АТМОСФЕРНИЙ ТИСК
Розділ 3 ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА
& 43. АТМОСФЕРНИЙ ТИСК
Наша Земля не є закритою посудиною, проте має повітряну оболонку – атмосферу, яка складається з суміші газів. Виникає питання: чому повітря земної атмосфери не розсіюється в космічний простір? Причиною існування атмосфери є сила тяжіння Землі. Адже вона діє на будь-які тіла, у тому числі И на молекули газів. Чим ближче молекула до поверхні Землі, тим більша сила тяжіння діє на неї. Під дією сили тяжіння молекули, які летять у напрямку від Землі, зменшують свою швидкість, а ті, які спрямовано
Мал. 3.93
Мал. 3.94
Переконатися в тому, що навколишнє повітря чинить тиск на тіла, які в ньому перебувають, можна досить просто. Зануримо відкритий кінець скляної трубки
У цих дослідах виявляється дія атмосферного тиску. Коли ми піднімаємо поршень у трубці, можливими є два випадки: поршень дотикається до поверхні води в трубці або між поршнем і поверхнею води є незначний повітряний зазор. У першому випадку, коли ми починаємо піднімати поршень, він перестає тиснути на воду. Проте на поверхню води в посудині діє тиск повітря, який, згідно з законом Паскаля, передається в усі точки рідини і діє в усіх напрямках однаково. Під дією сили, яка виникає внаслідок тиску, створюваного атмосферним повітрям, вода піднімається за поршнем. Якщо ж під поршнем у трубці після її занурення в посудину залишалося повітря(мал. 3.94), то після підняття поршня об’єм його збільшується. Унаслідок цього тиск повітря в трубці стає меншим, ніж тиск, який чинить навколишнє атмосферне повітря на воду у посудині, і вода починає теж підніматися по трубці доти, поки гідростатичний тиск її стовпчика в трубці і тиск повітря, що залишилося, не зрівняються з атмосферним тиском.
Еванжелісто Торрічеллі
У випадках із трубкою і пляшкою все пояснюється аналогічно. Вода внаслідок дії сили тяжіння намагається вилитися з трубки (пляшки). Через це об’єм повітря, що залишилося в ній, збільшується, а його тиск швидко зменшується, і атмосферний тиск, що діє на поверхню води, перешкоджає її виливанню.
Дослід Торрічеллі. Властивість рідини підніматися за поршнем і утримуватися в перевернутих посудинах, закритих з одного боку, люди помітили давно і використовували в насосах для підняття води, ліверах для переливання і дозування рідин, піпетках і шприцах, медичних банках та інших пристосуваннях. Ці явища пояснювали на підставі твердження Аристотеля: “Природа не терпить порожнечі”.
Так тривало до 1640 р., коли герцог Тосканський задумав прикрасити терасу свого замку фонтаном. Воду необхідно було піднімати з озера, яке знаходилося значно нижче, ніж тераса. Були виготовлені насоси великої довжини. Проте фонтан так і не запрацював. З’ясувалося, що вода піднімалася за поршнем лише приблизно на 10 м. Потім під поршнем утворювалася порожнина. Виявлялося, що природа боялася порожнечі лише до 10 м. До вирішення цієї проблеми залучили Г. Галілея. Він одним із перших висловив думку про те, що вода піднімається за поршнем, позаяк повітря своєю вагою тисне на воду в озері (до цього вважалося, що повітря невагоме).
Мал. 3.95
Остаточно вирішити цю проблему вдалося учневі Г. Галілея італійському фізику та математику Еванжелісто Торрічеллі (1608-1647 рр.). Для проведення дослідів замість скляної трубки довжиною 10 м, заповненої водою, яку досить складно виготовити, він використав скляну трубку довжиною 1 м, заповнену ртуттю. (Густина ртуті у 13,6 раза більша за густину води.) Один кінець трубки запаяли, налили в неї ртуть, закривши отвір пальцем, опустили в чашу із ртуттю. Коли палець прибрали, ртуть частково вилилась із трубки, а частково залишилась у ній на рівні приблизно 760 мм. Це означало, що вага стовпчика ртуті висотою 760 мм, яка залишилася в трубці, урівноважувалася силою тиску з боку ртуті в чашці. У свою чергу, ця сила виникає внаслідок дії на поверхню ртуті в чашці тиску атмосферного повітря. Рівень висоти стовпчика ртуті в трубці не змінюється, якщо трубку нахиляти. Так уперше було виміряно атмосферний тиск (мал. 3.95).
Атмосферний тиск можна легко обчислити. Знайдемо спочатку, який тиск створює стовпчик ртуті висотою h = 760 мм:
P = pgh = 13 600 
∙ 9,8 
∙ 0760 м = 101 325 Па.
Отже, атмосферний тиск, що урівноважує тиск ртутного стовпчика висотою 760 мм, теж становить ратм = 101 325 Па.
Часто як одиницю атмосферного тиску використовують 1 мм рт. ст. = 133,3 Па. Саме у таких одиницях повідомляють нам тиск у прогнозах погоди.
Трубка і чашка, наповнені ртуттю, – перший у світі прилад, який дав можливість вимірювати атмосферний тиск. Пізніше цей прилад удосконалили, приладнавши шкалу, і назвали барометр.
Залежність атмосферного тиску від висоти над Землею.
Дослідами Е. Торрічеллі зацікавився Б. Паскаль, який продовжив дослідження атмосферного тиску. Він виготовив трубку довжиною понад 10 м. Наповнюючи її водою, вином, олією, переконувався, що чим більша густина рідини, тим меншою залишається її висота в трубці. Тоді вже було відомо, що з підняттям угору повітря стає більш розрідженим. Отже, чим вище над Землею, тим меншим стає атмосферний тиск. Паскаль виміряв тиск біля підніжжя гори, а також піднявшись на її вершину. На вершині гори висота стовпчика ртуті виявилася майже на 100 мм меншою.
Так і має бути. Адже на молекули повітря атмосфери діє сила тяжіння Землі. Тому верхні шари повітря атмосфери тиснуть на нижні. На відміну від рідин гази легко стискаються і густина повітря в нижніх шарах атмосфери більша. Якщо в рідинах густину води на всіх глибинах можна вважати однаковою, то густина атмосферного повітря з висотою змінюється. Тому використовувати відому формулу гідростатичного тиску р = pghдля визначення атмосферного тиску не можна. На рівні моря за температури 0 °С вона становить приблизно pпов = 1 , 3 . У верхній частині атмосфери Землі густина повітря дуже мала і тиск дуже низький.
Ви, мабуть, бачили в кінофільмах, як за тих чи інших ситуацій відбувається розгерметизація літака, що летить на великій висоті. Тиск повітря за бортом літака значно менший, ніж у його салоні. Люди не можуть дихати таким повітрям – починають задихатися. Тому в салоні підтримується тиск такий, як і на поверхні Землі.
За нормальний атмосферний тиск прийнято тиск, що відповідає тиску ртутного стовпчика висотою 760 мм; 760 мм рт. ст. = 101 325 Па. Такий тиск спостерігається на рівні моря за температури 0 °С.
Із підняттям на кожні 12 м тиск до висоти близько 1 км зменшується приблизно на 1 мм рт. ст. Потім тиск зменшується повільніше.
Зміна атмосферного тиску відбувається і через зміни погоди. Це пояснюється тим, що повітря є сумішшю газів. До його складу входить кисень, азот, водяна пара, вуглекислий газ та інші гази. Кожен з цих газів вносить свою частку в загальний тиск повітря. Під час зміни погоди в тому чи іншому місці на Землі змінюється кількість водяної пари в повітрі. Це одна з причин коливань атмосферного тиску, що сигналізує про зміну погоди.
Магдебурзькі півкулі. Отто фон Герике – бургомістр міста Магдебург – був освіченою людиною. У травні 1654 р. він поставив дослід, який переконливо доводив існування атмосферного тиску.
Для проведення досліду підготували дві металеві півкулі, які щільно прилягали одна до одної. У одній з півкуль була трубка для відкачування повітря. Півкулі склали разом, розмістивши між ними для герметичності шкіряне кільце, і відкачали повітря з порожнини, яка утворилася між ними. На півкулях були закріплені міцні металеві кільця. У ці кільця впрягли по вісім коней із кожного боку, які потягли півкулі у протилежних напрямках, намагаючись їх роз’єднати. Проте, як не понукали коней, роз’єднати півкулі не вдалося. Коли ж всередину впустили повітря, півкулі розпалися без жодного зусилля (мал. 3.96).
Мал. 3.96
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
1. Чому молекули газів, які входять до складу атмосфери, не розсіюються в космічний простір?
2. Чому молекули газів, які входять до складу атмосфери, не падають на Землю унаслідок дії на них сили тяжіння?
3. Чим пояснюється існування атмосферного тиску?
4. Опишіть досліди, які підтверджують існування атмосферного тиску.
5. Чому не можна визначати атмосферний тиск так само, як і тиск рідини на дно та стінки посудини?
6. Як змінюється атмосферний тиск із висотою над Землею?
7. Із запаяної з одного боку товстостінної скляної труби відкачали повітря, закрили її корком із вставленою трубкою. Потім занурили кінець тонкої трубки у воду й відкрили кран – утворився фонтан (мал. 3.97). Поясніть це явище.
8. Поясніть дію медичного шприца.
9. На мал. 3.98 зображено саморобну автопоїлку для курей, яку виготовлено з пляшки, прикріпленої до паркана, і мисочки, в яку витікає вода з пляшки. Поясніть дію цієї автопоїлки.
10. Визначте силу тиску, яка діє на поверхню стола, довжина якого 1,2 м, а ширина 60 см (вважати, що атмосферний тиск дорівнює 105 Па).
11. Розрахуйте силу, з якою атмосферне повітря тисне на поверхню розкритого перед вами зошита.
12. Налийте у банку воду, накрийте її блюдечком і переверніть. Поставте блюдце на горизонтальну поверхню. Вода, трохи пролившись у блюдечко, залишиться в банці. Можна навіть горлечко банки підняти над денцемблюдечка, підклавши тоненьку тріску або сірник (мал. 3.99). Поясніть цей дослід. (Щоб не розлити воду, якщо експеримент не вдасться, перевертайте банку над мискою або раковиною.)
Мал. 3.97
Мал. 3.98
Мал. 3.99
Мал. 3.100
13. Налийте в склянку (краще гранчасту) воду і накрийте вирізаним з паперу клаптиком, який повністю закриє стакан по верхньому обідку, трохи виступаючи за нього. Притримуючи клапоть долонею, переверніть склянку дном догори і заберіть долоню (мал. 3.100, а). Вода не виливатиметься. Що утримує воду в склянці? (Дослід проводьте над раковиною або мискою.) Подібний дослід можна провести із банкою та пластиковимстаканчиком (мал. 3.100, б). Можна навіть не видаляти його вміст.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...