ЕКСПЕРИМЕНТ З ТОРРІЧЕЛЛІ: ВИМІРЮВАННЯ АТМОСФЕРНОГО ТИСКУ, ЗНАЧЕННЯ - ФІЗИЧНІ - 2025

Експеримент Торрічеллі був проведений фізичний і італійський математик Торрічеллі в 1644 році і в результаті в першому вимірі атмосферного тиску.

Цей експеримент виник через необхідність покращення водопостачання у містах. Евангеліста Торрічеллі (1608-1647), який був придворним математиком при великому герцозі Тоскані Фердинанда II, вивчав гідравлічні явища разом з Галілеєм.

Малюнок 1. Експеримент Торрічеллі, в якому ртутний стовп піднімається на 760 мм завдяки атмосферному тиску. Джерело: Ф. Сапата.

Експеримент

У 1644 році Торрічеллі здійснив наступний експеримент:

- Він ввів ртуть у трубу завдовжки 1 м, відкриту на одному кінці та закриту на іншому.

- Коли трубка була повністю заповнена, він перевернув її та скинув у ємність, де також містилася ртуть.

- Торрічеллі зауважив, що стовп опустився і зупинився на висоті близько 76 см.

- Він також зауважив, що у вільному просторі був створений вакуум, хоча і не ідеальний.

Торрічеллі повторив експеримент, використовуючи різні пробірки. Він навіть зробив невелику варіацію: додав води у відро, яке, будучи легшим, плавало на ртуті. Потім він повільно підняв трубку, що містить ртуть, на поверхню води.

Потім ртуть пішла вниз, і вода піднялася вгору. Отриманий вакуум, як ми вже говорили, не був ідеальним, тому що завжди були залишки пари ртуті або води.

Вимірювання атмосферного тиску

Атмосфера - це суміш газів, в яких переважають азот і кисень, зі слідами інших газів, таких як аргон, вуглекислий газ, водень, метан, чадний газ, водяна пара та озон.

Гравітаційне тяжіння, яке здійснює Земля, відповідає за збереження всієї навколишньої планети.

Звичайно, склад не рівномірний, а також щільність, оскільки це залежить від температури. Поблизу поверхні є гарна кількість пилу, піску та забруднюючих речовин від природних подій, а також від людської діяльності. Важкі молекули знаходяться ближче до землі.

Оскільки існує велика кількість мінливості, необхідно вибрати опорну висоту для атмосферного тиску, яка для зручності була взята як рівень моря.

Тут це не просто будь-який рівень моря, тому що це також коливання. Рівень або дату вибирають за допомогою деякої геодезичної системи відліку, закріпленої за спільною згодою між експертами.

Чого вартий атмосферний тиск біля землі? Торрічеллі знайшов своє значення, коли виміряв висоту колони: 760 мм ртуті.

Барометр Торрічеллі

У верхній частині трубки тиск дорівнює 0, оскільки там встановлено вакуум. Тим часом на поверхні чани ртуті тиск P ₁ - атмосферний тиск.

Виберемо походження опорного кадру на вільній поверхні ртуті, у верхній частині трубки. Звідти на поверхню ртуті в ємності вимірюють Н, висоту колони.

Малюнок 2. Барометр Торрічеллі. Джерело: Загальна фізика для інженерів. Дж. Лежа. УСАЧ.

Тиск у точці, позначеній червоним кольором, на глибині y ₁ становить:

Де ρ _Hg - щільність ртуті. Оскільки y ₁ = H і Po = 0:

Оскільки щільність ртуті постійна, а гравітація постійна, то виявляється, що висота ртутного стовпа пропорційна Р _{1 ,} який є атмосферним тиском. Підміна відомих значень:

Одиницею тиску в Міжнародній системі є паскаль, скорочено Па. За експериментом Торрічеллі атмосферний тиск становить 101,3 кПа.

Важливість атмосферного тиску для клімату

Торрічеллі зауважив, що рівень ртуті в трубі щодня зазнає незначних змін, тому він зробив висновок, що атмосферний тиск також повинен змінюватися.

Атмосферний тиск відповідає за більшу частину клімату, проте його щоденні зміни залишаються непоміченими. Це тому, що вони не такі помітні, як, наприклад, шторми чи холод.

Однак ці зміни атмосферного тиску відповідають за вітри, які в свою чергу впливають на кількість опадів, температуру та відносну вологість. Коли земля нагрівається, повітря розширюється і має тенденцію до підйому, внаслідок чого тиск падає.

Щоразу, коли барометр вказує на високий тиск, можна очікувати гарної погоди, тоді як при низькому тиску є можливість штормів. Однак для точного прогнозу погоди вам потрібна додаткова інформація про інші фактори.

Він

Хоча це звучить дивно, оскільки тиск визначається як сила на одиницю площі, в метеорології справедливо виражати атмосферний тиск у міліметрах ртуті, як встановлено Торрічеллі.

Це тому, що барометр ртуті продовжує застосовуватися сьогодні з невеликими варіаціями з того часу, так що на честь Торрічеллі 760 мм рт.ст. дорівнює 1 тор. Іншими словами:

Якби Торрічеллі використовував воду замість ртуті, висота колони становила б 10,3 м. Ртутний барометр практичніший, оскільки він більш компактний.

Інші одиниці, що широко використовуються, - це бруски та мілібар. Один мілібар дорівнює одному гектопаскалю або 10 ² паскалям.

Висотоміри

Висотомір - це прилад, який вказує висоту місця, порівнюючи атмосферний тиск на цій висоті з рівнем на землі або іншим місцем відліку.

Якщо висота не дуже велика, в принципі можна припустити, що густина повітря залишається постійною. Але це наближення, оскільки ми знаємо, що щільність атмосфери зменшується з ростом.

Використовуючи рівняння, яке було використано вище, густина повітря використовується замість ртуті:

У цьому виразі P _o приймається за атмосферний тиск на рівні землі, а P1 - місце, висоту якого слід визначити:

З аліметричного рівняння видно, що тиск зменшується експоненціально з висотою: при Н = 0, Р ₁ = Р _або, а якщо Н → ∞, то Р ₁ = 0.

Список літератури

1. Фігероа, Д. 2005. Серія: Фізика для наук та техніки. Том 5. Рідини та термодинаміка. Під редакцією Дугласа Фігероа (USB).
2. Кіркпатрик, Л. 2007. Фізика: погляд у світ. 6-е скорочене видання. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Загальна фізика для інженерів. УСАЧ.
4. Мотт, Р. 2006. Механіка рідин. 4-й. Видання. Пірсон освіта.
5. Strangeways, I. 2003. Вимірювання природного середовища. 2-й. Видання. Cambridge University Press.