Alterna · Физика · 3.3 — Атмосферное давление

01

Атмосферное давление

Воздух имеет вес — и он давит на нас.

Вес воздуха

Воздух — это смесь газов (азот, кислород, аргон и др.). Как и любое вещество, воздух имеет массу, а значит, и вес.

На уровне моря атмосферное давление — около 101325 Па (760 мм рт. ст.).

На каждый квадратный сантиметр поверхности Земли давит столб воздуха массой около 1 кг!

Это любопытно: История открытия

В 1643 году Эванджелиста Торричелли (ученик Галилея) впервые измерил атмосферное давление. Он наполнил ртутью стеклянную трубку, перевернул её в чашу с ртутью — столб опустился до 760 мм. Это и есть опыт Торричелли.

02

Опыт Торричелли

Как измерили атмосферное давление?

Опыт Торричелли

Стеклянную трубку длиной ~1 м заполняют ртутью. Переворачивают в чашу с ртутью. Столб ртути опускается до высоты ~760 мм — над ним образуется вакуум (торричеллиева пустота).

Атмосферное давление уравновешивается давлением столба ртути:

p_атм = ρ_рт · g · h = 13600 · 9.8 · 0.76 ≈ 101325 Па

🍇Опыт Торричелли

IV-026 · слайдер высоты + наклон трубки

Высота над уровнем моря: 0 км

03

Барометр-анероид

Прибор для измерения атмосферного давления без жидкости.

Барометр-анероид

Барометр-анероид — прибор для измерения атмосферного давления, не содержащий жидкости. Основан на металлической коробке (анероиде), из которой откачан воздух. При изменении давления коробка сжимается или расширяется, передавая движение стрелке.

Шкала проградуирована в мм рт. ст. или гПа.

🎉Барометр — высота и давление

IV-027 · P(h): давление убывает с высотой

Высота: 0 км

04

Манометры и насосы

Приборы для измерения давления жидкостей и газов.

Манометр

Манометр — прибор для измерения давления жидкости или газа (больше или меньше атмосферного).

Жидкостный манометр — U-образная трубка с жидкостью. Разность уровней показывает разность давлений.

Поршневой жидкостный насос

Работа поршневого насоса:

Поршень поднимается → под клапаном создаётся разрежение
Атмосферное давление давит на воду в колодце → открывается нижний клапан
Вода поднимается в насос
Поршень опускается → нижний клапан закрывается, верхний открывается

Вода поднимается за счёт атмосферного давления — не выше ~10.3 м.

05

Гидравлический пресс

Выигрыш в силе за счёт разной площади поршней.

Гидравлический пресс

По закону Паскаля давление передаётся одинаково:

F₁/S₁ = F₂/S₂ → F₂ = F₁ · S₂/S₁

Выигрыш в силе = S₂/S₁. Но проигрыш в расстоянии: малый поршень проходит большой путь, большой — малый.

🔨Гидравлический пресс — выигрыш в силе

IV-028 · интерактивный пресс

F₁: 20 Н S₂/S₁: 10x

Ц

Что нужно понимать

Результат 1Объяснять физический смысл темы «Атмосферное давление» через модель, а не только через формулу.

Результат 2Различать и корректно использовать термины: атмосферное давление, барометр, манометр.

Результат 3Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.

Т

Термины темы

Определение должно указывать физический смысл, а не заменяться бытовым синонимом.

атмосферное давление: Давление, создаваемое атмосферой на находящиеся в ней тела и поверхности.
барометр: Прибор для измерения атмосферного давления.
манометр: Прибор для измерения давления жидкости или газа, часто относительно атмосферного.
опыт Торричелли: Опыт с ртутным столбом, демонстрирующий атмосферное давление и позволяющий измерить его.

Ф

Происхождение и вывод формул

Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.

p=\rho gh

следствие модели

Давление ртутного столба. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

p_{\text{верх}}\approx0

В опыте Торричелли над ртутным столбом образуется почти вакуум.

p_{\text{атм}}=p_{\text{столба}}

На одном горизонтальном уровне атмосферное давление уравновешивает давление ртутного столба.

p_{\text{атм}}=\rho_{\mathrm{Hg}}gh

Гидростатическая модель связывает измеренную высоту столба с атмосферным давлением.

Условия: Ртуть покоится, плотность и g известны, давление пара ртути над столбом пренебрежимо мало; высота измерена вертикально. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

!

Границы модели и типичные ошибки

Ошибка: забыть условие моделиНельзя переносить формулу на любую ситуацию только из-за совпадения букв. Ключевое условие этой темы: Воздух весит. И он давит на нас с силой в 1 кг на каждый квадратный сантиметр. Как Торричелли измерил атмосферу ртутью и как работают барометры.

Как проверить рассуждениеФормула применима только после выбора системы и допущений. Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.

Σ

Вывод по теме

Атмосферное давление

Воздух весит. И он давит на нас с силой в 1 кг на каждый квадратный сантиметр. Как Торричелли измерил атмосферу ртутью и как работают барометры.

Воздух весит. И он давит на нас с силой в 1 кг на каждый квадратный сантиметр. Как Торричелли измерил атмосферу ртутью и как работают барометры.
Формула применима только после выбора системы и допущений.
Любой численный результат сопровождается единицей, знаком и объяснением его физического смысла.