GSA. Давление воздуха
Давление воздуха
Как вы думаете, рыба, плавая в океане, замечает, что вокруг неё вода? А собака ощущает, что ходит по дну воздушного океана? Привычка притупляет наблюдательность. Рыба, которая родилась в воде и провела в ней всю свою жизнь, без сомнения, не замечает воды и не ощущает давления, вызванного её весом. Так же, как пес, конечно же, не обращает внимания на воздух вокруг себя и не чувствует его давления на свое тело. Мы тоже не заметили бы этого, если только не услышали бы от кого-нибудь или не прочитали в книгах. Что-то должно произойти, чтобы мы обратили внимание на воздух. Или он начинает быстро двигаться, и ветер дует нам в лицо, или в нем образуется хорошо видимое облако. Но самый наглядный способ убедиться в наличии воздуха - увидеть, как он давит на находящиеся в нем предметы.
Возьмите пластмассовый стакан или другой сосуд и полностью погрузите его в воду в ванне. Подождем, пока стакан заполнится водой и перевернем его вверх дном. Медленно начнем вытаскивать его из воды. Смотрите! Вода поднимается вместе со стаканом, и уровень ее намного выше, чем уровень воды в ванной. Казалось бы, воду в стакане ничто не поддерживает. Но это, конечно, не так, иначе бы она упала. Что же это за сила, поднимающая воду? На несколько сотен километров вверх простирается над нами океан воздуха. Хотя воздух нам кажется совершенно невесомым, он оказывает значительное давление на поверхности Земли на каждый квадратный сантиметр. Ваша ванна, конечно, не исключение, воздух давит на поверхность воды в ней так же, как и на всё остальное вокруг.
Когда мы начинаем вытаскивать перевернутый вверх дном стакан, вода в нем стремится опуститься под действием силы притяжения земли. Однако опуститься она не сможет. Почему?
Чтобы разобраться в этом, представьте, что вода действительно немного опустилась, как показано на рисунке. Что будет в пространстве над штриховой линией А? Естественно, воздуха здесь нет, а значит, и его давления тоже. Другими словами, в стакане на уровне А атмосферное давление на поверхность воды не действует. Теперь посмотрим на стрелки В и С. Они показывают, как действует атмосферное давление на поверхность воды в ванне. Воздух давит на воду, она сжата этим воздухом, а значит, стремится заполнить образовавшееся пустое пространство. В результате, как только вода начинает выливаться из стакана, давление будет гнать ее обратно в пространство над уровнем А, как показано на рисунке стрелками D и Е.
На самом деле вода в стакане никогда не опускается настолько, чтобы это стало заметно, атмосферное давление немедленно возвращает её обратно в стакан и удерживает там, пока мы вытаскиваем его.
Но если вода удерживается атмосферным давлением в стакане высотой 15 см, будет ли она так же удерживаться в сосуде высотой 30 см? А в 60-сантиметровом? 3-метровом? 5-метровом? Если дома у вас отыщется соответствующая посуда, вы убедитесь, что вода удерживается в них. Однако есть предел высоты водяного столба, который может быть удержан таким способом. Вода имеет массу намного большую, чем масса воздуха, если сравнить равные их объёмы. Вода в 800 раз тяжелее, чем воздух такого же объёма. Вода, как и воздух, давит на находящиеся в ней тела. Значит давление столба воды высотой 10 м (а точнее 10 м 33 см) как раз уравновесит атмосферное давление, которое, удерживает воду в сосуде. Таким образом, вы видите, что высота столба воды не может заметно превышать 10 метров.
Представим себе высокий 15-метровый «стакан» (вернее - трубу), перевёрнутый вверх дном, который мы вытаскиваем из воды, как показано на рисунке. Когда закрытая часть «стакана» достигает высоты около 10 м над уровнем воды, жидкость в «стакане» перестанет подниматься. Мы продолжаем поднимать «стакан», но вода внутри него стоит на прежнем уровне. При этом в сосуде выше уровня воды образуется пустое пространство.
Что случится с водой в сосуде, если атмосферное давление в силу каких-либо причин уменьшится? Новое атмосферное давление сможет удержать уже меньший столб воды, уровень воды в «стакане» понизится. А если внешнее давление воздуха увеличится? Оно сможет удержать высоту столба, большую чем 10 м, и вода в сосуде начинает подниматься.
В сущности, мы с вами разобрали принцип действия прибора - барометра, с помощью которого измеряют атмосферное давление. В нашем случае атмосферное давление уравновешивается столбиком воды определенной высоты. Давление воздуха может быть измерено высотой водяного столба, который он в состоянии удержать.
Водяной барометр такого типа был изобретен Отто фон Герике несколько столетий назад. В качестве «стакана» он использовал стеклянную трубу, закрытую в верхнем конце, которую наполнил водой и установил возле своего дома. Труба была опущена в резервуар с водой. Герике поставил барометр так, что уровень верхней части трубы был виден отовсюду жителям городка, и те могли наблюдать, как поплавок на поверхности воды в трубе, отмечавший ее уровень, поднимался и опускался соответственно с изменениями атмосферного давления. Если поплавок в барометре резко падал, горожане уже знали, что давление воздуха падает, и, скорее всего, близится ненастье, а когда поплавок поднимался в трубке, это означало, что хорошая погода скоро придет в городок.
Почему изменение атмосферного давления означает вероятное изменение погоды? Оказывается, теплый влажный воздух, который обычно приносит пасмурную погоду, легче холодного и сухого - предвестника ясной и хорошей погоды, значит, при ухудшении погоды давление должно падать, а при улучшении - повышаться. Барометр - широко используемый прибор. Правда, труба высотой 10 метров, да еще наполненная водой, очевидно, очень неудобна для применения.
Можно значительно укоротить трубу, если вместо воды использовать ртуть - жидкий металл, который в 13.6 раза тяжелее воды. В ртутном барометре давление, уравнивающее атмосферное, создается столбом жидкости высотой лишь 1033/13.6 = 76 (см). Это, конечно, намного удобнее, чем 10 с лишним метров, поэтому в барометрах вместо воды лучше, использовать ртуть. Такой прибор по своей конструкции ничем не отличается от водяного, только он намного меньше, и трубу необязательно придерживать рукой - она закрепляется в необходимом положении, каким-нибудь более удобным способом.
