Από την ίδια την έννοια της «ατμοσφαιρικής πίεσης» προκύπτει ότι ο αέρας πρέπει να έχει βάρος, διαφορετικά δεν θα μπορούσε να ασκήσει πίεση σε τίποτα. Αλλά δεν το παρατηρούμε αυτό, μας φαίνεται ότι ο αέρας είναι αβαρής. Πριν μιλήσετε για την ατμοσφαιρική πίεση, πρέπει να αποδείξετε ότι ο αέρας έχει βάρος, πρέπει με κάποιο τρόπο να τον ζυγίσετε. Πως να το κάνεις? Θα εξετάσουμε το βάρος του αέρα και την ατμοσφαιρική πίεση λεπτομερώς στο άρθρο, μελετώντας τα με τη βοήθεια πειραμάτων.
Εμπειρία
Θα ζυγίσουμε τον αέρα σε ένα γυάλινο δοχείο. Εισέρχεται στο δοχείο μέσω ενός ελαστικού σωλήνα στο λαιμό. Η βαλβίδα κλείνει τον εύκαμπτο σωλήνα ώστε να μην εισέρχεται αέρας. Αφαιρούμε τον αέρα από το δοχείο χρησιμοποιώντας αντλία κενού. Είναι ενδιαφέρον ότι καθώς προχωρά η άντληση, ο ήχος της αντλίας αλλάζει. Όσο λιγότερος αέρας παραμένει στη φιάλη, τόσο πιο αθόρυβα λειτουργεί η αντλία. Όσο περισσότερο αντλούμε τον αέρα, τόσο χαμηλότερη γίνεται η πίεση στο δοχείο.
Όταν αφαιρεθεί όλος ο αέρας,κλείστε τη βρύση, πιέστε τον εύκαμπτο σωλήνα για να εμποδίσετε την παροχή αέρα. Ζυγίστε τη φιάλη χωρίς αέρα και μετά ανοίξτε τη βρύση. Ο αέρας θα μπει με ένα χαρακτηριστικό σφύριγμα και το βάρος του θα προστεθεί στο βάρος της φιάλης.
Αρχικά τοποθετήστε ένα άδειο δοχείο με κλειστή βρύση στη ζυγαριά. Υπάρχει κενό μέσα στο δοχείο, ας το ζυγίσουμε. Ας ανοίξουμε τη βρύση, ο αέρας θα μπει μέσα και θα ζυγίσουμε ξανά το περιεχόμενο της φιάλης. Η διαφορά μεταξύ του βάρους της γεμισμένης και της άδειας φιάλης θα είναι η μάζα του αέρα. Είναι απλό.
Βάρος αέρα και ατμοσφαιρική πίεση
Τώρα ας προχωρήσουμε στην επίλυση του επόμενου προβλήματος. Για να υπολογίσετε την πυκνότητα του αέρα, πρέπει να διαιρέσετε τη μάζα του κατά όγκο. Ο όγκος της φιάλης είναι γνωστός επειδή σημειώνεται στο πλάι της φιάλης. ρ=mαέρας /V. Πρέπει να πω ότι για να αποκτήσετε το λεγόμενο υψηλό κενό, δηλαδή την πλήρη απουσία αέρα στο σκάφος, χρειάζεστε πολύ χρόνο. Εάν η φιάλη είναι 1,2 λίτρα, είναι περίπου μισή ώρα.
Ανακαλύψαμε ότι ο αέρας έχει μάζα. Η γη το τραβάει, και ως εκ τούτου η δύναμη της βαρύτητας δρα πάνω της. Ο αέρας σπρώχνει προς τα κάτω στο έδαφος με δύναμη ίση με το βάρος του αέρα. Επομένως, υπάρχει ατμοσφαιρική πίεση. Εκδηλώνεται σε διάφορα πειράματα. Ας κάνουμε ένα από αυτά.
Πείραμα σύριγγας
Πάρτε μια άδεια σύριγγα στην οποία είναι προσαρτημένος ένας εύκαμπτος σωλήνας. Χαμηλώστε το έμβολο της σύριγγας και βυθίστε τον εύκαμπτο σωλήνα σε ένα δοχείο με νερό. Τραβήξτε το έμβολο προς τα πάνω και το νερό θα αρχίσει να ανεβαίνει μέσω του σωλήνα, γεμίζοντας τη σύριγγα. Γιατί το νερό, που τραβιέται προς τα κάτω από τη βαρύτητα, εξακολουθεί να ανεβαίνει πίσω από το έμβολο;
Στο αγγείο, επηρεάζεται από πάνω προς τα κάτωΑτμοσφαιρική πίεση. Ας το συμβολίσουμε με Patm. Σύμφωνα με το νόμο του Πασκάλ, η πίεση που ασκεί η ατμόσφαιρα στην επιφάνεια ενός υγρού μεταδίδεται αμετάβλητη. Απλώνεται σε όλα τα σημεία, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει επίσης ατμοσφαιρική πίεση στο εσωτερικό του σωλήνα και υπάρχει κενό (χωρός αέρας) στη σύριγγα πάνω από το στρώμα νερού, δηλαδή P=0. Αποδεικνύεται λοιπόν ότι η ατμοσφαιρική πίεση πιέζει το νερό από κάτω, αλλά δεν υπάρχει πίεση πάνω από το έμβολο, γιατί εκεί υπάρχει κενό. Λόγω της διαφοράς πίεσης, το νερό εισέρχεται στη σύριγγα.
Πειραματιστείτε με τον υδράργυρο
Βάρος αέρα και βαρομετρική πίεση - πόσο μεγάλα είναι; Ίσως είναι κάτι που μπορεί να παραμεληθεί; Εξάλλου, ένα κυβικό μέτρο σιδήρου έχει μάζα 7600 kg και ένα κυβικό μέτρο αέρα - μόνο 1,3 kg. Για να καταλάβουμε, ας τροποποιήσουμε το πείραμα που μόλις πραγματοποιήσαμε. Αντί για σύριγγα, πάρτε ένα μπουκάλι κλεισμένο με φελλό με σωλήνα. Συνδέστε το σωλήνα στην αντλία και ξεκινήστε την άντληση αέρα.
Σε αντίθεση με την προηγούμενη εμπειρία, δημιουργούμε κενό όχι κάτω από το έμβολο, αλλά σε ολόκληρο τον όγκο της φιάλης. Κλείστε την αντλία και ταυτόχρονα χαμηλώστε το σωλήνα του μπουκαλιού σε ένα δοχείο με νερό. Θα δούμε πώς το νερό γέμισε το μπουκάλι μέσα από το σωλήνα μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα με έναν χαρακτηριστικό ήχο. Η υψηλή ταχύτητα με την οποία «έσκασε» στο μπουκάλι δείχνει ότι η ατμοσφαιρική πίεση είναι μια αρκετά μεγάλη τιμή. Η εμπειρία το αποδεικνύει.
Για πρώτη φορά μέτρησε την ατμοσφαιρική πίεση, το βάρος του αέρα, ο Ιταλός επιστήμονας Torricelli. Είχε μια τέτοια εμπειρία. Πήρα ένα γυάλινο σωλήνα μήκους λίγο πάνω από 1 m, σφραγισμένο στη μία άκρη. Το γέμισε με υδράργυρο μέχρι το χείλος. ΜετάΈπειτα πήρε ένα δοχείο με υδράργυρο, τσίμπησε με το δάχτυλό του το ανοιχτό άκρο του, γύρισε το σωληνάριο και το βύθισε σε ένα δοχείο. Αν δεν υπήρχε ατμοσφαιρική πίεση, τότε όλος ο υδράργυρος θα είχε χυθεί, αλλά αυτό δεν συνέβη. Ξεχύθηκε μερικώς, το επίπεδο του υδραργύρου κατακάθισε σε ύψος 760 mm.
Συνέβη επειδή η ατμόσφαιρα πίεσε τον υδράργυρο στο δοχείο. Αυτός είναι ο λόγος που στα προηγούμενα πειράματά μας, το νερό διοχετεύτηκε στον σωλήνα, γι' αυτό και το νερό ακολουθούσε τη σύριγγα. Αλλά σε αυτά τα δύο πειράματα, πήραμε νερό, η πυκνότητα του οποίου είναι χαμηλή. Ο υδράργυρος έχει υψηλή πυκνότητα, επομένως η ατμοσφαιρική πίεση μπόρεσε να ανεβάσει τον υδράργυρο, αλλά όχι στην κορυφή, αλλά μόνο κατά 760 mm.
Σύμφωνα με το νόμο του Πασκάλ, η πίεση που ασκείται στον υδράργυρο μεταδίδεται σε όλα τα σημεία του αμετάβλητη. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει και ατμοσφαιρική πίεση στο εσωτερικό του σωλήνα. Αλλά από την άλλη, αυτή η πίεση εξισορροπείται από την πίεση της στήλης του υγρού. Ας συμβολίσουμε το ύψος της στήλης υδραργύρου ως h. Μπορούμε να πούμε ότι η ατμοσφαιρική πίεση δρα από κάτω προς τα πάνω και η υδροστατική πίεση από πάνω προς τα κάτω. Τα υπόλοιπα 240 mm είναι άδεια. Παρεμπιπτόντως, αυτό το κενό ονομάζεται επίσης κενό Torricelli.
Τύπος και υπολογισμοί
Ατμοσφαιρική πίεση Patm είναι ίση με την υδροστατική πίεση και υπολογίζεται με τον τύπο ρptgh. ρpt=13600 kg/m3. g=9,8 N/kg. h=0,76 μ. Patm=101,3 kPa. Αυτό είναι ένα αρκετά μεγάλο ποσό. Ένα φύλλο χαρτιού που βρίσκεται σε ένα τραπέζι παράγει πίεση 1 Pa και η ατμοσφαιρική πίεση είναι 100.000 πασκάλ. Αποδεικνύεται ότι πρέπει να βάλετε100.000 φύλλα χαρτιού το ένα πάνω στο άλλο για να παράγουν τέτοια πίεση. Περίεργος, έτσι δεν είναι; Η ατμοσφαιρική πίεση και το βάρος του αέρα είναι πολύ υψηλά, έτσι το νερό ωθήθηκε μέσα στο μπουκάλι με τέτοια δύναμη κατά τη διάρκεια του πειράματος.
