Атмосферний тиск. Дослід Торрічеллі

 Атмосфера Землі є сумішшю різних газів, які утримуються біля планети завдяки дії сили тяжіння на їх молекули, що одночасно хаотично і неперервно рухаються, створюючи тиск. Цей тиск називають атмосферним.
 Підтвердити існування атмосферного тиску можна простими дослідами.

Які наслідки дії атмосферного тиску
Якщо взяти трубку з поршнем, опустити її одним кінцем у посудину з водою і підіймати поршень угору, то вода підніматиметься за поршнем. Це можливо лише тоді, коли тиск води у посудині буде більшим, ніж під поршнем. За рахунок вагового тиску вода не зможе підніматися, оскільки рівень води під поршнем більший, ніж у посудині, а тому і його тиск більший. Вода повинна вилитися назад у посудину. Отже, на рідину в посудині діє додатковий тиск, більший за ваговий тиск стовпа води під поршнем. Цей тиск створюють молекули атмосферного повітря. Діючи на вільну поверхню води, атмосферний тиск у воді передається в усіх напрямах однаково відповідно до закону Паскаля.
Оскільки під поршнем повітря немає, то вода буде заходити в трубку внаслідок дії незрівноваженого тиску.

Наскільки великий атмосферний тиск
Значення атмосферного тиску досить велике. Переконатися в цьому можна на багатьох дослідах.
Візьмемо дві порожнисті півкулі, які мають добре відшліфовані поверхні перерізів. Одна з півкуль має спеціальний штуцер із краном, через який можна відкачувати повітря.
Підвісимо на штативі одну з півкуль, приєднаємо до неї знизу другу півкулю і почнемо відкачувати насосом через кран повітря з порожнини. Нижня півкуля, міцно притиснеться до верхньої. Це можливо лише тоді, коли тиск у порожнині кулі буде меншим, ніж зовні.
Внаслідок дії повітряного насоса, який відкачує повітря, тиск у порожнині півкуль зменшиться, а зовні залишиться без зміни. Тому нижня півкуля міцно притиснеться до верхньої.
Про значення сили при деякому зменшенні тиску в кулі можна судити за масою вантажу, який може утримуватися, якщо його підвісити до нижньої півкулі. Якщо ж відкрити кран і в порожнину кулі впустити повітря, то нижня півкуля разом із вантажем відпаде.

Як почали досліджувати атмосферний тиск
Подібний дослід провів і описав у 1654 р. німецький фізик, бургомістр міста Магдебурга Отто Геріке.
  Отто Геріке (1602-1686) — німецький фізик, який експериментально вивчав атмосферний тиск. За допомогою «магдебурзьких півкуль» він продемонстрував дію атмосферного тиску. Вивчав також електричні явища, пояснив природу тертя. Сконструював першу електричну машину.
 Ця подія залишилася в історії науки завдяки образній гравюрі тих часів.
У сучасному виробництві застосовується багато пристроїв, які використовують атмосферний тиск. Для розрахунку результатів їх роботи потрібно знати значення атмосферного тиску.
 Спосіб вимірювання атмосферного тиску вперше запропонував італійський учений Еванджеліста Торрічеллі.
  Е'ванджеліста Торрічеллі (1608-1647) —  італійський учений.
Перший виміряв атмосферний тиск за допомогою сконструйованого ним ртутного барометра. Довів, що висота ртутного стовпа барометра становить приблизно 1/14 висоти водяного стовпа.
 Він виявив, що коли закриту з одного боку трубку заповнити вщерть ртуттю, перевернути і опустити в посудину зі ртуттю, то виллється лише частина цієї ртуті. Висота стовпчика становила в його дослідах приблизно 760 мм. За результатами досліду вчений зробив висновок, що тиск ртутного стовпчика зрівноважується атмосферним тиском, який діє на вільну поверхню ртуті в посудині. Атмосферний тиск за таких умов зазвичай називають нормальним. З того часу в науку ввійшла одиниця вимірювання атмосферного тиску — міліметр ртутного стовпчика (мм рт. ст.).

Як розрахувати атмосферний тиск
Виразимо тиск стовпчика ртуті висотою 760 мм (нормальний) у системних одиницях тиску - паскалях.
З попередніх параграфів відомо, що ваговий тиск рідини розраховується за формулою:
Враховуючи, що густина ртуті становить 13,6 • 10³ кг/м³, одержуємо
p = 13,6  • 10³  кг/ м³• 9,8 Н/кг • 0,76м = 101292,8 Па.

Барометри
Проводячи досліди з трубкою зі ртуттю, Торрічеллі помітив, що висота стовпчика ртуті час від часу змінювалася. Звідси він зробив висновок, що атмосферний тиск не залишається сталим — він змінюється.
Особливо помітною була зміна висоти стовпчика ртуті в досліді Торрічеллі, який показував значення атмосферного тиску перед зміною погоди. Помітивши таке явище, вчений зробив висновок, що так можна передбачати погоду. Щоб не використовувати щоразу лінійку для вимірювань висоти стовпчика, до трубки прикріпили нерухому шкалу з міліметровими поділками. Отриманий прилад назвали барометром (лат: bаrоs -вага; mеtrо — міряю).

Барометр можна використовувати для вимірювання висоти
Користуючись ртутним барометром, французький учений Блез Паскаль виміряв атмосферний тиск на різних висотах. Так група його учнів піднялася на гору То-де-Дам (Франція) і з’ясувала, що з підніманням угору висота ртутного стовпчика в барометрі зменшується. На вершині гори стовпчик ртуті був на 7,5 см коротший, ніж біля підніжжя.
Проведені дослідження показали, що за змінами атмосферного тиску можна розраховувати висоту піднімання над поверхнею Землі. Якщо висота піднімання не перевищує кількох сотень метрів, то можна вважати, що при підніманні на кожні 12 м атмосферний тиск зменшується на 1 мм рт. ст., або на 100 Па кожні 8 м.
Задача.

Біля підніжжя гори барометр показує тиск 740 мм рт. ст., а на вершині - 720 мм рт. ст. Яка висота гори?
 
Дано:
p₁ = 740 мм рт. ст.,
p₂  = 720 мм рт. ст.
Н-?
 
Розв'язання:
Різниця тисків біля підніжжя гори та на ЇЇ вершині
p₂- p₁ = 740 мм рт. ст. — 720 мм рт. ст.  = 20 мм рт. ст.
Оскільки кожні 12 м тиск зменшується на 1 мм рт. ст., то висота гори дорівнює:
Н = 20 мм pт. ст.  •   12 м / 1 мм рт. ст. =  240м.

Відповідь: Висота гори 240 м.
 
При більших висотах зміна тиску відбувається за складнішим законом (мал. 105). Це пов'язано з тим, що з підніманням угору зменшується не тільки висота стовпа повітря, а і його густина.
Барометри набули широкого поширення як засоби передбачення змін погоди. Але ртутні барометри виявилися непридатними для цього через велику масу, ненадійність конструкції та токсичність ртуті. У наш час користуються безртутними барометрами, які називають анероїдами.  

Яка будова анероїда
Головною частиною анероїда є металева коробочка 5 з хвилястою поверхнею, з якої відкачане повітря. Щоб коробочку не сплющило атмосферне повітря, її поверхні утримуються металевою пружиною 4. При зміні атмосферного тиску коробочка деформується, а спеціальний механізм 1 передає ці деформації стрілці 3, яка показує на шкалі 2 значення тиску.
Шкала анероїда градуюється через співставлення його показів із показами ртутного барометра, який фактично є еталонним приладом.
За принципом анероїда працює також альтиметр - прилад, яким вимірюють висоту польоту на невеликих літаках. Його шкала відградуйована безпосередньо в одиницях висоти.

Рідинний поршневий насос
Одним із прила приладів, який діє завдяки атмосферному тиску, є рідинний поршневий насос. Він складається з циліндра 2, поршня 3 і двох клапанів: впускного 1 і випускного 4.
Поршень щільно прилягає до внутрішньої поверхні циліндра. Тому, коли він рухається вгору, тиск під ним унаслідок збільшення об'єму зменшується і рідина під дією атмосферного тиску заходить у циліндр, відкриваючи при цьому пycкний клапан.
 
Випускний клапан при цьому буде закритим, оскільки на нього діє незрівноважений атмосферний тиск. Коли циліндр заповниться водою, поршень починає рухатися вниз і створювати деякий тиск, який за законом Паскаля передається на клапани. Внаслідок цього нижній клапан закривається, а випускний відкривається і пропускає рідину з циліндра назовні. Тиск поршня на рідину в циліндрі може бути досить
великим, тому цей насос здатний піднімати воду на значну висоту, обмеження якої — тільки рівень досконалості конструкції і технології виготовлення насоса.
Але всмоктувати воду цей насос може тільки з глибини, не більшої за 9,8 м. Лише на таку висоту може підняти воду атмосферний тиск. Тому для відкачування води з глибоких колодязів насоси опускають до рівня, значно меншого за 9,8 м.