Атмосферное давление

На каждый квадратный метр твоего стола воздух давит с силой около 100 000 ньютонов — как грузовик массой 10 тонн. Но стол не ломается, и ты чувствуешь себя нормально. Разгадка в том, что давление действует со всех сторон, и внутри твоего тела оно выравнивается снаружи. Всё, что нужно знать про атмосферное давление, изобрели в XVII веке из одного странного факта: насос не мог поднять воду выше 10 метров.

Вес воздуха и опыт Торричелли

Атмосфера — это «воздушный океан» толщиной в сотни километров. Он не бездонный, поэтому имеет вес, и этот вес давит на всё на Земле. Первым точно измерил его итальянец Еванджелиста Торричелли в 1643 году. Он взял стеклянную трубку длиной метр, заполнил ртутью, зажал пальцем и опрокинул в чашу. Ртуть опустилась не до конца — столб остановился на высоте 760 миллиметров. Над ртутью в трубке остался вакуум (торричеллиева пустота). Ртуть удерживает давление атмосферы: 760 мм рт. ст. — нормальное атмосферное давление.

Сколько весит воздух

Воздух кажется невесомым только потому, что мы окружены им с рождения. На самом деле кубометр воздуха у поверхности весит около 1,3 килограмма: комната площадью 15 м² с потолками три метра вмещает почти 60 килограммов воздуха — как взрослый человек, только невидимый. Герике первым доказал, что воздух имеет вес: он взвешивал стеклянный шар до и после откачки, и весы показывали разницу. Масса всей атмосферы — около 5,1 квинтиллиона килограммов, то есть по десять тонн воздуха на каждый квадратный метр планеты.

Почему насос не поднимает воду выше 10 метров

Загадка, из которой выросла вся тема. Флорентийские мастера в XVII веке качали воду фонтанов и не могли понять: почему вода по всасывающей трубе не поднимается выше 10 метров, сколько ни улучшай насос. Галилей ответа не нашёл, а его ученик Торричелли догадался: воду толкает не «страх пустоты», о котором писали древние, а вес атмосферы. Столб воды поднимается, растёт его собственное давление, и на высоте 10 метров оно сравнивается с атмосферным — выше вода не лезет.

Посчитаем. Ртуть в 13,6 раза плотнее воды, поэтому водяной столб, уравновешивающий ту же атмосферу, в 13,6 раза выше ртутного: 0,76 м × 13,6 ≈ 10,3 м. Всасывающий насос не поднимет воду выше — никаким поршнем. Поэтому из глубоких колодцев воду качают погружными насосами: они стоят на дне и толкают воду снизу, а не тянут сверху.

Магдебургские полушария

Самый громкий опыт в истории атмосферного давления устроил в 1654 году бургомистр Магдебурга Отто фон Герике. Он свёл два медных полушария, выкачал изнутри воздух — и две упряжки по восемь лошадей, тянувшие в противоположные стороны, не смогли их разорвать. Снаружи на медь давила вся атмосфера, а изнутри противостоять ей было нечему. Стоило открыть кран и впустить воздух — полушария разъединились руками, безо всяких лошадей.

Атмосферное давление легко проверить самому. Переверни стакан с водой, накрыв его листом бумаги, — лист не падает: снизу давит атмосфера, а сверху только тонкий столб воды в стакане. Тот же механизм затягивает яйцо в бутылку, когда воздух внутри неё остывает: давление в бутылке падает, и атмосфера продавливает яйцо внутрь.

Барометры и где это видно

Ртутный барометр Торричелли точен, но громоздок и опасен (ртуть ядовита). В доме работает барометр-анероид: гофрированная металлическая коробочка, из которой откачан воздух. При росте давления коробочка сжимается, при падении — распрямляется, и стрелка через систему рычагов показывает изменение. Именно так работает домашний барометр и высотомер в самолёте: чем выше поднимаемся, тем меньше столб воздуха над нами, тем ниже давление — примерно на 1 мм рт. ст. каждые 12 метров.

Атмосферное давление объясняет пипетку, присоску и резиновую присоску: когда мы сжимаем, воздух выталкивается, а упругость расправляет резину, давление внутри падает — и атмосфера вдавливает жидкость. Тот же механизм держит на стене присоску и позволяет пить через соломинку: не «втягиваешь» напиток, а создаёшь разрежение, которое атмосфера закрывает, толкая жидкость вверх.

Как давление падает с высотой

Правило «12 метров — 1 мм рт. ст.» — уличное, оно работает только у поверхности Земли. Воздух с высотой разрежается, и каждый следующий миллиметр растягивается на большее число метров. Уже на высоте 5,5 км давление вдвое меньше нормального, а на вершине Джомолунгмы (8848 м) — около 250 мм рт. ст., почти треть нормы. Поэтому альпинисты на больших высотах идут с кислородными баллонами, а кабины самолётов на высоте 10 км герметизируют: внутри салона поддерживают давление, как на высоте примерно 2,5 км. Спускаешься — картина обратная: давление растёт, и уши это слышат.

Барометр как предсказатель погоды

Давление у поверхности дышит от 730 до 770 мм рт. ст. Циклон несёт низкое давление, облака и осадки, антициклон — высокое и ясную погоду. Ртутный барометр упал за сутки на несколько миллиметров — собирай зонт; поднялся — ждёт ясный день. Колебания малы на вид, но метеочувствительные люди их чувствуют: даже разница в 20 мм рт. ст. — это больше двухсот килограммов нагрузки на каждый квадратный метр.

• Шприц и пипетка: поршень создаёт разрежение, и атмосфера вдавливает жидкость внутрь
• Пылесос: крыльчатка откачивает воздух из насадки, и атмосфера загоняет пыль в трубу
• Присоска на кафеле: под ней почти нет воздуха, прижимает её вся атмосфера
• Поилка для птиц: перевёрнутая банка не выливается — вакуум над водой держит столб
• Высотомер в самолёте: по падению давления прибор вычисляет высоту полёта

Атмосфера#

воздушная оболочка Земли, удерживаемая тяготением; её вес давит на всё у поверхности

Нормальное атмосферное давление#

760 мм рт. ст., или 101 325 Па ≈ 101,3 кПа

Барометр#

прибор для измерения атмосферного давления: ртутный или безжидкостный анероид

Торричеллиева пустота#

вакуум над столбом ртути в опыте Торричелли

Миллиметр ртутного столба#

внесистемная единица давления; 1 мм рт. ст. ≈ 133 Па

Высотомер#

прибор, вычисляющий высоту по падению атмосферного давления

Как это спрашивают на контрольной

Два типовых шаблона закрывают почти все задачи темы. Первый — перевод единиц: показания барометра в мм рт. ст. умножь на 133 и получишь паскали. Второй — высота: разницу показаний умножь на 12 метров. Если в задаче фигурирует столб жидкости, подключай формулу давления столба из прошлых уроков: p = ρgh, где ρ — плотность жидкости, h — её высота. И следи, что спрашивают: давление, высота или сила — три разных ответа из одних и тех же чисел.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема