Фізичні явища навколо нас. 7 клас. Годована

Скільки «важить» повітря?

На глибині, крім атмосфери, на людину тисне ще й вода. З’ясуємо, на якій глибині тиск води буде такий самий, як і атмосферний, тобто приблизно 10⁵ Па.

Із формули для гідростатичного тиску р = ρgh отримуємо

Отже,

тобто шар води глибиною 10 метрів буде створювати такий самий тиск, як і атмосфера Землі на рівні моря. Більш точні розрахунки дають значення 10,3 м.

Тиск — це фізична величина, для вимірювання якої використовують багато одиниць. Ти вже знаєш, що в СІ тиск вимірюють в паскалях (Па, або Ра), а ще є фізична й технічна атмосфери, бари, міліметри ртутного та водяного стовпчика, psi тощо. Як же в них розібратися?

Атмосфери й бари — це майже те саме. Торрічеллі виміряв, що тиск однієї атмосфери на рівні моря приблизно дорівнює тиску стовпчика ртуті висотою 760 мм. Густина ртуті

Отже, за формулою р = ρgh атмосферний тиск дорівнює р = 13600 · 9,8 · 0,76 = 101300 Па ≈ 10⁵ Па.

Ми вже розрахували висоту водяного стовпа. І справді, оскільки густина води в 13,6 разів менша за густину ртуті, то висота водяного стовпа буде в стільки ж разів більша, тобто приблизно 10 метрів. Отже,

1 атм = 1,013 · 10⁵ Па ≈ 10⁵ Па

1 атм = 760 мм рт. ст. = 0,76 м рт. ст.

1 атм = 0,76 · 13,6 = 10,3 ≈ 10 м в. ст.

Дослід 1. «Манометр»

Проведемо вимірювання тиску. Для цього нам не потрібні складні прилади. Ми виготовимо їх самі.

Візьмемо прозору силіконову трубку (діаметр 16 мм) і зігнемо її у вигляді англійської літери U. Закріпимо її таким чином, щоб кінці трубки були на одному рівні. Між ними встановимо шкалу: аркуш паперу з певними рисками. Ми впевнилися, що рівень рідини в обох половинах трубки однаковий. Позначимо цей рівень на шкалі нулем.

Тепер нам потрібна інша трубка — тонка та довга (діаметр 6 мм), яка щільно ввійде в трубку манометра. Виготовимо мембрану: на широку частину воронки натягнемо невеликий шматочок гуми з повітряної кульки й ретельно перев’яжемо їх (ниткою або гумою). З’єднаємо один кінець трубки з воронкою, а інший — із манометром. Для герметичності з’єднання скористаємось термоклеєм. Трохи схоже на душ, чи не так?

Ми виготовили манометр, тобто прилад для вимірювання різниці тисків. Тепер будемо занурювати воронку з мембраною на різні глибини й вимірювати гідростатичний тиск, тобто визначати рівень рідини в обох колінах.

Розбір досліду

Під дією гідростатичного тиску мембрана вигинається. Надлишковий гідростатичний тиск призводить до «виштовхування» води із закритого коліна манометра. Отже, під час занурення воронки у відро на більші глибини різниця між рівнями рідини в манометрі буде зростати. Цей дослід схожий на дослід із пляшками. Але за допомогою шкали ми можемо вимірювати різницю тисків у міліметрах водяного стовпа. Зробивши вимірювання глибини занурення мембрани та гідростатичного тиску, ми можемо перевірити справедливість формули р = ρgh.

Дослід 2. «Хто сильніший — вода чи повітря?»

Візьмемо звичайнісіньку пластикову пляшку (краще від мінеральної води). Тримаючи голку (або тоненький цвях) плоскогубцями, нагріємо її над полум’ям і ближче до дна зробимо в пляшці маленький отвір.

Цей дослід доцільно проводити у ванній кімнаті або влітку десь на березі річки чи моря. Наберемо повну пляшку води й ретельно закриємо її кришкою. Чи багато води вилилося через отвір? Якщо не стискати пляшку, то кілька крапель — і все. Тепер повільно відкриваємо пляшку. Один-два оберти — і струмінь води тече! У кого досі не було водяного пістолета, тепер він його має.

Відео

Зробимо кілька отворів у пляшці на різній висоті. Щоб було зручніше набирати воду (усі отвори одночасно складно закривати пальцями), можна вставити в отвори зубочистки. По черзі відкриваємо отвори і спостерігаємо за струменями води. Чим нижче отвір, тим більша відстань, на яку б’є струмінь, тобто швидкість води буде більшою. Коли рівень води в пляшці зменшується, струмені стають слабкішими.

Розбір досліду

У всьому знову винен тиск! Коли пляшка закрита, то зовні на воду діє атмосферний тиск, а зсередини — гідростатичний. Висота стовпа води у пляшці набагато менша десяти метрів, а тому гідростатичний тиск менший за атмосферний. У пляшці під кришкою ще було повітря, але коли трохи води вилилося, воно розширилося і його тиск зменшився.

Відкриваємо кришку — і тиск усередині стає більшим, ніж зовні. Тепер він дорівнює сумі атмосферного і гідростатичного тисків. Чим більша «глибина», на якій розташований отвір, тим більше і стовп води, і її тиск, і швидкість витікання.

Ми провели вимірювання та деякі розрахунки. А тепер хотілося б уявити, що ж це за тиск такий — одна атмосфера. Для цього розрахуємо, з якою силою тисне атмосфера на поверхню площею 1 см²:

F = p · S.

Оскільки в одному квадратному метрі 10000 см², то

1 см² = 10^-4 м², a F = 10⁵ · 10^-4 = 10 Н.

Отже, сила дорівнює 10 Н, а це — вага тіла масою 1 кг!

Це означає, що на кожен квадратний сантиметр нашого тіла тисне вантаж масою 1 кг. Уявили? Це і є одна атмосфера. Виникає питання: чому ми цього не відчуваємо? Справа в тому, що в тканинах нашого тіла є і рідина, і газ, тиск яких врівноважує атмосферний тиск.

Дослід 3. «Важка газета»

Чи залежить вага газети від того, згорнута вона чи ні? Яка з них важча? Не здається, що запитання якісь дивні?

Візьмемо звичайнісіньку лінійку й покладемо її на стіл так, щоб приблизно половина її висіла в повітрі. Ледь-ледь, щоб не впала. На той кінець, що лежить на столі, покладемо згорнуту газету. А тепер сильно вдаримо по вільному кінцю лінійки. Мабуть, газета улетить разом із лінійкою.

Тепер повністю розгорнемо газету й накриємо нею лінійку. Повторимо дослід. Це треба робити обережно, щоб не зламати лінійку. Як би сильно ми не били, лінійка трохи підскочить, але газету не підніме, хіба що може її прорвати. Отака важка газета!

Розбір досліду

Ти вже здогадався, що це не газета така важка, а атмосферний тиск такий «сильний»? Та все зовсім не так просто, адже між газетою і поверхнею стола також є повітря, отже тиск з усіх боків однаковий. Після удару на газету буде діяти сила опору повітря, і саме вона заважає руху газети.

Візьмемо поліетиленову плівку, площа якої дорівнює площі згорнутої газети. Трохи змочимо її і повторимо дослід з лінійкою. Поверхня стола має бути гладенькою, щоб плівка до неї прилипла. От тепер ми досліджуємо саме атмосферний тиск! Відірвати невелику мокру плівку від поверхні стола буде так само складно, як і велику газету. Для цього лінійку треба повернути, щоб плівка відлипла від столу.

Задачі

• 1. У пляшці зроблено три отвори. Розрахуй тиск води, під яким витікає кожний струмінь у даний момент. Висота стовпа води дорівнює 28 см, а отвори знаходяться на висотах 10 см, 18 см і 25 см від дна пляшки. Як зміниться тиск, якщо замість води в пляшку налити олію або 25-відсотковий цукровий сироп? Густина олії дорівнює 920 кг/м³, а сиропу — 1105 кг/м³?
• 2. Розрахуй, вантажі якої маси треба покласти на лінійку, щоб ними можна було замінити атмосферний тиск на газету і на плівку. Розміри газети, яку ми взяли, — 60x40 см, а розміри плівки — 20x30 см (як аркуш альбому). Проведи досліди і зроби власні вимірювання та розрахунки.
• 3. Спробуй оцінити масу атмосфери Землі, якщо радіус нашої планети R ≈ 6400 км. Площу поверхні сфери можна розрахувати за формулою S = 4πR².
• 4. Знайди силу, зумовлену атмосферним тиском, що діє на поверхню тіла дорослої людини. Вважай, що площа поверхні тіла людини дорівнює 1,6 м².

• 5. Риба камбала перебуває на глибині 460 м. Площа тіла поверхні дорівнює 530 см². Знайди силу, з якою її стискає вода.

Цікаві факти

Атмосфера — це не лише повітря, яким ми дихаємо. Це наш щит. Вона захищає Землю від переохолодження та перегріву. Озоновий шар на висоті близько 20 км захищає нас від сонячної радіації. А ще повітря — це захист від метеорів. Від тертя вони згорають, не долітаючи до поверхні Землі.

За рахунок сонячної енергії потужна теплова «машина» щорічно піднімає в атмосферу 511 тисяч кубічних кілометрів води, з них 411 тисяч кубічних кілометрів — з поверхні океану. Завдяки вітру й конвекції пара долає великі відстані й повертається на землю у вигляді опадів. Морська вода стає прісною і очищується. Цей процес протікає досить швидко: вся вода повертається на поверхню Землі трохи менше ніж за два тижні. До чого тут атмосферний тиск, ти дізнаєшся з наступних частин книги.

Навіщо потрібна подушка? Щоб зручніше було відпочивати. А щоб прибирати? Чи можна підняти холодильник або, наприклад, пральну машину, щоб їх посунути, за допомогою подушки? За допомогою надувної подушки — можна. Просто уяви собі, що звичайну повітряну кульку підсунули під важкий предмет і надули. Це незручно, і кулька врешті-решт лопне. Тому пневматична подушка для підйому вантажу набагато міцніша, а надувають її насосом.

Відео «Повітряний підйомник»

1654 рік. Місто Маґдебург. Щоб довести існування атмосферного тиску та зробити презентацію свого насоса, Отто Ґеріке влаштував справжнісіньке наукове шоу. Він викачав повітря з порожнини між двома металевими півкулями, складеними разом. Їхній діаметр приблизно дорівнював 35,6 см. Тиск атмосфери так сильно притиснув півкулі одну до одної, що 8 пар коней не змогли їх розділити. Коні бувають різні. Є породи могутніх коней (їх називають ваговозами), які можуть розвивати тяглове зусилля в 900 Н. Зусилля восьми таких коней дорівнює 7200 Н. Звичайний кінь розвиває зусилля приблизно в 300 Н.

Отже, розрахуємо, який тиск притискав одну півкулю до іншої. Площа круга дорівнює:

S = пr² = 3,14 · 0,178² ≈ 0,1 м².

Атмосфера тисне на поверхню півкулі з силою

F = p · S, F = 10⁵ · 0,1 = 10000 Н.

12 звичайних коней розвивають силу 3600 Н, тобто майже втричі меншу. А як ти вважаєш, чи змогли б 8 ваговозів розірвати півкулі? А 12 ваговозів?

Блез Паскаль — автор багатьох оригінальних дослідів з атмосферним тиском.

В одному з них використали герметичну дубову діжку з водою. Туди вставили вертикальну скляну трубку, яка досягала другого поверху. Бочка лопнула, коли з балкона через трубку в неї долили всього кілька кухлів води.

Також Паскаль повторив дослід Торрічеллі із запаяною трубкою і ртуттю. Якщо в трубку налити ртуть, затиснути трубку пальцем і перевернути в чашку зі ртуттю, то частина рідини залишається в трубці (її висота приблизно 76 см). Це є принципом дії ртутного барометра. На замовлення Паскаля склодуви виготовили трубки довжиною 12 метрів. Їх прив'язали до щогли вітрильника і заповнювали водою та іншими рідинами. Рівень рідин відрізнявся, бо залежав від їхньої густини. А ще Паскаль помітив, що рівень рідини залежить від погоди.

Нарешті, був проведений дослід, який довів, що атмосферний тиск залежить від висоти. Одного дня за допомогою трубки зі ртуттю тиск був виміряний біля підніжжя і на вершині гори Пюї-де-Дом (висота 1647 метрів). Висота стовпчика ртуті на горі виявилася меншою майже на 9 см! На честь цього відкриття одиницю тиску назвали паскалем.