Барометр-анероид. Атмосферное давление на различных высотах
Сей особенный предмет
Вам подскажет вмиг ответ:
Брать свой зонтик или нет.
В данной теме познакомимся с устройствами, использующимися для измерения атмосферного давления — барометрами. А также выясним как зависит атмосферное давление с увеличением высоты.
В прошлой теме было установлено, что атмосфера нашей планеты оказывает давление на все тела, расположенные на Земле. Узнали, что за нормальное атмосферное давление принято давление столба ртути высотой 760 мм при температуре воздуха 20ºС. Такое давление часто называют одной нормальной, или физической атмосферой. Давление, создаваемое 1 мм рт.ст., приблизительно составляет 133,3 Па, что позволяет переводить давление, выраженное в мм рт. ст., в метрическую систему.
Каждый день, просматривая прогноз погоды, люди получают информацию о величине атмосферного давления и его изменении. Почему оно не является постоянным? Почему на разных территориях Земли оно разное? И как зависит давление от высоты?
Атмосферное давление зависит от состава воздуха. Например, при поступлении влажного воздуха, насыщенного водяными парами, давление уменьшается, так как масса молекул воды заметно меньше массы «основных» молекул атмосферы — азота и кислорода. Соответственно, если приходят более сухие массы воздуха, давление повышается. Первым, кто использовал данную особенность атмосферного давления для определения погоды, был небезызвестный Эванджелиста Торричелли. Однажды, повторяя свой опыт с трубкой, он заметил, что уровень ртути в ней заметно упал. Торричелли пытался подлить ртуть в трубку, менял чашки с ртутью, но результат не менялся. И тут ученый заметил, что в комнате стало душно и нечем дышать. Подойдя к окну, чтобы его открыть, ученый увидел, что на улице стоит пасмурная погода. Проходит день другой и погода на улице вновь становится сухой и ясной. И ртуть в трубке снова на своем привычном уровне. Значит, делает вывод Торричелли, его прибор может отмечать изменение давления воздуха и показывать изменяющуюся тяжесть.
Так как слово «тяжесть» звучит по-гречески звучит как «барос», то свой прибор Торричелли стал называть барометром.
Бургомистр города Магдебурга Отто фон Герике в своем доме с первого до второго этажа поставил стеклянную трубку, в которой была налита вода. А на ее поверхности плавала пробка с укрепленным в ней человечком, вытянутая рука которого указывала на шкалу.
Бургомистр уверял жителей своего города, что этот человечек способен предсказывать погоду, ссылаясь на опыты Торричелли. Естественно многие жители ему не верили и называли чудаком. Но в воскресенье, 9 декабря 1660 года человечек в трубке вдруг опустился как никогда низко. Фон Герике приказывает сообщить горожанам о надвигающейся буре. Многие горожане отнеслись скептически к словам своего бургомистра. Но наиболее осторожные следуют его примеру и закрывают ставни и крепят крыши. И верно, через несколько часов небо потемнело, и на город обрушился ураган, которого не помнили даже старожилы.
И вот уже более трех веков барометр исправно служит людям, хотя за это время он во многом изменился — стал автоматическим и самозаписывающим; научился управлять другими механизмами и поддерживать заданное давление в различных устройствах.
В настоящее время ртутные барометры не находят широкого применения, хотя и обладают высокой точностью. Пары ртути вредны для организма человека. Поэтому на практике в основном пользуются металлическим барометром–анероидом, что в переводе с греческого означает «безжидкостный».
Внешний вид и внутреннее устройство барометра-анероида представлен на рисунке. Главной частью анероида является маленькая металлическая коробочка с волнистой (гофрированной) верхней и нижней поверхностями. Воздух из этой коробочки частично выкачан. При увеличении атмосферного давления увеличивается сила давления на коробочку. Коробочка сжимается и растягивает пружину, прикрепленную к ней. Пружина связана со стрелкой, которая перемещается по шкале в сторону больших значений давлений. Если же давление понижается, то сила давления на коробочку уменьшается, и силы упругости распрямляют ее. При этом стрелке перемешается в противоположную сторону. Шкалу анероида предварительно градуируют, т.е. наносят деления по показаниям ртутного барометра. Поэтому значения давления на шкале и в мм рт.ст. и в гектопаскалях (гПа).
Таким образом, атмосферное давление зависит от метеорологических условий. Но только ли от них?
Наиболее сжатыми, а значит, более плотными, являются прилегающие к поверхности Земли слои атмосферы. Следовательно, значение атмосферного давления будет зависеть и от высоты места над уровнем моря. Так, например, на вершине самой высокой горы Эверест давление почти в три раза меньше, чем у ее подножия.
Для расчета гидростатического давления использовалась формула, связывающая плотность жидкости и высоту ее столба, так как вследствие малой сжимаемости плотность жидкости на различных глубинах практически одинакова. Зависимость же атмосферного давления от высоты описывается гораздо более сложной формулой, так как плотность атмосферы сильно зависит от высоты над поверхностью Земли, вследствие большой сжимаемости газов. Однако для расчетов, не требующих большой точности и при не очень больших высотах, можно считать, что давление убывает на 1 мм рт. ст. при подъеме на каждые 12 м. Эту зависимость давления от высоты можно использовать для измерения высоты подъема альпинистов, летательных аппаратов и т.п.
Если при подъеме давление уменьшилось на 20 мм рт.ст., то это значит, что высота подъема составила 240 метров.
h = 20 мм рт. ст. × 12 м/(мм рт. ст.) = 240 м
Приборы, измеряющие высоту по такому принципу, называются альтиметрами (от латинского «альтиус» — высоко).
Упражнения.
Задача 1. Определите высоту горы, если у ее подножия барометр показывает давление 750 мм рт. ст., а на ее вершине — 620 мм рт. ст.
Задача 2. Определите силу давления воздуха, действующую на альпиниста на вершине горы Килиманджаро, высота которой составляет 5895 м. Считайте, что давление воздуха у ее подножья составляет 100 кПа, а площадь поверхности тела альпиниста примите равным 190 дм2.
Основные выводы:
– Барометр — прибор, используемый для измерения атмосферного давления.
– Атмосферное давление зависит от высоты местности и метеоусловий.
– При небольших подъемах в среднем на каждые 12 м высоты подъема, давление уменьшается на 1 мм рт. ст.
