Atmosfera yra Žemę supantis dujų debesis. Oro svoris, kurio aukštis viršija 900 km, daro galingą poveikį mūsų planetos gyventojams. Mes to nejaučiame, gyvenimą oro vandenyno dugne laikome savaime suprantamu dalyku. Žmogus jaučia diskomfortą kopdamas aukštai į kalnus. Deguonies trūkumas sukelia greitą nuovargį. Tuo pačiu metu atmosferos slėgis labai pasikeičia.
Fizika nagrinėja atmosferos slėgį, jo pokyčius ir poveikį Žemės paviršiui.
Vidurinės mokyklos fizikos kursuose didelis dėmesys skiriamas atmosferos veikimo tyrimui. Apibrėžimo ypatumai, priklausomybė nuo aukščio, įtaka kasdieniame gyvenime ar gamtoje vykstantiems procesams paaiškinami remiantis žiniomis apie atmosferos veikimą.
Kada žmonės pradeda tirti atmosferos slėgį? 6 klasė – laikas susipažinti su atmosferos ypatumais. Šis procesas tęsiamas specializuotose vidurinės mokyklos klasėse.
Studijų istorija
Pirmieji bandymai nustatyti atmosferos oro slėgį buvo atlikti 1643 m., pasiūlius italų evangelistui. Torricelli. Stiklinis vamzdelis, uždarytas viename gale, buvo pripildytas gyvsidabrio. Uždarytas iš kitos pusės, jis buvo nuleistas į gyvsidabrį. Viršutinėje vamzdžio dalyje dėl dalinio gyvsidabrio nutekėjimo susidarė tuščia erdvė, kuri gavo tokį pavadinimą: „Toricellian tuštuma“.
Iki to laiko gamtos moksle dominavo Aristotelio teorija, kuri tikėjo, kad „gamta bijo tuštumos“. Jo nuomone, negali būti tuščios erdvės, kuri nebūtų užpildyta materija. Todėl ilgą laiką jie bandė aiškinti tuštumos buvimą stikliniame vamzdyje kitais dalykais.
Neabejotina, kad tai tuščia vieta, jos negalima niekuo užpildyti, nes iki eksperimento pradžios gyvsidabris visiškai užpildė cilindrą. Ir, ištekėjusios, neleido kitoms medžiagoms užpildyti laisvos vietos. Bet kodėl visas gyvsidabris nesipylė į indą, nes tam taip pat nėra jokių kliūčių? Išvada rodo pati savaime: gyvsidabris vamzdyje, kaip ir susisiekiančiuose induose, sukuria tokį patį slėgį gyvsidabriui inde kaip kažkas iš išorės. Tame pačiame lygyje tik atmosfera liečiasi su gyvsidabrio paviršiumi. Būtent jos slėgis neleidžia medžiagai išsilieti veikiama gravitacijos. Yra žinoma, kad dujos sukuria tą patį veiksmą visomis kryptimis. Tai veikia gyvsidabrio paviršių inde.
Gyvsidabrio cilindro aukštis yra apie 76 cm. Pastebima, kad šis indikatorius laikui bėgant kinta, todėl kinta ir atmosferos slėgis. Jis gali būti matuojamas gyvsidabrio centimetrais.stulpelyje (arba milimetrais).
Kurius vienetus naudoti?
Tarptautinė vienetų sistema yra tarptautinė, todėl joje nenaudojami gyvsidabrio milimetrai. Art. nustatant slėgį. Atmosferos slėgio vienetas nustatomas taip pat, kaip ir kietose ir skysčiuose. Slėgio matavimas paskaliais priimamas SI.
1 Pa slėgiui imamas toks slėgis, kurį sukuria 1 N jėga 1 m plote2.
Nustatykite, kaip matavimo vienetai yra susiję. Skysčio kolonėlės slėgis nustatomas pagal tokią formulę: p=ρgh. Gyvsidabrio tankis ρ=13600 kg/m3. Paimkime 760 milimetrų ilgio gyvsidabrio stulpelį kaip atskaitos tašką. Iš čia:
r=13600 kg/m3×9,83 N/kg × 0,76 m=101292,8 Pa
Norėdami įrašyti atmosferos slėgį paskaliais, apsvarstykite: 1 mm Hg.=133,3 Pa.
Problemos sprendimo pavyzdys
Nustatykite jėgą, kuria atmosfera veikia 10x20 m dydžio stogo paviršių. Manoma, kad atmosferos slėgis yra 740 mm Hg. St.
p=740 mm Hg, a=10 m, b=20 m.
Analizė
Norėdami nustatyti veikimo jėgą, turite nustatyti atmosferos slėgį paskaliais. Atsižvelgiant į tai, kad 1 milimetras Hg. lygus 133,3 Pa, turime: p=98642 Pa.
Sprendimas
Slėgiui nustatyti naudokite formulę:
p=F/s, Kadangi stogo plotas nenurodytas, tarkime, kad tai yra stačiakampis. Šios figūros plotas nustatomas pagal formulę:
s=ab.
Pakeiskite ploto vertęskaičiavimo formulė:
p=F/(ab), iš kur:
F=pab.
Apskaičiuokite: F=98642 Pa×10 m×20 m=19728400 N=1,97 MN.
Atsakymas: atmosferos slėgio jėga ant namo stogo yra 1,97 MN.
Matavimo metodai
Eksperimentinį atmosferos slėgio nustatymą galima atlikti naudojant gyvsidabrio kolonėlę. Jei pataisysite svarstykles šalia jos, tada bus įmanoma pataisyti pakeitimus. Tai paprasčiausias gyvsidabrio barometras.
Evangelista Torricelli nustebo pastebėjusi atmosferos veikimo pokyčius, susiejančius šį procesą su karščiu ir šalčiu.
Atmosferos slėgis jūros paviršiaus lygyje esant 0 laipsnių Celsijaus buvo vadinamas optimaliu. Ši vertė yra 760 mmHg. Normalus atmosferos slėgis paskaliais laikomas lygus 105 Pa.
Žinoma, kad gyvsidabris yra gana kenksmingas žmonių sveikatai. Dėl to atvirų gyvsidabrio barometrų naudoti negalima. Kiti skysčiai yra daug mažesnio tankio, todėl skysčiu užpildytas vamzdelis turi būti pakankamai ilgas.
Pavyzdžiui, Blaise'o Pascalio sukurta vandens stulpelis turėtų būti apie 10 m aukščio. Nepatogumai akivaizdūs.
Beskysčių barometras
Nuostabus žingsnis į priekį – idėja atsisakyti skysčių gaminant barometrus. Galimybė pagaminti prietaisą atmosferos slėgiui nustatyti įgyvendinama aneroidiniuose barometruose.
Pagrindinė šio skaitiklio dalis yra plokščiadėžė, iš kurios išpumpuojamas oras. Kad atmosfera jo nespaustų, paviršius yra gofruotas. Dėžutė spyruoklių sistema sujungta su rodykle, rodančia slėgio reikšmę skalėje. Pastarasis gali būti graduotas bet kokiuose vienetuose. Atmosferos slėgį galima išmatuoti paskaliais naudojant atitinkamą matavimo skalę.
Kėlimo aukštis ir atmosferos slėgis
Atmosferos tankio pokytis kylant aukštyn sumažina slėgį. Dujų apvalkalo nehomogeniškumas neleidžia įvesti tiesinio kitimo dėsnio, nes didėjant aukščiui slėgio mažėjimo laipsnis mažėja. Žemės paviršiuje, jai kylant, kas 12 metrų atmosferos poveikis sumažėja 1 mm Hg. Art. Troposferoje panašus pokytis vyksta kas 10,5 metro.
Netoli Žemės paviršiaus, orlaivio aukštyje, specialia skale įrengtas aneroidas gali nustatyti aukštį pagal atmosferos slėgį. Šis įrenginys vadinamas aukščiamačiu.
Žemės paviršiuje esantis specialus prietaisas leidžia nustatyti aukščiamatį į nulį, kad vėliau galėtumėte juo nustatyti pakilimo aukštį.
Problemos sprendimo pavyzdys
Kalno papėdėje barometras rodė 756 gyvsidabrio stulpelio milimetrus atmosferos slėgį. Kokia bus vertė 2500 metrų virš jūros lygio aukštyje? Atmosferos slėgį reikia registruoti paskaliais.
r1 =756 mm Hg, A=2500 m, r2 - ?
Sprendimas
Norėdami nustatyti barometro rodmenis aukštyje H, atsižvelgiame į taislėgis nukrenta 1 mm Hg. kas 12 metrų. Todėl:
(p1 – p2)×12 m=A × 1 mmHg, nuo:
p2=p1 - H×1 mmHg/12m=756 mmHg - 2500 m × 1 mmHg / 12 m=546 mmHg
Norėdami įrašyti gautą atmosferos slėgį paskaliais, atlikite šiuos veiksmus:
p2=546 × 133, 3 Pa=72619 Pa
Atsakymas: 72619 Pa.
Atmosferos slėgis ir orai
Oro atmosferos sluoksnių judėjimas šalia Žemės paviršiaus ir netolygus oro kaitimas įvairiose vietose lemia oro sąlygų pokyčius visose planetos dalyse.
Slėgis gali skirtis 20–35 mmHg. ilgainiui ir 2–4 gyvsidabrio stulpelio milimetrais. per dieną. Sveikas žmogus šio rodiklio pokyčių nejaučia.
Atmosferos slėgis, kurio reikšmė yra žemesnė už normą ir dažnai kinta, rodo cikloną, uždengtą tam tikrą. Dažnai šį reiškinį lydi debesuotumas ir krituliai.
Žemas slėgis ne visada yra lietingo oro požymis. Blogas oras labiau priklauso nuo laipsniško aptariamo rodiklio mažėjimo.
Staigus slėgio kritimas iki 74 centimetrų Hg. o žemiau gresia audra, lietus, kuris tęsis net tada, kai indikatorius jau pradeda kilti.
Orų pasikeitimą į gerąją pusę galima atpažinti pagal šiuos ženklus:
- po ilgo blogo oro laikotarpio atmosferos slėgis laipsniškai ir nuolat didėja;
- slėgis pakyla ūkanotu, purvinu oru;
- pietų vėjų laikotarpiu aptariamas rodiklis kyla kelias dienas iš eilės;
- atmosferos slėgio padidėjimas vėjuotu oru yra patogaus oro ženklas.
