Фізика. 7 клас. Максимович

§ 24. Вага повітря. Атмосферний тиск. Дослід Торрічеллі

Бургомістр (голова міського управління) німецького міста Магдебурга Отто фон Геріке провів у 1654 році цікавий дослід. Взяв дві мідні півсфери, щільно притиснув одну до одної і відкачав повітря з порожнини, що утворилася. Після цього запропонував бажаючим їх роз’єднати. Процес тривав довго, навіть 16 коней не змогли цього зробити. Але достатньо було відкрити кран на одній із півсфер і впустити всередину повітря, як вони практично самі роз’єдналися.

У чому суть досліду? Звідки виникає така величезна сила і чому ми її не відчуваємо?

Дізнаймося про...

вагу повітря;
атмосферний тиск;
вимірювання атмосферного тиску.

1. Чи має вагу повітря?

Повітря оточує нас з усіх боків, але ми не відчуваємо його ваги, тому питання «Чи має вагу повітря?» здається дивним. Раніше люди так і думали, що повітря не має ваги. Проте Еванджеліста Торрічеллі, учень Галілео Галілея, після тривалих досліджень довів, що повітря таки має масу, а отже, і вагу. Як нам переконатися, що повітря має вагу? Для цього виконаємо дослід. До обох кінців вішачка для одягу прив’яжемо дві однакові повітряні кульки. Він розміститься горизонтально (мал. 24.1, а). Якщо голкою проткнути одну з надутих кульок, з неї вийде повітря і рівновага порушиться (мал. 24.1, б). Як бачимо, кулька з повітрям важча від кульки без повітря. Отже, повітря має вагу.

Еванджеліста Торрічеллі

Мал. 24.1. Дослід з кульками

Поміркуйте і дайте відповідь

Обчисліть, скільки важить повітря у класі, якщо його довжина 6 м, ширина 4 м, висота 3 м. Густина повітря 1,29 кг/м³.

2. Атмосферний тиск

Ми перебуваємо на дні своєрідного «повітряного» океану. Подібно до того як вода в океані чинить тиск на його дно, так атмосфера своєю вагою створює тиск на поверхню Землі. Тиск, який чинить атмосфера на поверхню Землі та на всі тіла поблизу неї, називають атмосферним.

Атмосфера Землі має дуже велику масу. Чому ж тоді повітря не може розчавити нас своєю вагою? Чому люди не відчувають тиск атмосфери? Причина в тому, що «повітряний стовп» тисне на нас не тільки зверху, а й з усіх боків рівномірно. Також у процесі еволюції живі організми пристосувалися до тиску земної атмосфери — кровоносні судини та інші порожнини організму, які заповнені рідинами чи газами, чинять на стінки судин і порожнин зсередини такий самий тиск, як атмосфера ззовні. Тому тканини організму не деформуються.

Доведемо існування атмосферного тиску на прикладі піднімання рідини у шприці (мал. 24.2). Під час руху поршня вгору між ним і рідиною утворюється безповітряний простір. Там тиск на поверхню рідини дорівнює нулю. А на вільну поверхню рідини в посудині діє атмосферний тиск, і він «змушує» рідину переміщуватись за поршнем та заповнювати шприц.

Мал. 24.2. Приклад існування атмосферного тиску

Поміркуйте і дайте відповідь

Дорослі слони засмоктують воду в хобот, а потім виливають її в рот. Як відбувається процес засмоктування води з погляду фізики?

3. Вимірювання атмосферного тиску

Виміряти атмосферний тиск вперше вдалося італійському фізику та математику Еванджелісті Торрічеллі за допомогою досліду, зображеного на мал. 24.3.

Мал. 24.3. Дослід Е. Торрічеллі

У скляну трубку довжиною 1 м, що запаяна з одного кінця, дослідник налив ртуть і відкритим кінцем опустив у посудину з ртуттю. Частина рідини витекла в посудину, але стовпчик ртуті висотою 760 мм залишився у трубці. Результат досліду Торрічеллі пояснив так: ртуть витікала до того моменту, поки тиск стовпа ртуті не зрівнявся з тиском, який чинить атмосфера на поверхню ртуті у посудині. Спостерігаючи за трубкою, він побачив, що протягом доби висота стовпа ртуті дещо змінюється. Це наштовхнуло на думку, що атмосферний тиск залежить від стану атмосфери, а отже, потрібен прилад для його вимірювання. Прикріпивши до трубки з ртуттю лінійку, науковець отримав барометр — прилад для вимірювання атмосферного тиску.

Такий ртутний барометр вимірює атмосферний тиск у міліметрах ртутного стовпчика. Це несистемна одиниця тиску, але в Україні та багатьох інших країнах прийнято виражати атмосферний тиск саме у мм рт. ст.

Тиск величиною 760 мм рт. ст., виміряний на рівні моря, називають нормальним атмосферним тиском.

Щоб подати значення атмосферного тиску у Па, можна скористатись такою рівністю: 1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па.

У її правильності ви можете переконатися, самостійно обчисливши за формулою р = ρgh тиск стовпа ртуті висотою 1 мм.

Отже, 760 мм рт. ст. ≈ 100 кПа.

Є ще інші несистемні одиниці атмосферного тиску:

• фізична атмосфера (1 атм), одна фізична атмосфера дорівнює нормальному атмосферному тиску:

1 атм ≈ 100 кПа;

• бар (дрібніша одиниця — мілібар). Використовують одиницю мілібар у метеорології (мал. 24.4) і для вимірювання тиску у вакуумі.

1 бар ≈ 750,062 мм рт. ст.

1 бар ≈ 0,99 атм.

Мал. 24.4. Мобільний додаток «Погода»

Поміркуйте і дайте відповідь

1. Чи зміг би Торрічеллі використати у своєму досліді замість ртуті воду? Чому?

2. Виразіть запропонований тиск в одиницях СІ:

760 мм рт. ст., 1 атм.

Запам’ятайте

Атмосферний тиск — це тиск, з яким атмосфера діє на поверхню Землі й на всі тіла поблизу неї.

Уперше довів існування атмосферного тиску Еванджеліста Торрічеллі.

Нормальний атмосферний тиск: p_атм. = 760 мм рт. ст.

Барометр — прилад для вимірювання атмосферного тиску.

Перевірте себе

1. Виразіть запропонований тиск в одиницях СІ: 753 мм рт. ст., 770 мм рт. ст., 200 кПа, 15 атм.

2. У шахті встановлено водяний барометр. Визначте висоту водяного стовпа в ньому, якщо атмосферний тиск у шахті дорівнює 810 мм рт. ст.

3. Перед початком тренувань кожен учасник робить розминку, при цьому він повинен завжди правильно дихати. Уявіть себе спортсменом на розминці. Станьте рівно. Покладіть руку на діафрагму. Зробіть декілька глибоких вдихів та видихів. Поясніть, як ви робите вдих з погляду фізики.

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)