ЕКСПЕРИМЕНТ С ТОРИЧЕЛИ: ИЗМЕРВАНИЯ НА АТМОСФЕРНОТО НАЛЯГАНЕ, ЗНАЧЕНИЕ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В експеримента Торичели се извършва от физически и италиански математик Еванджелиста Торичели през 1644 г. и се превърна в първото измерване на атмосферното налягане.

Този експеримент възникна от необходимостта от подобряване на водоснабдяването в градовете. Евангелиста Торичели (1608-1647), който е придворен математик на великия херцог на Тоскана Фердинанд II, е изучавал хидравлични явления заедно с Галилео.

Фигура 1. Експериментът на Торичели, при който живачната колона се издига 760 мм поради атмосферното налягане. Източник: Ф. Сапата.

Експериментът

През 1644 г. Торичели прави следния експеримент:

- Той въведе живак в тръба с дължина 1 м, отворена в единия край и затворена в другия.

- Когато епруветката беше напълно пълна, той я обърна и я хвърли в контейнер, който също съдържа живак.

- Торичели забеляза, че колоната се спуска и спира на около 76 см височина.

- Той забеляза също, че в пространството, което е свободно, макар и не перфектно, се е образувал вакуум.

Торичели повтори експеримента, използвайки различни епруветки. Той дори направи малка вариация: добави вода в кофата, която, като беше по-лека, плуваше върху живака. После бавно повдигна тръбата, съдържаща живак, на повърхността на водата.

Тогава живакът се спусна и водата се издигна нагоре. Полученият вакуум, както вече казахме, не беше перфектен, защото винаги имаше останки от живачни пари или вода.

Измерването на атмосферното налягане

Атмосферата е смес от газове, в които преобладават азот и кислород, със следи от други газове като аргон, въглероден диоксид, водород, метан, въглероден окис, водна пара и озон.

Гравитационното привличане, упражнявано от Земята, е отговорно за запазването на цялата околна планета.

Разбира се, съставът не е равномерен и нито една от плътностите, тъй като зависи от температурата. В близост до повърхността има голямо количество прах, пясък и замърсители от природни събития, а също и от човешка дейност. По-тежките молекули са по-близо до земята.

Тъй като има толкова много вариабилност, е необходимо да се избере референтна надморска височина за атмосферното налягане, която за удобство е приета за морско равнище.

Тук това не е просто всяко морско равнище, защото това също показва колебания. Нивото или датата се избират с помощта на някаква геодезическа референтна система, фиксирана по общо съгласие между експертите.

Какво струва атмосферното налягане в близост до земята? Торичели намери своята стойност, когато измери височината на колоната: 760 мм живак.

Барометърът Torricelli

В горната част на тръбата налягането е 0, тъй като там е установен вакуум. Междувременно върху повърхността на живачния съд, налягането Р ₁ е атмосферно налягане.

Нека да изберем произхода на референтната рамка върху свободната повърхност на живака в горната част на тръбата. Оттам до повърхността на живака в контейнера измерете Н, височината на колоната.

Фигура 2. Барометър Torricelli Източник: Обща физика за инженери. J. Lay. USACH.

Налягането в точката, маркирана с червено, на дълбочина y ₁ е:

Където ρ _Hg е плътността на живак. Тъй като y ₁ = H и Po = 0:

Тъй като плътността на живак е постоянна и гравитацията е постоянна, се оказва, че височината на живачния стълб е пропорционална на P ₁ , което е атмосферното налягане. Подмяна на известни стойности:

Единицата за налягане в Международната система е паскал, съкратено Па.. Според експеримента на Торичели атмосферното налягане е 101,3 kPa.

Значение на атмосферното налягане за климата

Торичели забеляза, че нивото на живак в тръбата претърпява леки изменения всеки ден, така че той заключи, че атмосферното налягане също трябва да се променя.

Атмосферното налягане е отговорно за голяма част от климата, но ежедневните му вариации остават незабелязани. Причината е, че те не са толкова забележими като бурите или студа, например.

Тези промени в атмосферното налягане обаче са отговорни за ветровете, които от своя страна влияят на валежите, температурата и относителната влажност. Когато земята се загрява, въздухът се разширява и има тенденция да се повишава, което води до спад на налягането.

Винаги, когато барометърът показва високо налягане, може да се очаква хубаво време, докато при ниско налягане има възможност за бури. За да направите точни прогнози за времето обаче, се нуждаете от повече информация за други фактори.

Той

Въпреки че звучи странно, тъй като налягането се определя като сила на единица площ, в метеорологията е валидно да се изрази атмосферното налягане в милиметри живак, както е установено от Torricelli.

Това е така, защото живакният барометър продължава да се използва и днес с малки изменения от онова време, така че в чест на Torricelli 760 mm Hg се равнява на 1 torr. С други думи:

Ако Торичели беше използвал вода вместо живак, височината на колоната щеше да бъде 10,3 m. Живакният барометър е по-практичен, тъй като е по-компактен.

Други единици в широко приложение са щанги и милибари. Един милибар е равен на един хектопаскал или 10 ² пасажи.

Висотомери

Висотомерът е инструмент, който показва височината на дадено място, сравнявайки атмосферното налягане на тази височина с това на земята или друго референтно място.

Ако височината не е много голяма, по принцип можем да приемем, че плътността на въздуха остава постоянна. Но това е приблизително, тъй като знаем, че плътността на атмосферата намалява с височината.

Използвайки уравнението, използвано по-горе, плътността на въздуха се използва вместо живак:

В този израз P _o се приема като атмосферно налягане на нивото на земята и P1 е на мястото, чиято надморска височина трябва да бъде определена:

Алтиметричното уравнение показва, че налягането намалява експоненциално с височината: за H = 0, P ₁ = P _или и ако H → ∞, тогава P ₁ = 0.

Препратки

1. Figueroa, D. 2005. Серия: Физика за наука и инженерство. Том 5. Течности и термодинамика. Редактиран от Дъглас Фигероа (USB).
2. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: поглед към света. 6-то съкратено издание. Учене в Cengage.
3. Lay, J. 2004. Обща физика за инженери. USACH.
4. Mott, R. 2006. Механика на течностите. 4-ти. Edition. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Измерване на природната среда. 2-ри. Edition. Cambridge University Press.