ЭКСПЕРИМЕНТ ТОРРИЧЕЛЛИ: ИЗМЕРЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ, ВАЖНОСТЬ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Эксперимент Торричелли был проведен физический и итальянский математик Торричелли в 1644 году и в результате в первом измерении атмосферного давления.

Этот эксперимент возник из-за необходимости улучшить водоснабжение в городах. Евангелиста Торричелли (1608–1647), придворный математик великого герцога Тосканы Фердинанда II, изучал гидравлические явления вместе с Галилеем.

Рис. 1. Эксперимент Торричелли, в котором столб ртути поднимается на 760 мм из-за атмосферного давления. Источник: Ф. Сапата.

Эксперимент

В 1644 году Торричелли провел следующий эксперимент:

- Он ввел ртуть в трубку длиной 1 м, открытую с одного конца и закрытую с другого.

- Когда трубка была полностью заполнена, он перевернул ее и бросил в емкость, в которой также находилась ртуть.

- Торричелли заметил, что колонна опустилась и остановилась на высоте около 76 см.

- Он также заметил, что в свободном, но не идеальном пространстве образовался вакуум.

Торричелли повторил эксперимент, используя разные пробирки. Он даже сделал небольшую вариацию: добавил воды в ведро, которое, будучи легче, плавало по ртути. Затем он медленно поднял трубку с ртутью на поверхность воды.

Затем ртуть ушла, а вода поднялась. Полученный вакуум, как мы уже говорили, не был идеальным, потому что всегда были остатки паров ртути или воды.

Измерение атмосферного давления

Атмосфера представляет собой смесь газов, в которой преобладают азот и кислород, со следами других газов, таких как аргон, диоксид углерода, водород, метан, оксид углерода, водяной пар и озон.

Гравитационное притяжение, создаваемое Землей, отвечает за удержание всего, что окружает планету.

Конечно, состав неоднороден, как и плотность, так как она зависит от температуры. Возле поверхности есть большое количество пыли, песка и загрязняющих веществ от природных явлений, а также от деятельности человека. Более тяжелые молекулы находятся ближе к земле.

Поскольку существует такая большая изменчивость, необходимо выбрать опорную высоту для атмосферного давления, которая для удобства была принята за уровень моря.

Здесь это не просто уровень моря, потому что он тоже подвержен колебаниям. Уровень или датум выбирается с помощью какой-либо геодезической системы координат, устанавливаемой по общему соглашению экспертов.

Сколько стоит атмосферное давление у земли? Торричелли нашел свое значение, когда измерил высоту столба: 760 мм рт. Ст.

Барометр Торричелли

Вверху трубки давление равно 0, поскольку там установлен вакуум. Между тем, на поверхности ртутного чана давление P ₁ равно атмосферному давлению.

Выберем начало отсчета на свободной поверхности ртути в верхней части трубки. Оттуда до поверхности ртути в контейнере измерьте H, высоту столбика.

Рисунок 2. Барометр Торричелли. Источник: Общая физика для инженеров. J. Lay. USACH.

Давление в точке, отмеченной красным, на глубине y ₁ составляет:

Где ρ _Hg - плотность ртути. Поскольку y ₁ = H и Po = 0:

Поскольку плотность ртути постоянна, а сила тяжести постоянна, оказывается, что высота ртутного столба пропорциональна P _{1 ,} что является атмосферным давлением. Подстановка известных значений:

Единицей измерения давления в Международной системе является паскаль, сокращенно Па. Согласно эксперименту Торричелли, атмосферное давление составляет 101,3 кПа.

Значение атмосферного давления для климата

Торричелли заметил, что уровень ртути в трубке подвергается небольшим изменениям каждый день, поэтому он пришел к выводу, что атмосферное давление также должно меняться.

Атмосферное давление отвечает за большую часть климата, однако его ежедневные колебания остаются незамеченными. Потому что они не так заметны, как, например, шторм или холод.

Однако эти колебания атмосферного давления вызывают ветры, которые, в свою очередь, влияют на количество осадков, температуру и относительную влажность. Когда земля нагревается, воздух расширяется и имеет тенденцию подниматься, в результате чего давление падает.

Когда барометр показывает высокое давление, можно ожидать хорошей погоды, а при низком давлении существует вероятность шторма. Однако, чтобы делать точные прогнозы погоды, вам нужна дополнительная информация о других факторах.

Он

Хотя это звучит странно, поскольку давление определяется как сила на единицу площади, в метеорологии допустимое выражение атмосферного давления в миллиметрах ртутного столба, как установлено Торричелли.

Это связано с тем, что ртутный барометр продолжает использоваться сегодня с небольшими изменениями с тех пор, так что в честь Торричелли 760 мм рт.ст. равняется 1 торр. Другими словами:

Если бы Торричелли использовал воду вместо ртути, высота колонны составила бы 10,3 м. Ртутный барометр более практичен, поскольку более компактен.

Другими широко используемыми единицами измерения являются бары и миллибары. Один миллибар равен одному гектопаскалю или 10 ² паскалям.

Альтиметры

Альтиметр - это инструмент, который указывает высоту места, сравнивая атмосферное давление на этой высоте с давлением на земле или в другом месте.

Если высота не очень большая, в принципе можно считать, что плотность воздуха остается постоянной. Но это приближение, поскольку мы знаем, что плотность атмосферы действительно уменьшается с высотой.

Используя приведенное выше уравнение, вместо плотности ртути используется плотность воздуха:

В этом выражении P _o берется как атмосферное давление на уровне земли, а P1 - это давление места, высота которого должна быть определена:

Альтиметрическое уравнение показывает, что давление экспоненциально уменьшается с высотой: для H = 0, P ₁ = P _или, если H → ∞, то P ₁ = 0.

Ссылки

1. Фигероа, Д. 2005. Серия: Физика для науки и техники. Том 5. Жидкости и термодинамика. Отредактировал Дуглас Фигероа (USB).
2. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: взгляд на мир. 6-е сокращенное издание. Cengage Learning.
3. Лэй, Дж. 2004. Общая физика для инженеров. USACH.
4. Мотт, Р. 2006. Механика жидкости. Четвёртый. Издание. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Измерение окружающей среды. Второй. Издание. Издательство Кембриджского университета.