Фізика. Повторне видання. 7 клас. Засєкіна

§ 18. Досліджуємо атмосферний тиск

• Який тиск чинить на тебе атмосфера?

ДОСЛІДЖУЙ

Спрогнозуй, що відбуватиметься, якщо наповнену до половини водою склянку накрити аркушем паперу і, притримуючи долонею папір, перевернути. Що відбуватиметься, якщо відпустити долоню? На малюнку 18.1 — правда чи фейк? Перевір. Підготуй додаткові заходи для проведення досліду (широку миску, відро тощо). Поясни результати.

Мал. 18.1

ДІЗНАВАЙСЯ

У чому особливість атмосферного тиску? Атмосфера (atmosphere) — це газова оболонка Землі. Суміш газів у нижньому шарі атмосфери називають повітрям (air). На відміну від газів, що містяться в балонах, повітря не обмежене стінками посудини.

Чому ж повітря не поширюється в космос?

За підрахунками, атмосфера Землі має масу близько 5 • 1018 кг. Планета притягує атмосферу завдяки земному тяжінню.

Чому тоді внаслідок земного тяжіння все повітря не притиснулося до поверхні Землі щільним-щільним шаром?

Молекули газів перебувають у постійному русі, вдаряються, змінюють напрямок. Спільна дія притягання та хаотичного руху й утримують атмосферу навколо Землі.

Ще одна особливість атмосфери — вона неоднорідна. На відмінну від газів у балонах, молекули яких рівномірно розподіляються в усьому об’ємі, з висотою атмосфера стає розрідженою, її густина зменшується.

На висоті 5 км густина повітря майже в 2 рази менша, ніж біля поверхні Землі.

Ти вже знаєш, що густина газів залежить від температури. Земна поверхня, від якої нагрівається повітря, прогрівається нерівномірно, що зумовлює виникнення в атмосфері Землі області з високим і низьким тиском.

Як вимірюють атмосферний тиск? Під дією земного тяжіння верхні шари атмосфери тиснуть на її нижні шари. Дослідження дали змогу обчислити тиск атмосферного повітря: на поверхню площею 1 м2 атмосфера тисне із силою 105 Н, тобто тиск атмосфери становить 105 Па. За законом Паскаля атмосферний тиск, створений усіма шарами повітря, біля поверхні Землі передається однаково в усіх напрямках. Ти мав / мала змогу в цьому переконатися, виконуючи дослід.

Виміряти атмосферний тиск можна за допомогою способу, запропонованого в XVII ст. італійським ученим Еванджеліста Торрічеллі (мал. 18.2). Скляну трубку завдовжки близько 1 м, запаяну з одного кінця, наповнюють ртуттю. Потім, щільно закривши другий кінець трубки, її перевертають, опускають у чашку з ртуттю і під ртуттю відкривають кінець трубки. Частина ртуті виливається в чашку, а частина залишається в трубці. Висота стовпчика ртуті, яка залишилася у трубці, дорівнює приблизно 760 мм. У трубці над ртуттю повітря немає, там безповітряний простір.

Мал. 18.2

Торрічеллі, який запропонував описаний вище дослід, сам і пояснив його. Атмосфера тисне на поверхню ртуті в чашці. Створений стовпчик ртуті тиск врівноважується атмосферним тиском, який не дає ртуті виливатися. Якби тиск стовпчика ртуті був більшим за атмосферний тиск, то ртуть виливалася б із трубки в чашку, а якщо меншим, то ртуть піднімалася б у трубці вгору.

Звідси випливає, що атмосферний тиск дорівнює тиску стовпчика ртуті в трубці. Вимірявши висоту стовпчика ртуті, можна обчислити тиск, який чинить ртуть, — він і дорівнюватиме атмосферному тиску. Тому на практиці атмосферний тиск вимірюють висотою ртутного стовпчика (у міліметрах або сантиметрах). Якщо, наприклад, атмосферний тиск дорівнює 780 мм рт. ст., то це означає, що повітря чинить такий самий тиск, як і вертикальний стовпчик ртуті заввишки 780 мм. Отже, у цьому випадку за одиницю атмосферного тиску взято 1 мм ртутного стовпчика (1 мм рт. ст.). Визначивши тиск ртутного стовпчика висотою 1 мм за формулою р = ρgh, отримуємо

1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па

Спостерігаючи щодня за висотою ртутного стовпчика в трубці, Торрічеллі встановив, що ця висота змінюється, тобто атмосферний тиск не сталий, він може збільшуватися і зменшуватися. Торрічеллі помітив також, що зміни атмосферного тиску якось пов’язані зі зміною погоди.

Нормальним атмосферним тиском вважається тиск 760 мм рт. ст.

На початку параграфа ми вказали, що густина атмосфери зменшується з висотою. Зрозуміло, що атмосферний тиск також зменшується з висотою підйому (мал. 18.3).

Мал. 18.3

Чому ж ми не відчуваємо дії атмосферного тиску? Річ у тому, що всередині нашого організму також є повітря. І воно знаходиться під таким самим тиском. Тобто, тиск повітря усередині врівноважує тиск на організм ззовні. Тому тканини організму не деформуються і атмосферний тиск не відчувається. Якщо ж зовнішній атмосферний тиск змінюється, людина відчуває певний дискомфорт.

Які ще є прилади для вимірювання атмосферного тиску? Прикріпивши до трубки з ртуттю з досліду Торрічеллі вертикальну шкалу, отримують найпростіший ртутний барометр (грец. барос — «вага», метрео — «вимірюю») — прилад для вимірювання атмосферного тиску. Ртутний барометр є досить чутливим і точним приладом, проте користуватися ним трохи незручно. Тому в техніці й побуті значного поширення набули металеві барометри — анероїди, що означає «безрідинні».

Головна складова такого барометра — металева коробочка 1 із хвилястою (гофрованою) поверхнею (мал. 18.4, а). Із цієї коробочки відкачано повітря, а щоб атмосферний тиск її не розчавив, пружина 2 відтягує кришку коробочки вгору. Коли атмосферний тиск збільшується, кришка прогинається вниз і натягує пружину. Зі зменшенням атмосферного тиску пружина випрямляє кришку. До пружини за допомогою передавального механізму З прикріплено стрілку-покажчик 4, яка від зміни тиску рухається праворуч або ліворуч. Під стрілкою закріплено шкалу, поділки якої нанесено за показаннями ртутного барометра. Зовнішній вигляд барометра-анероїда зображено на малюнку 18.4, б.

Мал. 18.4

Знаючи залежність тиску від висоти, можна за зміною показань барометра визначити висоту над рівнем моря. Анероїди, що мають шкалу, за якою безпосередньо можна визначити висоту, називають висотомірами. Їх застосовують в авіації та під час сходжень у гори.

Як працюють насоси? Поршневий рідинний насос схематично зображено на малюнку 18.5. Основна його частина — циліндр, усередині якого рухається вгору і вниз поршень 1, що щільно прилягає до стінок. У нижній частині циліндра і в самому поршні встановлено клапани 2, які рухаються під тиском води. Коли поршень рухається вгору, вода під дією атмосферного тиску входить у трубу, піднімає нижній клапан і рухається за поршнем.

Мал. 18.5

Коли поршень рухається вниз, вода під ним тисне на нижній клапан, і він закривається. Одночасно під тиском води відкривається клапан усередині поршня, і вода переходить у простір над поршнем. Під час подальшого руху поршня вгору вода, що є над поршнем, також піднімається разом із ним і виливається у відвідну трубу. Одночасно за поршнем піднімається нова порція води, яка у разі наступного опускання поршня буде вже над ним і т. д.

Рідинний поршневий насос підіймає воду з глибини не більше 10 м. Таке обмеження пояснюється тим, що нормальний атмосферний тиск урівноважується стовпом води заввишки 10,336 м.

ДУМАЙ

1. Унаслідок чого створюється атмосферний тиск? Наведи приклади, які підтверджують існування атмосферного тиску.

2. Чому не можна вирахувати тиск повітря так само, як визначають тиск рідини на дно або стінки посудини?

3. У яких випадках важливо знати величину атмосферного тиску або характер його зміни?

4. У пластмасовій пляшці зробили невеликі отвори. Якщо пляшка закрита, рідина з отворів практично не витікає. Чому ж вона починає витікати, якщо відкрити пляшку (мал. 18.6)?

Мал. 18.6

5. Чому піняться «шипучі» напої, якщо різко відкоркувати пляшку?

6. Чому в рідинних барометрах використовують ртуть, а не воду? Якої довжини трубку треба взяти для такого барометра?

7. Поясни, чому важко пити з пляшки, якщо щільно охопити її горлечко губами.

8. На малюнку 18.7 зображено модель барометра-анероїда. Куди пересуватиметься кінець стрілки у разі підвищення чи зниження атмосферного тиску?

Мал. 18.7

ДІЙ

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Запиши показники барометрів (мал. 18.8).

Мал. 18.8

2. Визнач силу, з якою тисне повітря в кімнаті на стелю площею 20 м2. Атмосферний тиск — 100 000 Па.

3. Обчисли атмосферний тиск на даху хмарочоса, якщо біля його підніжжя барометр показує 760 мм рт. ст. Висота хмарочоса становить 250 м, температура повітря — 0 °C.

4. Барометр перенесли із дна шахти на поверхню, зафіксувавши зміну тиску від 770 до 746 мм рт. ст. Якою (приблизно) є глибина шахти?

5. Біля підніжжя гори барометр показував 754 мм рт. ст., а на вершині — 724 мм рт. ст. Яка висота гори?

6. Визнач приблизну масу земної атмосфери, беручи для обчислень нормальний атмосферний тиск і радіус Землі. (Пригадай або відшукай формули, за якими обчислюється об’єм кулі та площа сфери.)

7. У 1733 році священник Хейлс виміряв артеріальний тиск крові коня за допомогою вертикальної трубки, з’єднаної зі стегновою артерією. Трубка наповнилася кров’ю до висоти 2 м. Який результат отримав священник? (Густина крові — 1030 кг/м3.)

8. На скільки мм рт. ст. артеріальний тиск крові жирафа на рівні серця більший, ніж на рівні голови, якщо його зріст 5,5 м, а серце розташовано на висоті 2,5 м? (Густина крові — 1050 кг/м3.)

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Знайди в додаткових джерелах описи цікавих дослідів, що доводять існування атмосферного тиску, і виконай деякі з них. Обміняйся з однокласниками й однокласницями цікавими дослідами та досвідом їх виконання.