Фізичні явища навколо нас. 7 клас. Годована

Куди «падає» барометр

У фільмах та книгах про піратів буває так, що капітан вітрильника каже: «Барометр падає!» — і командує: «Прибрати вітрила!» Але при цьому прилад не летить за борт. «Літати», причому швидко, починають матроси. Чому команда корабля починає ретельно готуватися до шторму?

Барометр — це прилад для вимірювання атмосферного тиску. У ті часи, коли не було метеостанцій, супутників та інтернету, це був найнадійніший спосіб для визначення прогнозу погоди. Недарма крім шкали на приладі позначені ще сонце та хмари. Як покази барометра пов’язані з погодою? Тут треба розбиратися з атмосферним тиском. Чому він змінюється й до чого це призводить?

Дослід 1. «Атмосферний тиск»

Візьмемо пластикову пляшку і наллємо в неї 200-300 мл гарячої води. Її температура має бути не більше 70 °С. Обережно! Якщо вода буде дуже гарячою, пляшка деформується. Збовтаймо воду так, щоб повітря у пляшці добре нагрілося. Тепер виллємо воду й герметично закриємо пляшку. Коли повітря у пляшці охолоне, пляшка буде виглядати так, наче на неї наступили. (Щоб прискорити процес, занурте пляшку в холодну воду.)

Розбір досліду

У відкритій пляшці тиск теплого повітря дорівнює атмосферному. У закритій пляшці повітря із часом стає холоднішим, його об’єм і тиск падають. Отже, тиск і об’єм повітря залежать від температури.

Дослід 2. «Автоматична напувалка для птахів»

Для напувалки нам стануть у пригоді: пластикова пляшка, кришка від банки або інша посудина та матеріали для кріплення.

Матеріали залежать від того, якого птаха ми будемо напувати, — хвилястого папугу чи курку.

По-перше, потрібно зробити просте кріплення для перевернутої пляшки. Її треба розташувати над кріпленням так, щоб горлечко знаходилося трохи нижче рівня води. Але потрібно зробити так, щоб пляшку можна було легко зняти, наповнити водою й повернути на місце.

Тепер пляшку наповнимо водою, обережно перевернемо та вставимо в кріплення. Якась кількість води потрапить у кришку. Але в той момент, коли горлечко пляшки опиниться під водою, рідина вже не витікатиме.

Розмір досліду

Вода не буде виливатися з кришки, тому що зовні на воду впливає атмосферний тиск, а всередині — гідростатичний тиск. Крім цього, у пляшці є трохи повітря. Коли вода витікає, воно розширюється і тиск падає. Вода витікає, доки сумарний тиск цього повітря й води стане таким самим, як і атмосферний. Ти ж пам’ятаєш: на один малесенький квадратний сантиметр тисне цілих 10 ньютонів!

Пташка випила пару крапель — зовні рівень води зменшився, і з пляшки знов витекло трохи води.

Дослід 3. «Перевернута кришка»

Схожий дослід можна зробити з пляшкою або склянкою та невеликим шматком картону чи пластику. Якщо просто прикрити повну склянку цією «кришкою» та перевернути, то вона «прилипне» і вода не витікатиме. А якщо в склянці буде хоча б трошки повітря, дослід не вийде. Чому?

Розбір досліду

Усе майже так само, як і в попередньому досліді. Але... Чому в склянці не має бути повітря? Справа в тому, що на початку досліду його тиск дорівнює атмосферному. Щоб знизився тиск, зі склянки має вилитися хоча б трохи води. Але тоді «кришка» відразу впаде!

Відео

Наша планета нерівномірно прогрівається Сонцем. Чому? Ти бачиш на рисунку, що ближче до полюсів сонячні промені падають під іншим кутом. У результаті така сама кількість енергії розподіляється на більшу площу. Це чимось схоже на тиск: чим більша площа поверхні (якщо сила, звісно, така сама), тим менший тиск.

Біля екватора Земля отримує більше сонячної енергії, ніж біля полюсів. Атмосферний тиск знижується, тому що тепле вологе повітря поблизу екватора піднімається вгору. На його місце приходить холодне повітря із субтропічних широт. Така циркуляція повітря призводить до утворення постійних вітрів — пасатів. Повітря, що піднялося, нагорі розширюється й охолоджується. При цьому вода конденсується й утворює дощові хмари, тому на екваторі часто йдуть рясні дощі.

Отже, області зниженого тиску призводять до утворення циклонів, у яких унаслідок обертання Землі повітря починає рухатися по спіралі. Ось чому «падіння барометра», тобто атмосферного тиску, попереджає про шторми та урагани. У центрі кожного тропічного циклону формується кругла область низького тиску з ясною і спокійною погодою — так зване «око бурі».

Денний бриз

Такі вітри, як мусон і бриз, також з’являються за рахунок нерівномірного нагрівання повітря. Це відбувається на межі між морем та суходолом і веде до утворення областей низького й високого атмосферного тиску. Узимку над океаном повітря нагрівається більше, ніж над сушею, а влітку — навпаки. Тому мусони змінюють свій напрямок двічі на рік. А такий вітерець, як бриз, обумовлений різницею температур на узбережжі вдень і вночі.

Нічний бриз

Цікаві факти

Обертання Землі навколо власної осі веде до того, що пасати завжди дмуть у постійному напрямку до екватора: у північній півкулі — із північного сходу, а в південній — із південного сходу.

У Середньовіччі широко застосовували всмоктувальний поршневий насос. У ньому піднімався поршень і «всмоктував» воду. Але він міг підняти воду на висоту не більше 10 метрів. Ґалілео Ґалілей, до якого звернулися будівельники фонтану у Флоренції, запропонував розібратися з цією проблемою своїм учням — Еванджелісті Торрічеллі і Вінченцо Вівіані.

Торрічеллі висловив думку, що вода піднімається під дією атмосферного тиску. Стовп води висотою 10,3 метри врівноважує його, тому вище вода не піднімається. Учений узяв скляну трубку із запаяним кінцем і заповнив її ртуттю. Затиснувши отвір, він перевернув трубку й занурив у посудину зі ртуттю. Стовп рідини в трубці встановився на висоті 760 мм над поверхнею. Так уперше був виміряний атмосферний тиск і встановлені одиниці вимірювання: міліметри ртутного стовпчика.

Задачі

  • 1. Як ти вважаєш, буде рівень води в посудині для папуги весь час однаковий чи він змінюватиметься зі зменшенням води в пляшці? Спробуй пояснити чому.
  • 2. У який бік спрямовані мусони взимку та влітку? Куди спрямований бриз удень та вночі?
  • 3. У яких одиницях вимірюється атмосферний тиск на зовнішній та внутрішній шкалах барометра, наведеного на рисунку? (Числа на зовнішній шкалі — 73 і 74; на внутрішній — 980 і 990.) Чому дорівнює виміряний тиск у СІ?

  • 4. Поясни принцип дії піпетки для переливання малої кількості рідини. Чи можна замість піпетки використовувати шприц? Чим відрізняється принцип їхньої дії?
  • 5. Чому склянка, помита теплою водою й перевернута на покритий поліетиленовою скатертиною стіл, щільно прилягає та трохи втягує її всередину? Чи буде спостерігатися подібне явище, якщо скатертина виготовлена з тканини? Спробуй провести дослід самостійно.
  • 6. Знайди тиск, який створює поршень насоса, що качає воду на висоту 15 м. Цей насос нагнітальний чи всмоктувальний?

Дослід 4. «Кругообіг води на підвіконні»

Якщо взяти пакет із застібкою ziplock, налити туди невелику кількість підфарбованої води, ретельно застібнути, поставити на підвіконня та закріпити скотчем, можна кілька днів спостерігати таке: удень вода в пакеті під впливом сонячних променів випаровується. Коли пара охолоджується, то осідає на стінки пакета у вигляді дрібних крапельок (роса випадає), а коли достатня кількість води конденсується, починається дощ. До речі, і тиск повітря всередині змінюється, бо пакет стає то «товстішим» (удень), то «тоншим».

Можна ще зробити «осінь» і «зиму» в холодильнику та в морозильній камері.

Розбір досліду

Майже все, як у природі. Лише вихорів не вистачає — циклонів і торнадо.

Дослід 5. «Торнадо чи коливання»

Беремо звичайну пластикову пляшку ємністю 1,5 літра. Наливаємо в неї води (приблизно 3/4 пляшки), одночасно вмикаємо секундомір і перевертаємо пляшку над ємністю. Тепер спостерігаємо за витіканням води й не забуваємо виміряти час, за який виливається вода. Це перша частина досліду. Спочатку з пляшки витече трохи води. Ви відчуєте це рукою, бо пляшка трохи «схудне». Тиск усередині зменшиться, вода не зможе витікати й назустріч їй «прорвуться» повітряні бульбашки. Тепер тиск збільшиться, і вода зможе виливатися знов. Щоб краще відчути й побачити коливання тиску, можна закрутити пробку, зробити в ній отвір і вставити туди трубочку діаметром 5-6 мм і довжиною 5-10 см. З’єднання треба зробити герметичним за допомогою пластиліну або термоклею.

Друга частина досліду — власне «торнадо». Пригадаємо, що спричиняє атмосферні вихори: різниця тисків, вода (випаровування) й обертання Землі. Тому візьмемо пляшку без кришки, різко перевернемо її, надаючи обертального руху. Не забудемо виміряти час витікання. Якщо дослід вийде добре, ви побачите, що жодних перешкод для витікання води вихор не створює. У його центрі утворюється «око» з меншим тиском, і повітря вільно потрапляє в пляшку. Швидкість витікання виявляється приблизно в 1,5 рази більшою, ніж під час звичайного витікання.

Обидві частини досліду можна поліпшити (й ускладнити), приклеївши до цієї пляшки ще одну, таку саму, щоб вийшла конструкція, схожа на пісочний годинник.

Розбір досліду

Коливання тиску у пляшці в першій частині досліду називають автоколиваннями, тому що система сама «керує» процесом. А що стосується торнадо... Процес утворення вихорів в атмосфері ще й досі ретельно не досліджений. До речі, дослід не завжди виходить — треба потренуватися.

Дослід 6. «Кулька, тримай!»

Беремо дві повітряні кульки, надуваємо їх (не дуже сильно). Хвостик треба міцно зав’язати мотузкою. Тепер сильно, але обережно вдавлюємо хвостик усередину, притискаємо до протилежного боку кульки і з’єднуємо їх за допомогою мотузки. На протилежному боці утворилося поглиблення. Так само вчиняємо з другою кулькою.

Змочимо кульки з боку поглиблення водою і з силою притиснемо до гладенької поверхні: одну кульку — до столу, а другу — до стіни. У нас вийшли присоски! Витягнемо назовні мотузки, якими ми зав’язали хвостики. На них можна підвісити досить важкі речі.

Розбір досліду

Атмосферний тиск! У нас вийшли майже Магдебурзькі півкулі! Коли ми із силою притиснули кульку до поверхні й надавили на хвостик, то зробили те саме, що робить насос, — виштовхнули повітря з-під неї. Отже, зовні — атмосфера, між кулькою і стіною — вакуум, а вода перешкоджає їм «спілкуватись».

Відео

Цікаві факти

Є така цікава наука — біоніка. Людина «підглядає» секрети живої природи й використовує їх у техніці. Наприклад, за допомогою присосків деякі молюски, риби, п'явки та навіть рослини прикріплюються до твердих поверхонь. Іноді буває дуже складно їх відірвати. Сила, яка тут працює, — теж атмосферний тиск.

Людина стала використовувати такі засоби для кріплення, прочистки труб тощо.

Зі збільшенням висоти атмосферний тиск падає. Це пов'язано з тим, що під час підйому зменшується висота стовпа повітря над нами. Крім того, густина повітря, яка на рівні моря становить 1,29 кг/м3, зменшується з висотою і на висоті 100 км дорівнює 0,032 кг/м3. До речі, згідно з рішенням Міжнародної авіаційної федерації, саме цю висоту вважають кордоном між атмосферою й космосом. Ця межа називається лінією Кармана.

Поблизу поверхні Землі атмосферний тиск зменшується приблизно на 1 мм рт. ст. при підйомі на кожні 10,5 м. Таким чином, на найвищій на Землі горі Еверест, висота якої 8848 м, тиск має зменшитися на 843 мм рт. ст. На рівні моря він дорівнює 760 мм рт. ст. Але ж тиск не може бути від'ємним! Це означає, що така залежність працює лише на малих висотах. Насправді тиск на Евересті дорівнює приблизно 190 мм. рт. ст.

До речі, а яка висота гори на рисунку?

Одним із механізмів формування погоди є своєрідні «повітряні насоси» — циклони — атмосферні вихори величезних розмірів. Їхня висота — до 20 км, а діаметр досягає 5 тис. км.

Циклон — це область низького тиску. Він збирає повітря й піднімає його вгору. Висхідні потоки повітря формуються в центрі циклону. Найнижчий тиск — 658 мм рт. ст. — було відзначено 24 вересня 1958 року під час тайфуну в Тихому океані біля острова Гуам.

Антициклон характеризується високим тиском. Він, навпаки, утягує повітря з верхніх шарів атмосфери і розподіляє його біля поверхні землі. Найвищий атмосферний тиск був зареєстрований на півночі Західного Сибіру 31 грудня 1968 року й дорівнював 812 мм рт. ст.