Барометры подразделяются на две основные группы: механические и электронные. Знание о том, кто изобрел барометр простейшего типа, важно, но также стоит учитывать разницу между доступными вариантами. В 21-м веке производители продолжают разрабатывать усовершенствованные модели, которые отличаются высоким уровнем функциональности.
Ртутные барометры: устройство и принцип работы
Барометр представляет собой специальный прибор, предназначенный для измерения атмосферного давления. Эти устройства могут быть жидкостными, механическими или электронными. К механическим вариантам относится барометр-анероид. Слово «анероид» происходит от греческого языка и означает «без жидкости». Ртутный барометр – это прибор, в котором давление атмосферы определяется высотой столбика ртути в трубке, верхняя часть которой запаяна, а открытый конец помещен в резервуар с ртутью.
Кто изобрел?
Считается, что ртутный барометр был сконструирован в 1644 году молодым итальянским физиком и математиком Эванджелистой Торричелли. Он был учеником великого учёного Галилео Галилея и внёс значительный вклад в такие науки, как математика, механика, гидравлика и оптика. Однако в историю физики он вошел как тот, кто впервые продемонстрировал наличие атмосферного давления и создал первый в мире барометр.
До середины 17 века существовало общее мнение, основанное на учениях древнегреческого философа Аристотеля, что жидкость в насосах поднимается за поршнем благодаря тому, что природа не переносит пустоты. Но во время возведения фонтанов в Флоренции обнаружилось, что вода в насосах не может подняться выше 33-34 футов. Архитекторы обратились за помощью к Галилею, который поручил разобраться с проблемой своим ученикам, включая Вивиани и Торричелли. Они осознали, что высота, до которой может подняться жидкость, зависит от ее плотности.
В 1643 году Эванджелиста Торричелли, проводя эксперименты, пришел к выводу, что в пространстве трубки запаянной ртутью присутствует вакуум, а жидкость не возвращается в резервуар, потому что атмосферный воздух давит на ее поверхность, что указывает на наличие у него веса.
Изобретённый Торричелли ртутный барометр (наряду с другими его открытиями) был описан в его труде Opera geometrica.
История изобретения
История барометра начинается с итальянского учёного Эванджелисты Торричелли, который в 1643 году впервые продемонстрировал его принцип действия. Проведя эксперимент с ртутью, он наполнил стеклянную трубку ртутью и перевернул её в чаше с ртутью, заметив, что уровень ртути в трубке снижается, оставляя пустое пространство в верхней части, которое с тех пор стало известно как торричеллиева пустота.
Торричелли обнаружил, что высота столба ртути изменяется в зависимости от атмосферного давления, что позволяет использовать это отношение для прогнозирования погоды. Это было первое количественное измерение атмосферного давления, ставшее основой метеорологии как науки.
С тех пор барометры претерпели значительные изменения и усовершенствования. В 1660-х годах Блез Паскаль и Пьер Пети использовали барометры для изучения атмосферного давления и его изменений с высотой, что привело к разработке барометрической формулы, связывающей давление с высотой.
В 19 веке появились анероидные барометры, которые заменили ртутный столбик на металлическую коробочку, чувствительную к изменениям давления. Эти устройства оказались более портативными и безопасными в использовании.
Современные электронные барометры используют различные технологии для измерения атмосферного давления, включая пьезорезистивные и емкостные датчики, и являются важным инструментом в метеорологии, авиации и многих других областях.
Виды барометров
Существует множество типов барометров, включая ртутные, анероидные и цифровые, каждый из которых имеет свои уникальные характеристики и области применения. Ниже приведено подробнее описание их конструкции, принципа работы, характеристик, преимуществ и недостатков:
Ртутный барометр
Этот прибор предназначен для измерения атмосферного давления с использованием ртути в качестве рабочей жидкости. Вот детальное описание его характеристик, конструкции и принципа работы, а также плюсы и минусы:
Строение и принцип работы:
Ртутный барометр состоит из длинной стеклянной трубки, заполненной ртутью, и перевернутой в резервуар с ртутью. Верхняя часть трубки является вакуумной, что позволяет столбику ртути подниматься или опускаться в зависимости от изменения атмосферного давления. Высота столба ртути измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) или в гектопаскалях (гПа).
Характеристики:
- Диапазон измерений: обычно от 300 до 1100 гПа.
- Точность: высокая, благодаря простоте конструкции и отсутствию механических деталей, подверженных износу.
Преимущества:
- Высокая точность и надёжность измерения.
- Долговечность из-за отсутствия движущихся частей.
- Простота конструкции, что облегчает понимание принципа работы.
Недостатки:
- Хрупкость: стеклянная трубка может легко разбиться.
- Токсичность: ртуть является опасным ядовитым веществом, и при повреждении трубки может возникнуть риск для здоровья.
- Неудобство транспортировки: из-за наличия ртути и возможного её пролива.
- Чувствительность к температуре: результаты измерений могут изменяться под влиянием колебаний температуры окружающей среды.
Несмотря на свои недостатки, ртутные барометры по-прежнему ценятся за их точность и простоту конструкции.
Анероидный барометр
Этот прибор измеряет атмосферное давление без применения жидкости. Вот подробное описание:
Строение и принцип работы:
Анероидный барометр состоит из металлической коробочки, называемой анероидной ячейкой, которая частично вакуумирована и герметично закрыта. При изменении атмосферного давления стенки ячейки сжимаются или расширяются, что приводит к перемещению индикатора по шкале. Это движение передается через механизмы рычагов и пружин на стрелку, которая отображает давление на циферблате.
Характеристики:
- Диапазон измерений: обычно от 950 до 1050 гПа.
- Точность: может варьироваться, но современные анероидные барометры достаточно точны для большинства практических задач.
Преимущества:
- Отсутствие жидкости: не требует использования ртути или других жидкостей, что делает его более безопасным и удобным в использовании.
- Портативность: легче и удобнее для транспортировки по сравнению с ртутными барометрами.
- Устойчивость к температуре: менее чувствителен к изменениям температуры по сравнению с ртутными барометрами.
Сифонный барометр
Сифонный барометр включает трубку с закрытым концом, тогда как сифонно-чашечный барометр состоит из двух трубок: одна из них открыта, а другая закрыта, дополнительно имеется чаша. Показания давления воздуха в них устанавливаются путём определения разности уровней столбиков жидкости в первой и второй трубках.
Ртутный барометр
Ртутный барометр состоит из двух сообщающихся сосудов, заполненных ртутью. Верхняя часть одной из стеклянных трубок, длина которой составляет около 90 см, закрыта, и воздух внутри неё отсутствует. В зависимости от изменения давления ртуть под действием атмосферного воздуха поднимается или опускается в стеклянной трубке, а поплавок фиксирует уровень ртути и останавливается на отметке, указывающей её высоту в миллиметрах. Нормой считается уровень ртути на отметке 760 мм рт. ст. Показания выше этого значения указывают на повышение давления, а ниже – на его понижение. Барометры данного типа практически не применяются в повседневной жизни, так как ртуть является ядовитым веществом, а конструкция прибора массивна и требует аккуратного обращения. Поэтому они используются в основном в лабораторных условиях, на научных метеорологических станциях и в промышленности, где требуется высокая точность измерений.
Советы по настройке барометра
Настройка барометра является обязательной. Вот несколько советов по этому процессу:
- Сначала нужно узнать точный показатель атмосферного давления.
- Затем используйте регулировочный винт, который расположен на задней панели прибора.
- С помощью отвертки установите основную стрелку на величину атмосферного давления. В некоторых случаях регулировочный винт не позволяет делать такие настройки, и тогда необходимо осторожно изменить положение шкалы.
- При необходимости внесите поправки в показания барометра. Для этого следуйте инструкции по эксплуатации прибора.
Настройка обязательна перед началом работы с устройством. Затем рекомендуется снимать данные два раза в день в одинаковое время. Если наблюдаются нестабильные погодные условия, показания следует снимать чаще, примерно каждые два часа. Перед тем как узнать показания, желательно постучать пальцем по стеклу, чтобы уменьшить трение в системе привода стрелки и зафиксировать точные данные.
Особенности трактовки данных
Барометр измеряет уровень атмосферного давления. Снижение значений зачастую предвещает ухудшение погоды, в то время как повышение – к улучшению. Также важно учитывать динамику изменений:
- Если атмосферное давление постепенно снижается, это может указывать на то, что через 6-12 часов погода станет ненастной и ветреной.
- Если давление резко падает, то через несколько часов вероятно начнется гроза или шторм.
- Стабилизация уровня атмосферного давления чаще всего предвещает прекращение дождя, ослабление ветров и улучшение климатических условий.
Зимой высокое атмосферное давление свидетельствует о заморозках, тогда как низкое – о потеплении и дожде. Летом, наоборот, повышение давления предвещает жаркую погоду, а понижение – прохладу и ненастья. Под стабильной погодой подразумеваются условия, при которых в 10 и 22 часа наблюдается максимум, а в 4 и 16 часов – минимум давления.
Использование барометров по-прежнему имеет важное значение для людей. Современные барометры позволяют быстро и легко узнать текущие погодные условия.
Манометры
В некоторых ситуациях нужно знать не атмосферное давление, а так называемое относительное давление, которое является разницей между атмосферным давлением и давлением внутри определенного сосуда. Для этой цели используются специальные приборы, именуемые манометрами.
Рассмотрим устройство жидкостного манометра. Он состоит из стеклянной U-образной трубки, заполненной жидкостью (чаще всего водой). Правое колено этой трубки открыто к атмосфере, а с помощью шланга к манометру присоединён сосуд, который тоже изначально сообщается с атмосферой. При этом уровень воды в манометре находится на отметке 0 см. Затем, откачивая воздух насосом, мы уменьшаем давление внутри сосуда. Вода в манометре смещается в левую часть, и разница уровней воды в коленах позволяет судить о том, насколько давление в левом колене (что представляет собой давление в сосуде) ниже атмосферного. Например, если на рисунке 5 разница уровней составляет 40 см, мы можем заключить, что давление в сосуде ниже атмосферного на 40 сантиметров водяного столба (см вод. ст.).
Рис. 5. Жидкостный манометр
Переведём 40 см водяного столба в паскали, используя известную формулу для расчёта давления на дно и стенки сосуда:
Применение жидкостных манометров не всегда удобно. Для того чтобы получить давление, следует переводить сантиметры водяного столба в паскали, а также учитывая, что такие манометры могут быть неэффективными в условиях тряски (например, в транспорте). Поэтому на практике получили широкое распространение деформационные металлические манометры, на шкале которых сразу отображаются значения давления в паскалях (точнее, строго говоря, превышение давления над атмосферным).
Основной принцип работы металлического деформационного манометра заключается, как уже упоминалось, в деформации металлической дугообразной трубки. Внутри трубки находится газ, давление которого необходимо измерить. С помощью системы тяг движение трубки передаётся стрелке (см. рис. 6), которая вращается на оси. Конец стрелки перемещается по шкале. Трубка, стрелка и шкала помещены в закрытый корпус, защищённый стеклом.
При увеличении давления газа внутри трубки она немного распрямляется, её концы начинают удаляться друг от друга, и это движение с помощью тяг передаётся стрелке, которая сдвигается вправо по шкале. При уменьшающемся давлении стрелка смещается в обратном направлении под воздействием упругих сил в трубке.
Рис. 6. Металлический манометр
Заключение
В заключение следует подчеркнуть, что атмосферное давление измеряется с помощью барометров — анероидов, в то время как давление, превышающее или меньшее атмосферного уровня, измеряется с помощью манометров различной конструкции.
Список литературы
- Перышкин А. В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
- Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7–9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М.: Издательство Экзамен, 2010.
- Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (Источник)
Домашнее задание
- Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов №570, 572, 574, 576, 577, 599, 600, 601.
