Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли

Рассчитать атмосферное давление так, как мы рассчитывали давление столба жидкости, нельзя. Почему? Для такого расчета мы должны знать высоту атмосферы и плотность воздуха. Но определенной границы у атмосферы нет, а плотность воздуха, будучи наибольшей у поверхности Земли, убывает с высотой. Однако измерить атмосферное давление можно с помощью опыта, предложенного в XVII в. итальянским ученым Торричелли.

Опыт Торричелли состоит в следующем: стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Затем, плотно закрыв другой конец трубки, ее перевертывают, опускают в чашку с ртутью и под ртутью открывают конец трубки (рис. 118). Часть ртути при этом выливается в чашку, а в трубке остается столб ее высотой около 760 мм. В трубке над ртутью воздуха нет, там безвоздушное пространство.

Торричелли, предложивший описанный выше опыт, дал и его объяснение. Атмосфера давит на поверхность ртути в чашке. Ртуть находится в равновесии. Значит, давление в трубке на уровне αα (рис. 118) тоже равно атмосферному давлению. Но в верхней части трубки воздуха нет, поэтому давление в трубке на уровне αα создается только весом столба ртути в трубке. Отсюда следует, что атмосферное давление равно давлению столба ртути в трубке.

Измерив высоту столба ртути в опыте Торричелли, можно рассчитать давление, которое производит ртуть, — оно и будет равно атмосферному давлению.

Чем больше атмосферное давление, тем выше столб ртути в опыте Торричелли, поэтому на практике атмосферное давление можно измерять высотой ртутного столба (в миллиметрах или сантиметрах). Если, например, давление атмосферы равно 780 мм рт. ст., то это значит, что воздух производит такое же давление, какое производит вертикальный столб ртути высотой 780 мм.

Торричелли Эванджелиста (1608-1647) —итальянский ученый, ученик Галилея, Изобрел ртутный барометр и объяснил его действие существованием атмосферного давления, разработал ряд других вопросов в физике и математике.

Следовательно, за единицу атмосферного давления принимают в этом случае 1 миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст.). Найдем соотношение между этой единицей и известной нам единицей давления паскалем.

Давление столба ртути высотой в 1 мм равно:

p = gph, p = 9,8 Н/кг*13 600 кг/м3*0,001м≈133,3 Па.

Итак, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па = 1,33 гПа.

В настоящее время атмосферное давление принято измерять и в гектопаскалях.

Наблюдая день за днем за высотой ртутного столба в трубке, Торричелли обнаружил, что эта высота меняется: то увеличивается, то уменьшается. Отсюда он заключил, что атмосферное давление не постоянно, оно может меняться. Торричелли заметил также, что изменения атмосферного давления как-то связаны с изменением погоды.

Прикрепив к трубке с ртутью в опыте Торричелли вертикальную шкалу, получают простейший ртутный барометр — прибор для измерения атмосферного давления.

Вопросы. 1. Почему нельзя рассчитывать давление воздуха так же, как рассчитывают давление жидкости на дно или стенки сосуда? 2. Объясните, как с помощью трубки Торричелли можно измерить атмосферное давление. 3. Что означает запись: «Давление атмосферы равно 780 мм рт. ст.? 4. Как называют прибор для измерения атмосферного давления? Как он устроен? 5. Скольким гектопаскалям равно давление ртутного столба высотой 1 мм?

Упражнения. 1. На рисунке 119 изображен водяной барометр, устроенный Паскалем в 1646 г. Какой высоты был столб воды в этом барометре при атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст.? 2. В 1664 г. Отто Герике в г. Магдебурге, чтобы доказать существование атмосферного давления, произвел такой опыт: он выкачал воздух из полости менаду двумя металлическими полушариями, сложенными вместе. Давление атмосферы тан сильно прижало полушария друг к другу, что их не могли разорвать восемь пар лошадей (рис. 120). Вычислите силу, сжимающую полушария, если считать, что она действует на площадь, равную 2800 см2, а атмосферное давление равно 760 мм рт. ст. 3. Из трубки длиной 1 м, запаянной с одного конца и с краном на другом конце, выкачали воздух. Поместив конец с краном в ртуть, открыли кран. Заполнит ли ртуть всю трубку? Если вместо ртути взять воду, заполнит ли она всю трубку?

Задания. 1. Погрузите стакан в воду, переверните его под водой вверх дном и затем медленно вытаскивайте из воды. Почему, пока края стакана находятся под водой, вода остается в стакане (не выливается)? 2. Налейте в стакан воды, закройте листом бумаги и, поддерживая лист рукой, переверните стакан вверх дном. Если теперь отнять руку от бумаги (рис, 121), то вода из стакана не выльется. Бумага остается как бы приклеенной к краям стакана. Почему? Ответ обоснуйте.