§ 17. Атмосферний тиск

Досліджуй

1. Виконай дослід. Тобі знадобляться: порожня пластикова пляшка з нарізною кришкою. Закупор порожню пластикову пляшку нарізною кришечкою і стискай її. Далі відкоркуй пляшку і знову стисни її. Поясни, що, на твою думку, заважало стисканню закупореної пляшки.

2. Виконай дослід (мал. 17.1). Тобі знадобляться: склянка, аркуш паперу, вода.

Наповни склянку водою до половини та накрий її аркушем паперу. Притримуючи долонею папір, переверни склянку догори дном. Виконуй дослід над широкою посудиною. Прибери руку з-під склянки. Що, на твою думку, утримує воду й не дає їй вилитися?

Мал. 17.1. Чому вода не виливається?

Дізнавайся

Яку дію чинить атмосфера?

Закупорену пляшку тяжко було стискати, оскільки в ній міститься повітря. Вода в другому досліді з пляшки не виливалася, бо на аркуш паперу ззовні діє повітря. Чим пояснюють таку дію повітря?

Атоми і молекули газів в атмосфері постійно рухаються в різних напрямках, ударяються одне об одне й об земну поверхню. Наслідок удару від одної молекули нехтовно малий. Однак велика кількість їх, може створювати значну дію. Під дією сили тяжіння верхні шари атмосфери тиснуть на її нижні шари. Тиск повітря на поверхню Землі та на всі тіла поблизу неї називають атмосферним тиском. Чому ж люди не відчувають дії атмосферного тиску?

Атмосферний тиск — один із параметрів стану атмосфери. Дослідами і вимірюваннями встановлено, що стовпчик повітря, що простирається від поверхні Землі до верхньої границі атмосфери (мал. 17.2) тисне на земну поверхню так само, як вантаж масою приблизно 10,3 тонн на поверхню площею 1 м²!!!

Мал. 17.2. До визначення атмосферного тиску

Чому ж люди не відчувають дії атмосферного тиску?

Перш ніж відповісти на це запитання, візьми аркуш паперу та, тримаючи його в горизонтальному положенні, запитай себе, чому під дією атмосферного тиску тонкий папір навіть не прогинається. Пригадай, за яких умов результуюча дія дорівнює нулю. Звісно, якщо дія зверху та знизу — однакова. Тобто атмосферне повітря рівномірно тисне з усіх сторін, і зверху, і знизу зокрема.

Цю властивість атмосферного повітря виявив саме Блез Паскаль (1623-1662). Науковець експериментально з’ясував: рідини і гази передають здійснюваний на них тиск однаково в усіх напрямках (закон Паскаля) (мал. 17.3).

Мал. 17.3. Ілюстрація закону Паскаля

В організмах рідини або гази, якими заповнені клітини, кровоносні судини й інші порожнини, тиснуть на їхні стінки. Цей внутрішній тиск дорівнює зовнішньому атмосферному. Тому тканини організму не деформуються, а атмосферний тиск не відчувається. Ба більше, організм є саморегульованою системою, у якій зміна зовнішнього атмосферного тиску автоматично приводить до відповідної зміни внутрішнього тиску. Людина під час цього може відчувати певний дискомфорт.

Як вимірюють атмосферний тиск?

Практично атмосферний тиск першим виміряв Еванджеліста Торрічеллі (1608-1647) 1644 року. Науковець заповнив ртуттю скляну трубку завдовжки 1 м, запаяну з одного кінця. Щільно закрив її відкритий кінець, перевернув, опустив у чашку з ртуттю і відкрив кінець трубки. Частина ртуті вилилася в чашку, а частина — залишилася у трубці. Висота стовпчика ртуті, що залишилася, дорівнювала 760 мм. Над ртуттю у трубці утворився безповітряний простір (мал. 17.4).

Мал. 17.4. Ілюстрація досліду Е. Торрічеллі з вимірювання атмосферного тиску

На відміну від газуватого стану, густину рідини можна вважати незмінною, а закон Паскаля для рідин виконується так само, як і для газів. Значить тиск, який спричиняє стовпчик ртуті (рідини зі сталою густиною) у трубці Торрічеллі урівноважує тиск атмосфери (речовини зі змінною густиною), тому що діють на одну і ту саму поверхню ртуті — фактично дослід Торрічеллі є одним з наслідків закону Паскаля.

Торрічеллі так пояснив свій дослід: атмосфера тисне на поверхню ртуті в чашці. Створений стовпчиком ртуті тиск зрівноважений атмосферним тиском, який не дає ртуті виливатися. Якби тиск ртутного стовпчика був більший від атмосферного, ртуть виливалася б із трубки в чашку, а якщо менший, — то піднімалася б у трубці вгору.

Тому на практиці атмосферний тиск можна вимірювати висотою ртутного стовпчика (у міліметрах або сантиметрах). Якщо, наприклад, атмосферний тиск дорівнює 760 мм рт. ст., то це означає, що повітря чинить такий самий тиск, як і вертикальний стовпчик ртуті 760 мм заввишки. Отже, у цьому разі за одиницю атмосферного тиску взято 1 мм ртутного стовпчика (1 мм рт. ст.).

Прилад, запропонований Е. Торрічеллі, називають ртутним барометром.

Як змінюється атмосферний тиск?

Як з’ясував Торрічеллі, тиск атмосфери, визначений висотою стовпчика ртуті, дорівнює тиску стовпчика атмосфери величезної висоти, але змінної густини. Але у зміни густини є два чинники: зменшення густини разом зі зменшенням сили тяжіння з висотою і зменшення густини за збільшення температури повітря (або збільшення густини повітря за зменшення температури). Тому за підвищення температури у повітря зменшується густина, відповідно зменшується його тяжіння до Землі, і воно піднімається вгору у відповідний шар. За зменшення температури, навпаки, густина повітря збільшується, тяжіння збільшується, і повітря опускається нижче. Оскільки освітленність поверхні Землі, а нею і температура, змінюється впродовж доби та завдяки малій теплоємності, атмосферне повітря весь час перебуває у русі.

Визначено, що на широті 45° на рівні моря, за температури 0 °С, стовпчик ртуті піднімається на висоту 760 мм. Тиск повітря за таких умов називають нормальним атмосферним тиском.

Під час невеликих підйомів у середньому що 10-10,5 м тиск зменшується на 1 мм рт. ст. Тож за зміною показів барометра можна визначити висоту над рівнем моря.

Дослідами і вимірюваннями встановлено, що повітря нагріваючись розширюється, піднімається вгору і менше тисне на поверхню. При охолодженні, навпаки, стискається й опускається вниз. Тобто від зміни температури повітря змінюється атмосферний тиск. Ця властивість відіграє дуже важливу роль у природі. Як ти вже знаєш, сонячне тепло розподіляється нерівномірно на поверхні Землі, а отже нерівномірно буде розширюватись і тиснути повітря. Цим пояснюється існування трьох поясів із переважанням низького тиску й чотирьох — з переважанням високого тиску (мал. 17.5). Цей факт — один із чинників утворення вітрів.