Меню

Как доказать что атмосферное давление существует

Природа не боится пустоты: как Блез Паскаль доказал существование атмосферного давления 372 года назад

19 сентября мы вспоминаем события давно минувших лет, поскольку именно в этот день 372 года назад Блез Паскаль доказал существование атмосферного давления. Рассмотрим подробнее, как это было.

Ноябрь 1647 года в Париже был таким же мрачным и заставил Блеза Паскаля мечтать о горных вершинах вокруг Клермон-Феррана, городка в провинции Овернь, где он родился и вырос и где все еще жили его сестра и ее муж Флорин Перье.

Идея эксперимента

В ту осень Паскалю пришла в голову идея эксперимента, который, как бы прост он ни был, тем не менее произвел революцию в наших знаниях об атмосфере и атмосферном давлении. Итак, 15 ноября он сел и написал длинное письмо своему шурину, чтобы убедить его провести этот эксперимент.

За несколько лет до этого итальянские инженеры всерьез задумались, почему им не удается построить всасывающие насосы, которые могли бы поднимать воду для использования в фонтанах или для снабжения зданий на высоту более 10 метров. Они даже спрашивали об этом Галилея, но он мог только подтвердить этот факт и не дать ясного ответа. В Риме ученый-любитель по имени Гаспаро Берти провел серию экспериментов, чтобы детально изучить это любопытное явление. Он использовал длинную трубку, запечатанную с одного конца, наполнил ее полностью водой, погрузил открытый конец в ванну с водой, а затем привел трубку в вертикальное положение. Как он отметил, часть воды вылилась в ванну, но не вся, оставив вертикальный столб воды высотой около 10 метров в трубе — это была, очевидно, именно предельная высота насосов, которая озадачила инженеров.

Настоящий ажиотаж

В то время, в начале 1640-х годов, эти эксперименты вызвали настоящий ажиотаж. Главный вопрос заключался в том, действительно ли пусто пространство в верхней части трубы? А что мешает воде полностью вылиться в ванну? Согласно все еще преобладающим физическим теориям, восходящим к Аристотелю, природа ненавидит вакуум — не может быть пустого пространства, поэтому пространство над линией воды в трубе должно быть заполнено каким-то веществом. А может быть, природа не любит заполнять пространство этим веществом и это мешает воде выливаться наружу? Однако некоторые люди также утверждали, что, возможно, атмосферное давление — вес воздуха в атмосфере, который, как было известно с некоторых пор, имеет измеримую плотность, — может быть виновником вместо этого. Возникла явная необходимость в дальнейших экспериментах.

Замена воды ртутью

Во Флоренции Эванджелисте Торричелли, ученику Галилея, пришла в голову гениальная идея заменить воду в эксперименте Берти ртутью — жидкостью примерно в 13 раз плотнее воды. Благодаря этой процедуре установка Берти стала намного проще в обращении — теперь требовались сосуды размером всего в десятую часть от тех, которыми пользовался Берти. Когда Торричелли повторил эксперимент, он обнаружил, что столбик ртути опустился на высоту около 760 миллиметров — таково было происхождение прибора, который мы теперь называем барометром. Но вот что самое интересное: высота уровня ртути в трубе над уровнем в ванне не зависит от наклона трубы и она не зависит от кажущегося пустым объема выше уровня ртути в трубе. Это было легко увидеть, если повторить эксперимент с сосудами всех размеров и форм. Теперь особенно этот второй результат было очень трудно согласовать с какой-либо концепцией отвращения к вакууму — по-видимому, размер этого вакуума вообще не играл роли. Но действительно ли атмосферное давление, тяжесть окружающего воздуха не давали ртути полностью вылиться из трубы в ванну?

Новости об экспериментах Торричелли довольно быстро распространились по Европе. Блез Паскаль жил в то время в Руане, в нескольких милях к западу от Парижа, где его отец работал городским сборщиком налогов. И отец, и сын живо интересовались наукой, и они услышали новости из Италии от друга, который посетил их и предложил им объединить усилия, чтобы повторить эксперименты Берти и Торричелли.

Эксперимент с водой и вином

В начале 1647 года Паскали повторили и усовершенствовали эксперимент Берти с большими стеклянными трубками, наполненными водой и красным вином, а также эксперименты Торричелли с ртутью. Некоторые эксперименты проводились публично, с участием граждан Руана в качестве заинтересованных свидетелей. Особенный интерес вызвал эксперимент с вином — даже ради науки, поскольку некоторые утверждали, что пустое пространство в верхней части трубок будет заполнено паром жидкости (правильно на самом деле) и что этот пар будет отталкивать жидкость (неправда) — таким образом, уровень вина должен быть ниже, чем уровень воды. В эксперименте столб вина был выше — потому что, как объяснил Блез Паскаль, плотность вина ниже, чем у воды, и поэтому требуется более высокий столб вина, чтобы уравновесить то же самое внешнее атмосферное давление. Паскаль, как и многие другие, был убежден, что давление воздуха не дает жидкости вытекать из трубок, но ему все еще нужен был способ доказать это.

Читайте также:  Преобразователь избыточного давления honeywell

Паскаль понял, что если вес воздуха действительно является движущей силой во всех этих экспериментах, то он должен быть тем ниже, чем выше место, где проводится эксперимент, так как тогда слой воздуха тоньше.

Паскаль понятия не имел, насколько велик может быть эффект, но он думал и надеялся, что примерно 1000-метровой разницы в высоте между его родным городом Клермон-Ферран и пиком соседнего Пюи-де-Дом будет достаточно. Итак, он написал письмо своему шурину Флорину Перье.

Последнему потребовалось некоторое время, чтобы проникнуться идеей. Эксперимент был проведен только через год после письма Паскаля.

Эксперимент Торричелли на вершине Пюи-де-Дом

19 сентября 1648 года Флорин Перье и его друзья проводят эксперимент Торричелли на вершине Пюи-де-Дом в Центральной Франции. Высота ртутного столба на 85 мм меньше, чем в Клермон-Ферране у подножия горы, примерно на 1000 метров ниже.

В субботу 19 сентября 1648 года Флорин Перье и несколько его друзей из Клермон-Феррана приступили к эксперименту. Ранним утром они измерили высоту ртутного столба в двух экспериментах Торричелли в низменном месте в городе, в саду монастыря, — она составляла 711 мм.

В то время как один из инструментов был оставлен там и наблюдался в течение дня монахом, другой был перенесен на вершину Пюи-де-Дом. К большому удивлению всех, там, примерно на 1000 метров выше того места, откуда они начали, высота столба ртути была всего 627 мм! Флорин и его друзья повторили измерение несколько раз и сделали несколько измерений на обратном пути. Все сходилось: пока они снова спускались с горы, столбик ртути поднимался вверх в стеклянной трубке, а когда поднимались обратно в монастырь, он снова был на 711 мм, высоте, которую неподвижный эталонный прибор держал в течение всего дня.

Флорин Перье был так удивлен и поражен этим большим эффектом, что повторил эксперимент на следующий день. На этот раз, менее напряженно и приличествуя воскресному дню, он пронес инструмент всего на 50 метров вверх по башне собора Клермон-Феррана. Этой разницы в росте было достаточно, чтобы ее можно было четко измерить, около 4 мм. Блез Паскаль, услышав о результате, сразу же взялся воспроизвести эксперимент на Тур Сен-Жак в Париже, где теперь установлена статуя в дань уважения Паскалю и его эксперименту.

Источник

Атмосферное давление

Цель:

  • понять, как работает атмосферное давление.
  • убедиться в существовании атмосферного давления и научиться использовать полученные знания для объяснения физических явлений.
  • выявить параметры, от которых зависит атмосферное давление;
  • с помощью физических опытов подтвердить факт существования атмосферного давления и увидеть результаты его действия.

«Подъем воды вслед за поршнем»

(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 42, «Вес воздуха. Атмосферное давление», рис. 125.)

Предметы и материалы

Проводим эксперимент

Нальем воду в широкую емкость. Возьмем шприц и опустим поршень шприца вниз, тем самым вытесним весь воздух из шприца. Затем опустим шприц в емкость с водой и медленно начнем поднимать поршень.

Гипотеза

Действительно ли вода начнет подниматься за поршнем вверх, заполняя шприц.

Объясняем

В момент, когда мы опускали поршень и вытесняли воздух из шприца, там не осталось совсем молекул воздуха. На воду, находящуюся в емкости действует атмосферное давление. Когда мы опустили шприц в емкость с водой и начали поднимать поршень, то между поршнем и водой образовалось безвоздушное пространство. А так как атмосферное давление очень велико и оно продолжает действовать на воду, то вода начинает двигаться в зону наименьшего давления, тем самым заполняя шприц.

Читайте также:  Оборудование для измерения давления газа

Предметы и материалы

(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 44, «Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли», задание после параграфа № 1)

  • Широкая емкость
  • Стеклянный стакан
  • Вода

Проводим эксперимент

Нальем воду в широкую емкость. Возьмем стакан и начнем опускать его в воду. Погрузив стан в воду, перевернем его под водой вверх дном и затем медленно начнем вытаскивать его из воды.

Гипотеза

Действительно ли вода останется в стакане пока до тех пор, пока края стакана находятся под водой.

Объясняем

Воздух, окружающий нашу Землю, давит на все предметы, находящиеся на ней (и, конечно, на нас с вами), с такой же силой, какую создает килограммовая гиря на один квадратный сантиметр.

Пока края стакана находятся под водой, вода остается в стакане, потому что давление столба воды в стакане будет компенсироваться атмосферным давлением.

Это очень большое давление: выходит, на один квадратный метр поверхности давит сила, которую создает груз в десять тонн! Но мы этого давления совсем и не замечаем, занимаемся своими делами – учимся, работаем, развлекаемся, – совершенно не думая о колоссальном атмосферном давлении, которое испытываем. Все дело в том, что наружное атмосферное давление уравновешено таким же точно давлением, которое существует и внутри нас (впрочем, и внутри всех живых организмов).

Предметы и материалы

(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 44, «Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли», упражнение 21(2), рис. 132)

  • Два одинаковых стакана
  • Свеча
  • бумага

Проводим эксперимент

Возьмем один стакан и поставим в него свечу. Возьмем несколько тетрадных листов бумаги, сделаем в середине небольшое отверстие. Затем немного смочим листы бумаги водой и накроем этими листами первый стакан со свечей. После этого аккуратно поместим второй стакан на первый, стараясь совместить края, перевернув вверх дном.

Гипотеза

Поднимется ли первый стакан вместе со вторым, как приклеенный, когда потухнет свеча.

Объясняем

До того как мы накрыли нижний стакан, свеча нагрела находившийся в нем воздух, и часть его вышла наружу. То же произошло и с воздухом второго стакана, когда мы поместили его на нижний. Поэтому, когда стаканы были прижаты друг к другу, в них оставалось меньше воздуха, чем до начала опыта. Соответственно и давление было меньше атмосферного. Затем свеча «съела» весь оставшийся в пространстве между сомкнутыми стаканами кислород, что так же понизило там давление. Наконец, когда свеча погасла и газ вокруг нее остыл, образовалось разряженное пространство, давление в котором гораздо меньше наружного, атмосферного. Оно – то и прижало стаканы один к другому.

«Пластиковая бутылка с отверстием на дне»

(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 42, «Вес воздуха. Атмосферное давление», рис. 127, задание после параграфа номер 2)

Предметы и материалы

Проводим эксперимент

  1. На дне пластиковой бутылки сделаем отверстие. Зажмем отверстие пальцем и нальем в бутылку воды, закроем горлышко крышкой. Осторожно отпустим палец.
  2. Откроем осторожно крышку.

Гипотеза

  1. Действительно ли вода из бутылки выливаться не будет.
  2. Действительно ли вода из бутылки начнет выливаться.

Объясняем

Вода из бутылки с закрученной пробкой выливаться не будет, потому что на нее действует только внутреннее давление в бутылке, а оно мало, для того чтобы выдавить воду. Как только мы откроем крышку, то вода начнет выливаться, так как на воду еще начнет действовать атмосферное давление, а оно уже много больше и способно вытолкнуть воду из отверстия.

Применение на практике

  • Воздушние шарики
  • Дыхание
  • При наборе лекарств в шприцы, пипетки
  • Автоматические поилники для домашних животных
  • Поршневые жидкостные насосы
  • Когда человек пьет различную жидкость
  • Соки с трубочками
  • Фонтаны
  • Игрушки и устройства на присосках

Атмосферное давление лежит в основе многих приспособлений. Например, когда у человека насморк, он применяет капли в нос, используя пипетку. Капли попадают в пипетку именно благодаря давлению воздуха.

Когда нам делают уколы, врач выталкивает воздух из шприца поршнем и набирает лекарство, которое попадает в шприц под действием атмосферного давления.

Применение в природе

  • Уталение жажды диких животных (Слон использует атмосферное давление всякий раз, когда хочет пить. Шея у него короткая, и он не может нагнуть голову в воду, а опускает только хобот и втягивает воздух. Под действием атмосферного давления хобот наполняется водой, тогда слон изгибает его и выливает воду в рот)
  • Копыта животных (при вытаскивании из трясины пропускают воздух через свой разрез в образовавшееся разреженное пространство. Давление выравнивается сверху и снизу, и нога вынимается из болота без особого труда.)
  • Мухи и древесные лягушки могут держаться на оконном стекле благодаря крошечным присоскам, в которых создается разрежение, и атмосферное давление удерживает присоску на стекле.
  • Метеорология (для составления прогноза погоды)
  • Рыбы-прилипалы имеют присасывающую поверхность, состоящую из ряда складок, образующих глубокие «карманы». При попытке оторвать присоску от поверхности, к которой она прилипла, глубина карманов увеличивается, давление в них уменьшается и тогда внешнее давление еще сильнее прижимает присоску.
Читайте также:  Низкий пульс при давлении симптомы лечение

Интересные факты о рассматриваемом явлении

Как известно, воздушные массы перемещаются с области с повышенным атмосферным давлением в сторону области, где это давление ниже. Всего выделено 7 зон. Экватор – зона низкого давления. Далее, по обе стороны от экватора вплоть до тридцатых широт – область высокого давления. От 30° до 60° – опять низкое давление. А от 60° до полюсов – зона высокого давления. Между этими зонами и циркулируют воздушные массы. Те, что идут с моря на сушу, несут дожди и ненастье, а те, что дуют с континентов – ясную и сухую погоду. В местах, где воздушные течения сталкиваются, образуются зоны атмосферного фронта, которые характеризуются осадками и ненастной, ветреной погодой. Давление меняется не только по вертикали, но и по горизонтали. Особенно это чувствуется при прохождении циклонов. Если бы атмосфера Земли не вращалась вместе с Землей вокруг ее оси, то на поверхности Земли возникли бы сильнейшие ураганы. Что произошло бы на Земле, если бы воздушная атмосфера вдруг исчезла? — на Земле установилась бы температура приблизительно –170 °С, замерзли бы все водные пространства, а суша покрылась бы ледяной корой — наступила бы полная тишина, так как звук в пустоте не распространяется; небо стало бы черным, поскольку окраска небесного свода зависит от воздуха; не стало бы сумерек, зорь, белых ночей . — прекратилось бы мерцание звезд, а сами звезды были бы видны не только ночью, но и днем (днем мы их не видим из-за рассеивания частичками воздуха солнечного света); — погибли бы животные и растения.

«Атмосферное давление и тело человека»: на тело человека, поверхность которого при массе в 60 кг и росте, в среднем, 165 см, примерно равна 1,6 м 2 , действует сила в 160 кН, обусловленная атмосферным давлением. Каким же образом выдерживает организм такие огромные нагрузки?

Это достигается за счет того, что давление жидкостей, заполняющих сосуды тела, уравновешивает внешнее давление.

С этим же вопросом тесно связана возможность нахождения под водой на большой глубине. Дело в том, что перенесение организма на другой высотный уровень вызывает расстройство его функций. Это объясняется, с одной стороны, деформацией стенок сосудов, рассчитанных на определенное давление изнутри и снаружи. Кроме того, меняется при изменении давления и скорость многих химических реакций, вследствие чего меняется и химическое равновесие организма. При увеличении давления происходит усиленное поглощение газов жидкостями тела, а при его уменьшении – выделение растворенных газов. При быстром уменьшении давления вследствие интенсивного выделения газов кровь как бы закипает, что приводит к закупорке сосудов, нередко со смертельным исходом. Этим определяется максимальная глубина, на которой могут производиться водолазные работы (как правило, не ниже 50 м). Опускание и поднятие водолазов должно происходить очень медленно, чтобы выделение газов происходило только в легких, а не сразу во всей кровеносной системе.

Самое высокое атмосферное давление 815 мм. рт. ст. (или 1133 мб.) было зарегистрировано 12 декабря 1968 года в пос. Акапа (Сибирь, Россия ). Самое низкое в мире давление (870 гПа) зарегистрировано в 482 км к западу от острова Гуам, Тихий океан, на 16 44 с.ш. и 137 46 в.д. 12 октября 1979 г. Во время урагана Джимбер в Тихом океане 12 сентября 1988 года было зафиксировано атмосферное давление (на уровне моря) 645 мм.рт.ст. (или 860 мб.)

Источник

Adblock
detector