають на формування погоди в певній місцевості. За розподілом тиску в приземних шарах повітря можна визначити напрям і силу вітру. Зниження атмосферного тиску віщує опади, а його підвищення – суху погоду. Зміни атмосферного тиску впливають і на самопочуття людини.

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 5 (ПРОДОВЖЕННЯ)

Розв’язування задач на зміну атмосферного тиску з висотою.

ПРОЧИТАЛИ – ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ!

• 1. Який тиск вважають нормальним атмосферним тиском?
• 2. У яких одиницях вимірюють атмосферний тиск?

• 3. Чому високо в горах і біля підніжжя гір атмосферний тиск різний?
• 4. Як саме впродовж року і чому атмосферний тиск в екваторіальних широтах відрізняється від атмосферного тиску в полярних широтах?

• 5. Для чого людині потрібні знання про атмосферний тиск?
• 6. Які причини зміни тиску в тропосфері?

• 7. Визначте різницю атмосферного тиску в мм рт. ст. і гПа між двома пунктами, якщо відносна висота між ними становить 360 м.
• 8. Спираючись на знання про географічний розподіл атмосферного тиску та використавши мал. 95, визначте, у яких напрямках буде переміщуватися повітря на земній кулі у нижніх шарах тропосфери.

Скільки «важить» повітря?

На глибині, крім атмосфери, на людину тисне ще й вода. З’ясуємо, на якій глибині тиск води буде такий самий, як і атмосферний, тобто приблизно 10 5 Па.

Із формули для гідростатичного тиску р = ρgh отримуємо

тобто шар води глибиною 10 метрів буде створювати такий самий тиск, як і атмосфера Землі на рівні моря. Більш точні розрахунки дають значення 10,3 м.

Тиск — це фізична величина, для вимірювання якої використовують багато одиниць. Ти вже знаєш, що в СІ тиск вимірюють в паскалях (Па, або Ра), а ще є фізична й технічна атмосфери, бари, міліметри ртутного та водяного стовпчика, psi тощо. Як же в них розібратися?

Атмосфери й бари — це майже те саме. Торрічеллі виміряв, що тиск однієї атмосфери на рівні моря приблизно дорівнює тиску стовпчика ртуті висотою 760 мм. Густина ртуті

Отже, за формулою р = ρgh атмосферний тиск дорівнює р = 13600 · 9,8 · 0,76 = 101300 Па ≈ 10 5 Па.

Ми вже розрахували висоту водяного стовпа. І справді, оскільки густина води в 13,6 разів менша за густину ртуті, то висота водяного стовпа буде в стільки ж разів більша, тобто приблизно 10 метрів. Отже,

1 атм = 1,013 · 10 5 Па ≈ 10 5 Па

1 атм = 760 мм рт. ст. = 0,76 м рт. ст.

1 атм = 0,76 · 13,6 = 10,3 ≈ 10 м в. ст.

Дослід 1. «Манометр»

Проведемо вимірювання тиску. Для цього нам не потрібні складні прилади. Ми виготовимо їх самі.

Візьмемо прозору силіконову трубку (діаметр 16 мм) і зігнемо її у вигляді англійської літери U. Закріпимо її таким чином, щоб кінці трубки були на одному рівні. Між ними встановимо шкалу: аркуш паперу з певними рисками. Ми впевнилися, що рівень рідини в обох половинах трубки однаковий. Позначимо цей рівень на шкалі нулем.

Тепер нам потрібна інша трубка — тонка та довга (діаметр 6 мм), яка щільно ввійде в трубку манометра. Виготовимо мембрану: на широку частину воронки натягнемо невеликий шматочок гуми з повітряної кульки й ретельно перев’яжемо їх (ниткою або гумою). З’єднаємо один кінець трубки з воронкою, а інший — із манометром. Для герметичності з’єднання скористаємось термоклеєм. Трохи схоже на душ, чи не так?

Ми виготовили манометр, тобто прилад для вимірювання різниці тисків. Тепер будемо занурювати воронку з мембраною на різні глибини й вимірювати гідростатичний тиск, тобто визначати рівень рідини в обох колінах.

Розбір досліду

Під дією гідростатичного тиску мембрана вигинається. Надлишковий гідростатичний тиск призводить до «виштовхування» води із закритого коліна манометра. Отже, під час занурення воронки у відро на більші глибини різниця між рівнями рідини в манометрі буде зростати. Цей дослід схожий на дослід із пляшками. Але за допомогою шкали ми можемо вимірювати різницю тисків у міліметрах водяного стовпа. Зробивши вимірювання глибини занурення мембрани та гідростатичного тиску, ми можемо перевірити справедливість формули р = ρgh.

Дослід 2. «Хто сильніший — вода чи повітря?»

Візьмемо звичайнісіньку пластикову пляшку (краще від мінеральної води). Тримаючи голку (або тоненький цвях) плоскогубцями, нагріємо її над полум’ям і ближче до дна зробимо в пляшці маленький отвір.

Цей дослід доцільно проводити у ванній кімнаті або влітку десь на березі річки чи моря. Наберемо повну пляшку води й ретельно закриємо її кришкою. Чи багато води вилилося через отвір? Якщо не стискати пляшку, то кілька крапель — і все. Тепер повільно відкриваємо пляшку. Один-два оберти — і струмінь води тече! У кого досі не було водяного пістолета, тепер він його має.

Зробимо кілька отворів у пляшці на різній висоті. Щоб було зручніше набирати воду (усі отвори одночасно складно закривати пальцями), можна вставити в отвори зубочистки. По черзі відкриваємо отвори і спостерігаємо за струменями води. Чим нижче отвір, тим більша відстань, на яку б’є струмінь, тобто швидкість води буде більшою. Коли рівень води в пляшці зменшується, струмені стають слабкішими.

Розбір досліду

У всьому знову винен тиск! Коли пляшка закрита, то зовні на воду діє атмосферний тиск, а зсередини — гідростатичний. Висота стовпа води у пляшці набагато менша десяти метрів, а тому гідростатичний тиск менший за атмосферний. У пляшці під кришкою ще було повітря, але коли трохи води вилилося, воно розширилося і його тиск зменшився.

Відкриваємо кришку — і тиск усередині стає більшим, ніж зовні. Тепер він дорівнює сумі атмосферного і гідростатичного тисків. Чим більша «глибина», на якій розташований отвір, тим більше і стовп води, і її тиск, і швидкість витікання.

Ми провели вимірювання та деякі розрахунки. А тепер хотілося б уявити, що ж це за тиск такий — одна атмосфера. Для цього розрахуємо, з якою силою тисне атмосфера на поверхню площею 1 см 2 :

Оскільки в одному квадратному метрі 10000 см 2 , то

1 см 2 = 10 -4 м 2 , a F = 10 5 · 10 -4 = 10 Н.

Отже, сила дорівнює 10 Н, а це — вага тіла масою 1 кг!

Це означає, що на кожен квадратний сантиметр нашого тіла тисне вантаж масою 1 кг. Уявили? Це і є одна атмосфера. Виникає питання: чому ми цього не відчуваємо? Справа в тому, що в тканинах нашого тіла є і рідина, і газ, тиск яких врівноважує атмосферний тиск.

Дослід 3. «Важка газета»

Чи залежить вага газети від того, згорнута вона чи ні? Яка з них важча? Не здається, що запитання якісь дивні?

Візьмемо звичайнісіньку лінійку й покладемо її на стіл так, щоб приблизно половина її висіла в повітрі. Ледь-ледь, щоб не впала. На той кінець, що лежить на столі, покладемо згорнуту газету. А тепер сильно вдаримо по вільному кінцю лінійки. Мабуть, газета улетить разом із лінійкою.

Тепер повністю розгорнемо газету й накриємо нею лінійку. Повторимо дослід. Це треба робити обережно, щоб не зламати лінійку. Як би сильно ми не били, лінійка трохи підскочить, але газету не підніме, хіба що може її прорвати. Отака важка газета!

Розбір досліду

Ти вже здогадався, що це не газета така важка, а атмосферний тиск такий «сильний»? Та все зовсім не так просто, адже між газетою і поверхнею стола також є повітря, отже тиск з усіх боків однаковий. Після удару на газету буде діяти сила опору повітря, і саме вона заважає руху газети.

Візьмемо поліетиленову плівку, площа якої дорівнює площі згорнутої газети. Трохи змочимо її і повторимо дослід з лінійкою. Поверхня стола має бути гладенькою, щоб плівка до неї прилипла. От тепер ми досліджуємо саме атмосферний тиск! Відірвати невелику мокру плівку від поверхні стола буде так само складно, як і велику газету. Для цього лінійку треба повернути, щоб плівка відлипла від столу.

• 1. У пляшці зроблено три отвори. Розрахуй тиск води, під яким витікає кожний струмінь у даний момент. Висота стовпа води дорівнює 28 см, а отвори знаходяться на висотах 10 см, 18 см і 25 см від дна пляшки. Як зміниться тиск, якщо замість води в пляшку налити олію або 25-відсотковий цукровий сироп? Густина олії дорівнює 920 кг/м 3 , а сиропу — 1105 кг/м 3 ?
• 2. Розрахуй, вантажі якої маси треба покласти на лінійку, щоб ними можна було замінити атмосферний тиск на газету і на плівку. Розміри газети, яку ми взяли, — 60×40 см, а розміри плівки — 20×30 см (як аркуш альбому). Проведи досліди і зроби власні вимірювання та розрахунки.
• 3. Спробуй оцінити масу атмосфери Землі, якщо радіус нашої планети R ≈ 6400 км. Площу поверхні сфери можна розрахувати за формулою S = 4πR 2 .
• 4. Знайди силу, зумовлену атмосферним тиском, що діє на поверхню тіла дорослої людини. Вважай, що площа поверхні тіла людини дорівнює 1,6 м 2 .

• 5. Риба камбала перебуває на глибині 460 м. Площа тіла поверхні дорівнює 530 см 2 . Знайди силу, з якою її стискає вода.

Цікаві факти

Атмосфера — це не лише повітря, яким ми дихаємо. Це наш щит. Вона захищає Землю від переохолодження та перегріву. Озоновий шар на висоті близько 20 км захищає нас від сонячної радіації. А ще повітря — це захист від метеорів. Від тертя вони згорають, не долітаючи до поверхні Землі.

За рахунок сонячної енергії потужна теплова «машина» щорічно піднімає в атмосферу 511 тисяч кубічних кілометрів води, з них 411 тисяч кубічних кілометрів — з поверхні океану. Завдяки вітру й конвекції пара долає великі відстані й повертається на землю у вигляді опадів. Морська вода стає прісною і очищується. Цей процес протікає досить швидко: вся вода повертається на поверхню Землі трохи менше ніж за два тижні. До чого тут атмосферний тиск, ти дізнаєшся з наступних частин книги.

Навіщо потрібна подушка? Щоб зручніше було відпочивати. А щоб прибирати? Чи можна підняти холодильник або, наприклад, пральну машину, щоб їх посунути, за допомогою подушки? За допомогою надувної подушки — можна. Просто уяви собі, що звичайну повітряну кульку підсунули під важкий предмет і надули. Це незручно, і кулька врешті-решт лопне. Тому пневматична подушка для підйому вантажу набагато міцніша, а надувають її насосом.

Відео «Повітряний підйомник»

1654 рік. Місто Маґдебург. Щоб довести існування атмосферного тиску та зробити презентацію свого насоса, Отто Ґеріке влаштував справжнісіньке наукове шоу. Він викачав повітря з порожнини між двома металевими півкулями, складеними разом. Їхній діаметр приблизно дорівнював 35,6 см. Тиск атмосфери так сильно притиснув півкулі одну до одної, що 8 пар коней не змогли їх розділити. Коні бувають різні. Є породи могутніх коней (їх називають ваговозами), які можуть розвивати тяглове зусилля в 900 Н. Зусилля восьми таких коней дорівнює 7200 Н. Звичайний кінь розвиває зусилля приблизно в 300 Н.

Отже, розрахуємо, який тиск притискав одну півкулю до іншої. Площа круга дорівнює:

S = пr 2 = 3,14 · 0,178 2 ≈ 0,1 м 2 .

Атмосфера тисне на поверхню півкулі з силою

F = p · S, F = 10 5 · 0,1 = 10000 Н.

12 звичайних коней розвивають силу 3600 Н, тобто майже втричі меншу. А як ти вважаєш, чи змогли б 8 ваговозів розірвати півкулі? А 12 ваговозів?

Блез Паскаль — автор багатьох оригінальних дослідів з атмосферним тиском.

В одному з них використали герметичну дубову діжку з водою. Туди вставили вертикальну скляну трубку, яка досягала другого поверху. Бочка лопнула, коли з балкона через трубку в неї долили всього кілька кухлів води.

Також Паскаль повторив дослід Торрічеллі із запаяною трубкою і ртуттю. Якщо в трубку налити ртуть, затиснути трубку пальцем і перевернути в чашку зі ртуттю, то частина рідини залишається в трубці (її висота приблизно 76 см). Це є принципом дії ртутного барометра. На замовлення Паскаля склодуви виготовили трубки довжиною 12 метрів. Їх прив’язали до щогли вітрильника і заповнювали водою та іншими рідинами. Рівень рідин відрізнявся, бо залежав від їхньої густини. А ще Паскаль помітив, що рівень рідини залежить від погоди.

Нарешті, був проведений дослід, який довів, що атмосферний тиск залежить від висоти. Одного дня за допомогою трубки зі ртуттю тиск був виміряний біля підніжжя і на вершині гори Пюї-де-Дом (висота 1647 метрів). Висота стовпчика ртуті на горі виявилася меншою майже на 9 см! На честь цього відкриття одиницю тиску назвали паскалем.