В 1638 году герцог Тосканский решил сделать сады Флоренции более живописными, украсив их фонтанами. Для подкачки воды в фонтанах использовались поршневые насосы, аналогичные насосу, известному как насос Герона. Однако возникла проблема: вода не могла подниматься по цилиндрам (трубам) насосов выше 34 футов, то есть примерно 10 метров. Чтобы найти выход из данной ситуации, герцог обратился к известному ученому Галилею, который в то время уже имел репутацию выдающегося физика.
Атмосферное давление в физике
Понимание и знание о понятии атмосферного давления имеют значение для представителей различных профессий, таких как медики, летчики, ученые и полярники, так как оно оказывает существенное влияние на специфику их работы. Атмосферное давление определяет возможность прогнозирования погодных условий. Если наблюдается рост атмосферного давления, это часто предвещает ясную и солнечную погоду. Напротив, понижение давления обычно связано с ухудшением погоды: повышением облачности и различными осадками, которые могут проявляться в виде дождя, снега или града.
Атмосферное давление представляет собой силу, которая действует на поверхность. Говоря проще, в каждой точке атмосферы давление определяется массой воздушного столба, находящегося непосредственно выше данной точки, с основанием, равным единице площади.
Единицей измерения атмосферного давления является Паскаль (Па), что соответствует силе в 1 Ньютон (Н), действующей на площадь в 1 м² (1 Па = 1 Н/м²). В метрологии атмосферное давление обычно выражается в гектопаскалях (гПа) с точностью до десятых долей гПа, где 1 гПа равен 100 Паскалям.
Ранее для представления атмосферного давления использовались такие единицы, как миллибар (мбар) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). На всех метеорологических станциях давление измеряется абсолютно, что позволяет создавать приземные синоптические карты, отражающие погодные условия в данный момент времени. Эти величины давления на уровне станции корректируются в соответствие с уровнями моря. Такой подход делает возможным выделение областей с высоким и низким атмосферным давлением, известных как антициклоны и циклоны, а также атмосферные фронты.
Среднее атмосферное давление на уровне моря, полученное при широте 45 градусов и температуре 0 градусов Цельсия, составляет 1013,2 гПа. Это значение принято за стандартное и называется нормальным давлением.
Измерение атмосферного давления
Мы зачастую забываем, что воздух обладает весом. На уровне поверхности Земли плотность воздуха составляет примерно 1,29 кг/м³. Еще в своих исследованиях Галилей подтвердил наличие телесного веса воздуха. Его ученик, Эванджелиста Торричелли, сумел экспериментально показать, что воздух оказывает притяжение и на все телах, находящиеся на земле, что и стало основанием для понятия атмосферного давления.
Формула для расчета давления столба жидкости не позволяет напрямую вычислить атмосферное давление, так как для этого необходимо знать и высоту столба жидкости, и плотность самой жидкости. Однако у атмосферы нет четкой границы, а с повышением высоты происходит уменьшение плотности воздух. Поэтому Эванджелиста Торричелли предложил другой способ определения атмосферного давления.
Он использовал стеклянную трубку длиной около одного метра, запаянную с одного конца, налил в нее ртуть и опустил открытый конец в широкую чашу с ртутью. Небольшое количество ртути вылилось в чашу, но большая ее часть осталась в трубке. Каждый день уровень ртути в трубке слегка колебался. В момент стабильного уровня ртуть генерировала давление, равное весу столба ртути, поскольку в верхней части трубки находился вакуум, ставший известным как торричеллиева пустота.
Из изложенного можно прийти к выводу, что атмосферное давление соответствует давлению ртутного столбца, и, измеряя его высоту в трубке, можно определить атмосферное давление. При увеличении атмосферного давления уровень ртутного столбца в трубке Торричелли поднимается, и наоборот.
Рисунок 1. Измерение атмосферного давления. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
п.2. Эксперименты Отто фон Герике
В 1654 году Отто фон Герике провел в Магдебурге впечатляющий эксперимент, целью которого была демонстрация силы давления воздуха и работа созданного им воздушного насоса.
Вот как сам Герике описывал этот опыт:
«Я изготовил два медных полушария диаметром в три четверти магдебургского локтя. К одному полушарию был прикреплен кран, через который можно было откачать воздух с помощью моего воздушного насоса. К полушариям были прикреплены кольца, в которые продели канаты, прикрепленные к упряжи лошадей. Я велел соединить полушария, чтобы образовалась сфера, и вложить между полушариями кожаное кольцо, пропитанное смесью воска со скипидаром, что обеспечивало герметичность и не допускало воздух внутрь полушарий.»
После того как воздух был полностью выкачан из полушарий, давление окружающего воздуха оказалось настолько велико, что даже 16 лошадей не смогли раздвинуть полушария. Как только я открыл кран и воздух потянулся внутрь полушарий, их можно было легко разъединить руками.
Эксперимент с магдебургскими полушариями стал несомненным доказательством существования атмосферы и вакуума — безвоздушного пространства внутри полушарий.
В 1657 году Герике сконструировал водяной барометр, а в 1660 году с его помощью ему удалось предсказать надвигающуюся бурю за два часа до ее прибытия. В 1663 году он разработал электростатический генератор и глубоко изучал свойства электричества, в том числе отталкивание однополярно заряженных объектов. Будучи сторонником гелиоцентрической модели, Герике также занимался астрономией.
Отто фон Герике стал выдающимся ученым, инженером и мыслителем своей эпохи, подчеркивая важность эксперимента для формирования научного знания.
Отто фон Герике (1602-1686),
немецкий физик, инженер и философ
п.3. Как взвесить воздух в школьной лаборатории?
Эксперименты Торричелли и Герике являются убедительными доказательствами того, что воздух обладает весом.
В школьной лаборатории, используя простые инструменты, можно также провести эксперимент по взвешиванию воздуха. Для этого потребуется:
1) прочная стеклянная колба; 2) пробка с трубкой и зажимом; 3) насос; 4) весы.
 Закрываем колбу пробкой и уравновешиваем ее на весах при помощи гирь. |
 С помощью насоса откачиваем воздух из колбы. |
 Снова взвешиваем колбу. Теперь равновесие нарушено. |
Вывод: Отклонение стрелки весов показывает масу откачанного воздуха.
Измерение атмосферного давления с помощью термогигрометра
Атмосферное давление можно измерять не только с помощью различных типов барометров, но и используя универсальные цифровые устройства, такие как термогигрометры. Эти устройства, несмотря на то, что их основная функция заключается в измерении относительной влажности и температуры, также эффективно справляются с определением атмосферного давления, обеспечивая высокую точность измерений. Следовательно, приобретение таких многофункциональных приборов является более экономичным решением, чем использование устаревших барометров и психрометров.
Компания АО ЭКСИС предлагает широкий ассортимент электронных измерителей давления и других высококачественных контрольно-измерительных приборов по доступным ценам.
В частности, в нашей компании доступны следующие модели термогигрометров:
- Термогигрометр ИВТМ-7 М 2-Д-В. Этот прибор, помимо измерения и регистрации температуры и относительной влажности воздуха и других неагрессивных газов, также измеряет атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба и гектопаскалях. Он может регистрировать данные в энергонезависимой памяти и пересчитывать результаты измерений в различные единицы (например, процент относительной влажности или грамм на кубический метр), осуществляя одновременную индикацию измеряемых значений. Модель ИВТМ-7 М 2-Д-В обладает высокой степенью защиты от пыли и влаги (IP65), что позволяет использовать ее в помещениях с повышенной влажностью.
- Термогигрометр ИВТМ-7 К-1. Данный прибор измеряет атмосферное давление в кПа, может пересчитывать значения различных единиц влажности, а также осуществлять одновременную индикацию результатов измерений и регистрацию данных на microSD. Также возможно подключение различных типов первичных преобразователей.
- Термогигрометр ИВТМ-7 Р-03-И-Д. Этот прибор оснащен жидкокристаллическим индикатором, предназначенным для визуального контроля значений относительной влажности, температуры и атмосферного давления. Он отличается компактными размерами и эргономичным дизайном.
- Термогигрометр ИВТМ-7 М 6-Д (в эргономичном корпусе). Этот прибор измеряет атмосферное давление в кПа, может регистрировать данные на энергонезависимой памяти, пересчитывать результаты измерений в разные единицы измерения и осуществлять одновременную индикацию значений. Имеет эргономичный корпус и большой удобный дисплей.
- Термогигрометр ИВТМ-7 М 3-Д-В. Этот прибор, как и другие модели, способен измерять и регистрировать температуру воздуха и относительную влажность, а также атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба и гPa. Он регистрирует данные в энергонезависимой памяти и способен пересчитывать результаты измерений, функционируя как составная часть измерительной сети. Его степень защиты от влаги и пыли составляет IP65, что делает устройство подходящим для использования в помещениях с повышенной влажностью.
- Термогигрометр ИВТМ-7 М 6-Д. Этот прибор также измеряет атмосферное давление в кПа, может регистрировать данные на энергонезависимой памяти (microSD) и пересчитывать результаты измерений в различные единицы, обеспечивая одновременную индикацию значений.
Все модели термогигрометров оснащены интерфейсами для связи с компьютером через USB и RS-232, а также имеют возможность крепления на стену.
Как измерить давление с помощью телефона
К счастью, в наше время для измерения атмосферного давления нет необходимости приобретать дорогостоящие приборы. Все необходимые инструменты уже находятся в вашем смартфоне, при условии, что телефон оснащен соответствующим датчиком.
Эти датчики, известные как MEMS барометры, представляют собой миниатюрные версии анероидного барометра. Они содержат герметично закрытую коробочку с вакуумом, в которую встроена гибкая мембрана. В зависимости от изменения внешнего атмосферного давления эта мембрана может изгибаться внутрь или наружу. Вместо пружинной системы для обеспечения точности работы мембраны на ней находятся тензорезисторы, которые, деформируясь, изменяют свое сопротивление и, соответственно, воздействуют на электрическое напряжение.
Смартфон распознает изменения напряжения благодаря встроенным датчикам, регистрирует их и переводит в понятный для пользователя формат, отображая значение на экране.
Как узнать, есть ли в телефоне барометр?
Барометрический датчик установлен во всех устройствах Apple, начиная с iPhone 6 и выше. Для владельцев телефонов на платформе Android узнать о наличии барометра можно либо в характеристиках устройства, либо с помощью специальных приложений, предоставляющих расширенную информацию о смартфоне:
После этого вам нужно будет установить одно из приложений, позволяющих отображать значение атмосферного давления на экране телефона. Среди популярных приложений в Google Play с хорошими отзывами мы рекомендуем:
Даже если в вашем устройстве нет датчика давления, не следует расстраиваться. Почти все приложения поддерживают отображение атмосферного давления, основываясь на координатах GPS вашего местоположения. Однако в таком случае нужно быть готовым к определенной погрешности в показаниях.
Это тоже может быть интересно:
Доказательство Герике
Доказательство существования атмосферного давления было проведено в 1654 году физиком Отто Герике из Магдебурга. Он плотно соединил два медных полушария и откачал воздух из образовавшейся сферы, устроив внутренний вакуум с низким давлением. Внешнее атмосферное давление обрушилось на сферу с большой силой, заставляя её держаться крепко между собой. Сила этого давления оказалась настолько великой, что 16 лошадей не смогли раздвинуть полушария. Как только в сферу снова поступил воздух, внутреннее и внешнее давление были уравновешены и полушария разделились.
Развитие идеи
Открытие атмосферного давления и установление факта о том, что воздух имеет вес, что позднее демонстрировал Галилей, не сразу было понято учеными, которые долгое время считали пустоту чем-то страшным. Потребовалось немало экспериментальных подтверждений для демонстрации наличия атмосферного давления. Французский ученый Блез Паскаль, опираясь на теории итальянских коллег о том, что атмосферное давление уравновешивается весом столба жидкости в трубке, на практике продемонстрировал, что высота столба потенциала различна на разных высотах над уровнем моря. На вершине горы Пиедь-де-Дом уровень ртути в ртутном барометре оказался ниже, чем на ее подножии, так как на высоте меньше толщины атмосферы и, соответсвенно, меньше давления на ртуть.
В честь Паскаля была названа единица измерения давления: 1 Па = 0,0075 мм рт. ст. Пр продолжении своих исследований Герике сконструировал в 1661 году манометр, устройство, предназначенное для измерения давления жидкостей и газов. В 1843 году был изобретен анероид — механический барометр с вакуумным цилиндром и гибкой мембраной, которая под воздействием изменений давления либо вдавливается, либо расправляется, обеспечивая движение стрелки, указывающей на величину давления на шкале. Таким образом, атмосферное давление и его исследование играли и продолжают играть ключевую роль в развитии физических и метеорологических научных изысканий.
