Давление в физике - виды, формулы и определения с примерами

Содержание:

Давление:

Вы уже знаете, что тело, находящееся на горизонтальной опоре, действует на опору силой давления. Она приложена к опоре и направлена перпендикулярно к ней. Опора деформируется. А от чего зависит степень ее деформации?

Проделаем такой опыт. Поместим столик вверх ножками в ящик с песком, на столик поставим гирю (рис. 166, а). Столик с гирей лишь незначительно погрузится в песок. А теперь перевернем столик ножками вниз и поставим ту же гирю (рис. 166, б). Ножки погрузятся в песок. Результат действия одной и той же силы давления (веса столика с гирей) оказался разным. Почему? Потому, что сила давления действовала на разную площадь поверхности опоры. В первом случае ее действие распределилось на площадь поверхности песка под крышкой, во втором — на площадь поверхности песка под ножками столика. Ясно, что площадь под ножками значительно меньше площади под крышкой столика. А если убрать гирю, т. е. уменьшить силу давления, не меняя площади поверхности, на которую она действует (рис. 166, в)? Ножки погрузятся в песок, но не так сильно.

Результат действия силы давления на поверхность можно определить с помощью физической величины — давления. Обозначим давление буквой р. Из опыта следует, что давление тем больше, чем больше сила давления и чем меньше площадь поверхности, на которую она действует.

Что такое давление

Давление — это физическая величина, равная отношению силы давления, действующей перпендикулярно поверхности, к площади поверхности.

Математически это можно выразить так:

В СИ единицей давления является  Ее называют паскалем (Па) в честь французского ученого Блеза Паскаля, изучавшего давление в жидкостях и газах.

1 паскаль — это давление на поверхность площадью производимое силой 1 Н, действующей перпендикулярно.

Применяют кратные единицы давления: гектопаскаль (гПа), килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа). Обратите внимание:

Позлее вы познакомитесь и с другими единицами давления.

Силой давления может быть не только вес тела, но и любая сила, перпендикулярная поверхности, на которую она действует.

Простой пример: вы загоняете канцелярскую кнопку в вертикальную доску (рис. 167). Силой давления на кнопку является сила действия руки, направленная горизонтально (перпендикулярно доске). Пружины дивана оказывают давление на сидящего на нем человека. Сила давления (сила упругости пружин) при этом направлена вертикально вверх.

Для практических целей иногда необходимо уменьшить давление, а в ряде случаев, наоборот, — увеличить. Как изменить давление?

Обратимся к формуле  Совершенно ясно: чтобы уменьшить давление, нужно уменьшить силу давления или увеличить площадь поверхности.

Например, чтобы увеличить проходимость тяжелых машин (трактора, танка), их снабжают гусеницами (рис. 168). Площадь поверхности, на которую действует сила давления, увеличивается, а давление — уменьшается. Широкие шины у автомобилей, лыжи у человека (рис. 169), довольно большие по площади стопы у слона (рис. 170) играют ту же роль, что и гусеницы у трактора. Приведите сами подобные примеры.

А как увеличить давление? Из формулы давления следует: надо увеличить силу давления или уменьшить площадь поверхности, на которую действует сила. Затачивая лезвия ножей, ножниц (рис. 171), кос, острия игл, зубцы пил и др., мы стараемся уменьшить площадь поверхности. Тем самым, действуя малой силой, можно создать большое давление.

Животному миру природа сама обеспечила возможность создавать большое давление небольшим усилием, вооружив его представителей иглами, клювами и когтями (рис. 172), зубами, клыками, жалами и т. д.

Главные выводы:

1. Давление — это физическая величина, равная отношению силы давления к площади поверхности.
2. Чем больше действующая на поверхность сила давления, чем меньше площадь поверхности, на которую действует сила давления, тем больше давление.
3. В СИ единицей давления является 1 Па.

Для любознательных:

Человек при ходьбе создает давление до 300—400 кПа (определите давление, которое создаете вы, стоя на полу; сравните полу ценные результаты с приведенным значением и объясните причину расхождения этих значений). Гусеничный трактор создает давление на почву в 40—60 кПа, а колеса вагона поезда па рельсы — около 50 МПа.

Пример решения задачи:

Семиклассник массой m = 50 кг стоит на полу. Определите давление, которое он производит на пол, если площадь соприкосновения подошвы его ботинка с полом Коэффициент 

Дано:

m = 50 кг

Решение:

Давление, которое производит семиклассник на пол:

Сила давления F равна весу P семиклассника. Вес  Тогда:

Ответ: p = 50 кПа.

Давление газа

Газы, как и твердые тела, тоже производят давление. Но твердые тела передают давление в том направлении, в котором действует сила давления. Кнопка (см. рис. 167) передает давление перпендикулярно доске, лопата (рис. 174) — в направлении силы давления ноги и т. д.

А вот газы передают давление во все стороны. Чем обусловлена такая особенность газов? От чего зависит давление газа?

Вам уже известно, что газы, как жидкости и твердые тела, состоят из частиц (атомов, молекул). Но расстояния между частицами у газов больше, чем у жидкостей и твердых тел. Поэтому силы взаимодействия между частицами у газов практически отсутствуют (кроме процессов столкновения). Двигаясь хаотически, они сталкиваются между собой и со стенками сосуда. Так как число частиц газа в сосуде чрезвычайно велико (например, в их примерно ), то стенка воспринимает удары частиц как действие вполне ощутимой силы давления.

В газах среднее число ударов хаотически движущихся частиц и средняя сила ударов на единицу площади поверхности стенки по всем направлениям одинаковы. Значит, и среднее давление по всем направлениям одинаково.

Подтвердим это опытом. Под стеклянный колокол поместим завязанную оболочку резинового шара, внутри которой находится газ (рис. 175). Будем откачивать воздух из-под колокола. Объем шара по мере откачки воздуха увеличивается. Это связано с тем, что давление газа под колоколом становится меньше, чем внутри шара.

Форма оболочки в виде шара — доказательство того, что давление газа по всем направлениям одинаково.

Каким образом можно изменить давление газа? Поскольку давление обусловлено числом ударов частиц и силой удара каждой частицы о стенку, то есть два пути его изменения. Первый из них — изменить число частиц в единице объема.

Подтвердим сказанное опытом. В пробковом пистолете между пробкой и поршнем находится воздух (рис. 176, а), который оказывает давление по всем направлениям. Если будем поршнем сжимать газ, не меняя его температуры, то пробка вылетит из пистолета (рис. 176, б). Почему?

Уменьшая объем газа, мы увеличиваем число частиц в единице объема. Это приводит к увеличению числа ударов о стенки. Давление газа возрастает. А с увеличением давления растет сила давления газа на пробку, и она вылетает из пистолета. Если увеличивать объем газа при постоянной температуре, то давление будет уменьшаться.

Итак, при уменьшении объема (сжатии) газа при постоянной температуре его давление увеличивается, а при увеличении объема (расширении) газа давление уменьшается.

Второй путь изменить (например, увеличить) давление газа — это изменить силу удара частиц о стенки. Для этого газ нужно нагреть. Тогда скорость хаотического движения частиц увеличится, и, следовательно, увеличится и сила ударов их о стенки.

Зависимость давления от температуры можно подтвердить опытом. Если объем газа в пробковом пистолете (рис. 177, а) сохранять постоянным, но повышать температуру газа, подогревая его на спиртовке (рис. 177, б), то пробка вылетит вследствие увеличения давления. Значит, чем выше температура газа, тем больше его давление; чем ниже температура, тем меньше давление.

Главные выводы:

1. Давление газа есть результат ударов частиц о стенки сосуда, в котором он находится.
2. Давление газа можно увеличить, если уменьшать его объем при постоянной температуре или, сохраняя объем газа, увеличивать его температуру.
3. Давление газа можно уменьшить, если увеличивать (расширять) его объем при постоянной температуре или охлаждать газ, сохраняя его объем.

Для любознательных:

Возрастание давления газа при его нагревании вызвано не только увеличением силы отдельных ударов. В холодном и горячем газе будет неодинаковым и среднее число ударов частиц о стенки сосуда за единицу времени (т. е. частота ударов). Подумайте, как влияет этот фактор на давление газа.

На баллоне с лаком для волос написано: «Предохранять от воздействия прямых солнечных лучей и нагревания выше +50 °С!» Объясните необходимость таких мер предосторожности с точки зрения физики.

Передача давления газами и жидкостями. Закон Паскаля

Вы уже знаете, что частицы твердых тел (атомы, молекулы) жестко связаны между собой и могут совершать лишь хаотические колебательные движения около положений равновесия. У газов частицы движутся по всему объему хаотически поступательно. У жидкостей они совершают и хаотическое колебательное, и хаотическое поступательное движение. Значит, у газов и жидкостей подвижность частиц значительно выше, чем у твердых тел. Поэтому жидкости и газы не сохраняют своей формы, а принимают форму сосуда, в котором находятся (рис. 178).

Кроме того, некоторые законы для жидкостей и газов одинаковы. Рассмотрим один из них. Проведем опыт. Шар с отверстиями заполним дымом и присоединим к трубке с поршнем. Дым с имеющимся в шаре воздухом займет весь объем шара. Будем перемещать поршень вниз. Мы заметим, что из всех отверстий начнут вытекать струйки дыма (рис. 179). Как объяснить это явление?

Подвижность частиц дыма и молекул воздуха приводит к тому, что они распределяются равномерно по всему объему. Сталкиваясь со стенками шара, молекулы и частицы дыма действуют на стенки, создавая давление. Сжимая газ (воздух с дымом), мы уменьшаем объем и тем самым увеличиваем вначале давление непосредственно под поршнем. Благодаря подвижности молекул давление передается газом во все точки шара, и газ вытекает из отверстий во всех направлениях. Такой же эффект достигается в случае, когда в шаре будет только воздух (без дыма). Дым лишь делает видимыми вытекающие струйки.

Аналогичный опыт можно провести с жидкостью, например с водой. При нажатии на поршень струйки воды через отверстия шара будут вытекать но всем направлениям.

Проведем еще опыт. Через пробку в банку с водой вставим четыре трубки (рис. 180). Через трубку 1 будем накачивать в банку воздух, увеличивая там его давление. Увеличение внешнего давления (давления воздуха) на поверхность воды передается водой от слоя к слою по всем направлениям. В результате вода во всех трубках поднимается, причем на одну и ту же высоту. Значит, давление в воде сбоку (трубка 2), снизу (трубка 3), сверху (трубка 4) на одной глубине одинаково.

А вспомните, как с одинаковым напором вытекают струйки воды из всех дыр, появившихся в шланге для полива огорода (рис. 181). Давление, производимое внешней силой на жидкость (газ), находящуюся в сосуде, передается жидкостью (газом) во все точки жидкости (газа) без изменения. К такому выводу еще в XVII в. пришел французский ученый Блез Паскаль. Этот вывод называют законом Паскаля.

В твердых телах подвижность частиц ограничена, и эти тела не подчиняются закону Паскаля. Если вы поставите на стол тяжелый предмет, например гирю, то вес гири создаст давление лишь на площадь поверхности стола под гирей, т. е. только в направлении действия силы.

Главные выводы:

1. Частицы жидкости и газа обладают подвижностью.
2. Благодаря подвижности частиц жидкости и газы передают производимое на них давление во все точки без изменения.
3. Твердые тела передают давление только в направлении действия силы давления.

Давление жидкости, обусловленное ее весом

Благодаря подвижности частиц (атомов, молекул) жидкость принимает форму того сосуда, в который она налита. Если на жидкость действует внешняя сила давления, то жидкость передает созданное этой силой давление во все точки. Но жидкость создает давление и за счет своего веса, причем не только на дно сосуда, но и на стенки.

В том, что жидкость давит на стенки и дно сосуда, можно убедиться, используя эластичный полиэтиленовый пакет или трубку, нижний конец которой закрыт резиновой пленкой. Постепенно наливая подкрашенную воду в сосуд, мы обнаружим увеличивающийся прогиб пленки (рис. 182).

Причиной увеличения прогиба является рост давления воды на пленку. Притягиваясь к Земле, жидкость давит своим весом на пленку подобно тому, как давит на стол стопка книг. Давление неподвижной жидкости, обусловленное ее весом, называют гидростатическим (от лат. hydros — вода, station — неподвижный).

Гидростатическое давление можно рассчитать. Так, давление столба жидкости высотой h на дно сосуда с вертикальными стенками и площадью дна S (рис. 183) равно Силой давления F является вес жидкости. Для неподвижной жидкости ее вес численно равен силе тяжести: 

Запишем массу m жидкости через плотность  и объем V. Масса: Объем  тогда  Подставим в формулу давления, получим:

Итак, давление жидкости на дно сосуда зависит от ее плотности и высоты столба жидкости.

Выведенная формула справедлива для сосуда любой формы, даже если таким «сосудом» является пруд или океан. Чтобы подтвердить формулу, к сосуду с эластичным дном присоединим измерительную систему (рис. 184). При замене цилиндрического сосуда (а) на конические (б и в) (сосуды имеют одинаковую площадь дна и равные высоты столбов жидкости) прибор показывает равные силы давления. Значит, давления жидкости на дно всех сосудов равны, хотя масса жидкости в сосудах разная.

Формула позволяет найти давление не только на дно, но и на боковые стенки. Действительно, давление на стенку на данной глубине, как и на дно, зависит от высоты столба жидкости. Подтвердим это опытом. Нальем в пластиковую бутылку с проколотыми в стенке отверстиями подкрашенную воду (рис. 185). Наблюдения за вытекающими струями показывают, что гидростатическое давление действует и на стенку бутылки. Его величина возрастает по мере увеличения высоты столба воды в бутылке над отверстием, поэтому струя III падает дальше, чем струя I. Чтобы объяснить это явление, разделим мысленно жидкость на слои /, 2> 3, 4. На каждый нижний слой жидкости действует вес верхних ее слоев. Сила тяжести, действующая на слой /, прижимает его к слою 2. Слой 2 передает производимое на него давление слоя 1 по всем направлениям. На слой 3 действует вес слоев 2, 2. Следовательно, давление в слое 3 больше, чем в слое 2. Наибольшим оно будет на дно и стенку у дна сосуда.

Главные выводы:

1. Гидростатическое давление обусловлено весом покоящейся жидкости.
2. Гидростатическое давление на данной глубине зависит от плотности жидкости и высоты столба жидкости.
3. Гидростатическое давление на боковую стенку сосуда и на поверхность находящегося в жидкости тела на глубине h равно

Для любознательных:

Гидростатическое давление — главное препятствие для проникновения людей в глубины Мирового океана. Уже на глубине 2,5 м нетренированный ныряльщик испытывает боль в ушах из-за давления воды на барабанные перепонки. Корпуса подводных лодок, изготовленные из прочнейших сталей, на глубине в несколько сотен метров находятся на грани превышения допустимой прочности. Тогда почему рыбы на большой глубине чувствуют себя комфортно? Оказывается, вода давит на рыб не только извне, но и изнутри, т. е. происходит компенсация сил давления.

Пример №1

Определите глубину водоема, на которой давление воды р = 100 кПа. Какая сила давления воды действует на ракушку с площадью поверхности лежащую на дне? Коэффициент  примите равным

Дано:

Давление воды на глубине h равно:

 откуда  где  (плотность воды).

Сила давления:

Ответ: 

Сообщающиеся сосуды

Действие на жидкость силы тяжести и подвижность ее молекул приводят к тому, что в широких сосудах поверхность жидкости устанавливается горизонтально. Это легко проверить с помощью прямоугольного треугольника (рис. 187). Горизонтальной будет поверхность жидкости и в сосудах, соединенных между собой, независимо от их формы.

Возьмем несколько соединенных между собой открытых сосудов. Их называют сообщающимися. Будем наливать в один из них воду. Вода перетечет в остальные сосуды и установится во всех сосудах на одном уровне (рис. 188) (если сосуды не очень узкие). Почему это происходит?

Рассмотрим самые простые сообщающиеся сосуды (рис. 189). Выделим внутри тонкий слой жидкости  Как и вся жидкость, он неподвижен. Значит, слева и справа на него действуют силы с равными модулями, но противоположные по направлению. Это силы давления столбов жидкости Но чтобы модули этих сил были равны, необходимо, чтобы были одинаковыми давления, создаваемые левым и правым столбами жидкости, т. е.

После сокращения получим:

В открытых сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одинаковом уровне.

С сообщающимися сосудами вы встречаетесь постоянно: это чайники, лейки для полива (рис. 190, а), водомерные трубки в больших емкостях с водой или топливом (рис. 190, б). На принципе действия сообщающихся сосудов работает, к примеру, безнасосный фонтан (рис. 191).

Сложную систему сообщающихся сосудов используют в дачных поселках и деревнях в башенном водопроводе. Схема простейшего водопровода представлена на рисунке 192. Вода из артезианского источника насосом (1) подается в бак водонапорной башни (2). От бака идут трубы с ответвлениями, вводимыми в дома на все этажи. Концы ответвлений труб закрываются кранами. Давление воды в кране определяется высотой столба воды в башне над уровнем крана. Поэтому чем выше этаж, тем давление воды в кране меньше. Чтобы вода смогла достигать всех этажей, башни строят высокими.

А если вам потребуется строго горизонтально установить поверхность стола или стиральной машины? Как в этом случае вам смогут помочь сообщающиеся сосуды? Приведите еще примеры использования сообщающихся сосудов.

Все полученные в этом параграфе закономерности справедливы для широких сосудов, в которых поверхности жидкости плоские. В очень узких сосудах поверхности жидкости искривляются (рис. 193) и данные закономерности не выполняются.

Главные выводы:

1. В широких неподвижных сосудах поверхность жидкости всегда горизонтальна.
2. Уровень поверхностей однородной жидкости в открытых сообщающихся сосудах одинаков и не зависит от формы сосудов.

Для любознательных:

Что мы будем наблюдать, если в сообщающиеся сосуды налиты разные жидкости, например ртуть и вода (см. рис.)? В таком случае для равновесия тонкого слоя  нужно, чтобы давление, создаваемое левым (ртутным) столбом высотой было равно давлению правого столба воды и ртути высотой , т. е. откуда Используя свойства пропорции, запишем окончательно:

Посмотрите в таблицу плотностей жидкостей. Плотность ртути в 13,6 раза больше плотности воды. Значит,  будет в 13,6 раза меньше

В открытых сообщающихся сосудах высоты столбов несмешивающихся жидкостей над уровнем их раздела обратно пропорциональны плотностям жидкостей.

Пример №2

Поверхность воды в водонапорной башне находится на h = 40 м выше кухонного водопроводного крана. Определите давление воды в кране. Коэффициент  примите равным 

Дано:

Решение:

Давление в кране создается столбом воды высотой ;  где  - плотность воды; 

Ответ: 

Газы и их вес

То, что жидкость имеет вес, никого не удивляет. Каждый из вас ощущал вес, держа в руке ведро воды (рис. 197), бутылку растительного масла или напитка. Однако мы не чувствуем изменения веса футбольного мяча при его накачивании воздухом. Почему?

Посмотрите в таблицу плотностей и сравните плотность воздуха и воды. Плотность воздуха почти в 800 раз меньше плотности воды.

Расчеты показывают, что, например, в сильно накачанном мяче вес воздуха находится в пределах 0,1 Н, а его масса около 10 г.

Покажем на опыте наличие у воздуха массы, а следовательно, веса. Уравновесим на весах стеклянный сосуд, заполненный воздухом. Откачаем насосом воздух и взвесим сосуд повторно. Он стал легче (рис. 198). Добавляя на чашку с сосудом разновес, можно узнать массу откачанного воздуха и его вес.

Воздушный слой, окружающий нашу Землю (земная атмосфера), тоже имеет вес. На каждую молекулу этого слоя действует Земля силой тяжести. Молекулы земной атмосферы, если бы на них не действовала сила тяжести, двигаясь хаотично, давно бы покинули нашу планету. Но тяготение Земли стремится расположить их у поверхности, что приводит к неоднородности атмосферы. Ее плотность заметно убывает с высотой. Так, на высоте км плотность воздуха уже в 2 раза меньше, чем у поверхности Земли. На высоте км плотность  а на высоте 400 км, где летают спутники, об атмосфере можно говорить лишь условно, так как ее плотность 

Главные выводы:

1. Газы обладают массой и весом.
2. Земная атмосфера обладает весом вследствие действия на нее притяжения Земли.
3. Действие силы тяжести и хаотичное движение молекул приводят к неодинаковой плотности земной атмосферы.

Для любознательных:

Обратите внимание, что приведенные в таблице 3 плотности газов указаны при нормальных условиях, т. е. при строго определенной температуре и давлении. При сжатии газов (и обычного воздуха) их плотности могут возрастать во много раз. Такие сильно сжатые газы, во-первых, очень удобны при транспортировке, например в баллонах с кислородом для сварки или в баллонах аквалангистов. Во-вторых, сжатые до высокого давления газы удобно использовать при работе отбойного молотка и пневматических (от греч. pneuma — дуновение, дыхание) тормозов, которые устанавливаются на мощных автомобилях, в том числе на автомобилях МАЗ и БелАЗ. Устройства для сжатия различных газов называют компрессорами.

Атмосферное давление

Вы знаете, что атмосфера Земли — газовая оболочка, в состав которой входят азот, кислород, углекислый газ, водяные пары и другие газы (рис. 199).

Всякий газ, если он находится в сосуде, производит давление на стенки сосуда, так как молекулы газа непрерывно бомбардируют эти стенки. А производит ли давление атмосфера Земли? Чем обусловлено это давление?

Атмосфера Земли удерживается силой тяжести, действующей со стороны Земли. В результате действия этой силы верхние слои атмосферы давят на нижние. Поэтому нижний слой оказывается наиболее сжатым. Давление одного слоя атмосферы на другой по закону Паскаля передается по всем направлениям и действует на любое тело: на здания, на растения, на людей. Это давление называют атмосферным. Атмосферное давление по мере удаления от поверхности Земли уменьшается. Уменьшается толщина слоя воздуха, создающего давление, и его плотность.

Атмосферное давление можно рассчитать. Результаты этих расчетов не могут не удивлять. Атмосферное давление равно примерно  Значит, на каждый квадратный сантиметр нашего тела действует сила 10 Н, а на всю площадь поверхности тела (примем ее за ) — сила 100 000 Н. Это равно весу десятитонного МАЗа! Как же мы живем под таким гигантским давлением?

Вспомним глубоководных рыб. Подобно им, мы просто не замечаем этой огромной сжимающей силы, так как она компенсируется равной расширяющей силой, создаваемой давлением воздуха внутри нас (он растворен даже в нашей крови).

Так что же, атмосферное давление вообще нельзя обнаружить? Для ответа на этот вопрос обратимся к опыту. Возьмем стакан с водой, накроем его листом бумаги, перевернем, придерживая рукой лист, а затем уберем руку (см. рис. 200). Мы видим, что вода из стакана не выливается, лист не отрывается. Сила атмосферного давления, приложенная к листу бумаги, компенсирует действие веса налитой воды и разреженного воздуха в стакане.

Опустите иглу шприца в подкрашенную воду и поднимайте поршень вверх. Вы увидите, что жидкость поднимается вслед за поршнем (рис. 201) противоположно направлению действия силы тяжести. Сила атмосферного давления заставляет сок подниматься вверх по трубочке (рис. 202). Опытов, в которых проявляется действие атмосферного давления, много.

Как измерить атмосферное давление? Рассмотрим наиболее важный из опытов, проведенный в 1643 г. по предложению итальянского физика и математика Эванджелисты Торричелли.

В этом опыте запаянная с одной стороны метровая стеклянная трубка (рис. 203, а) заполнялась ртутью. Верхний конец трубки закрывался, трубка переворачивалась и опускалась в широкий сосуд со ртутью, после чего отверстие открывалось. Часть ртути вытекала из трубки в сосуд. В трубке оставался столб ртути высотой Н около 76 см (760 мм) (рис. 203, б).

Что же удерживало от вытекания оставшуюся в трубке ртуть? Широкий сосуд и трубка — это, по сути, уже известные вам сообщающиеся сосуды. Над ртутью в трубке воздуха нет. На ртуть в широком сосуде действует атмосферное давление, которое жидкая ртуть передает по всем направлениям, в том числе вверх. Сила этого давления и поддерживает ртутный столб.

Рассмотрим условия равновесия тонкого слоя ртути (на рисунке 203, б он обозначен желтым цветом). Это условие требует, чтобы сила атмосферного давления снизу и сила гидростатического давления столба ртути сверху были равны. А это значит, что Таким образом, измерив высоту столба ртути Н, мы можем рассчитать его давление по формуле и тем самым определить величину атмосферного давления.

Поскольку атмосферное давление определяется высотой столба ртути, то понятно, почему очень часто его измеряют не в международных единицах (паскалях), а в миллиметрах ртутного столба.

Выразим в паскалях внесистемную единицу давления 1 миллиметр ртутного столба (сокращенно 1 мм рт. ст.):

По договоренности атмосферное давление считают нормальным, если оно равно давлению столба ртути высотой h = 760 мм при температуре t = 20 °С. Такое давление называют одной нормальной, или физической, атмосферой (сокращенно 1 атм):

В большинстве случаев мы будем использовать округленное значение: 

Атмосферное давление играет важную роль во многих бытовых и технических устройствах. Оно не только позволяет пользоваться пипеткой или шприцом для набора лекарств, но и дает возможность простого, недорогого способа подъема воды. Знакомые многим резиновые присоски (рис. 204) используются как в быту, так и на заводах для переноса сложнейших узлов электроники, прикосновение к которым (даже в перчатках) совершенно недопустимо. 

Главные выводы:

1. Удерживаемая земным притяжением атмосфера Земли производит давление.
2. Человек не ощущает атмосферного давления, так как оно действует как снаружи, так и изнутри него.
3. За нормальное атмосферное давление принято давление столба ртути высотой 760 мм.

• Заказать решение задач по физике

Для любознательных:

В середине XVII в. в немецком городе Магдебурге ученым Отто фон Герике был проведен опыт-спектакль. Из пространства между двумя одинаковыми медными полушариями был выкачан воздух. Для разрыва полушарий, т. е. для преодоления сил атмосферного давления, потребовалось 8 пар самых сильных лошадей. Разрыв сопровождался сильным хлопком, подобным звуку выстрела.

Измерение атмосферного давления. Барометры и манометры

Ежедневно мы получаем информацию о величине атмосферного давления и его изменении. Почему оно не является постоянным? Почему на разных территориях Земли давление разное? Как давление зависит от высоты?

Атмосферное давление зависит от состава воздуха. Так, например, при поступлении влажного воздуха, насыщенного водяными парами, давление уменьшается, поскольку масса молекул воды заметно меньше массы других молекул атмосферы — азота и кислорода. Наиболее сжатыми, а значит, более плотными являются прилегающие к поверхности Земли слои атмосферы. Следовательно, значение атмосферного давления зависит от высоты места над уровнем моря. На вершине самой высокой (h = 8848 м) горы Эверест (рис. 208) давление почти в 3 раза меньше, чем у ее подножия.

Вода, как и другие жидкости, практически несжимаема. Поэтому давление жидкости от высоты столба зависит прямо пропорционально Зависимость же атмосферного давления от высоты описывается гораздо более сложной формулой. Однако для расчетов, не требующих большой точности (при не очень больших высотах), можно считать, что при подъеме на каждые 12 м давление убывает на 1 мм рт. ст. Зависимость давления от высоты можно использовать для измерения высоты подъема (альпинистов, летательных аппаратов).

Так, если при подъеме давление уменьшилось на 20 мм рт. ст., то это значит, что высота подъема:

Приборы, измеряющие высоту по такому принципу, называют альтиметрами (от лат. altius — выше и metron — мера) (рис. 209).

Атмосферное давление измеряют барометра ми (от греч. baros — тяжесть и metron — мера). Простейшим барометром является сосуд со ртутью и трубка, используемые в опыте Торричелли (см. рис. 203). Однако ртутные барометры не находят широкого применения, хотя имеют высокую точность. Пары ртути вредны для человека. На практике в основном пользуются металлическим барометром — анероидом. Хотя он менее точен, чем ртутный, но совершенно безопасен.

Внешний вид и внутреннее устройство барометра-анероида представлены на рисунке 210, а, б. Главной частью анероида является металлическая коробочка с волнистой (гофрированной) верхней и нижней поверхностями. Воздух из коробочки частично откачан.

При увеличении атмосферного давления увеличивается сила давления на коробочку. Коробочка сжимается и растягивает пружину, прикрепленную к ней. Пружина связана со стрелкой, которая перемещается по шкале в сторону больших значений давления.

Если давление снижается, сила давления на коробочку уменьшается, силы упругости распрямляют коробочку, и стрелка перемешается по шкале в противоположную сторону.

Шкалу анероида предварительно градуируют, т. е. наносят деления по показаниям ртутного барометра. Значения давления на шкале выражены в миллиметрах ртутного столба и в гектопаскалях (гПа).

Для измерения разности давления в сосуде и атмосферного давления служат манометры. Простейший манометр — жидкостный. Он представляет собой рассмотренную нами ранее U-образную трубку с жидкостью (см. рис. 189). Одно колено трубки (рис. 211) присоединяется к сосуду, давление в котором необходимо измерить. Другое колено открыто. Если уровень поверхности жидкости в колене, соединенном с сосудом, ниже, чем в открытом, значит, давление газа  в сосуде больше атмосферного  на величину давления столба жидкости высотой h, т. е.

А если давление газа в несколько раз больше атмосферного? Для измерения высоких давлений применяют металлический манометр (рис. 212). Его основным элементом является полая тонкостенная металлическая трубка (/), согнутая в дугу. Один конец трубки (3) закрыт, другой (2) присоединяется к сосуду с газом. Закрытый конец (3) через зубчатый механизм соединен со стрелкой, движущейся относительно шкалы. Чем больше давление в трубке (а значит, в сосуде), тем больше распрямляется трубка и тем больше отклоняется стрелка. Нуль на шкале соответствует атмосферному давлению. Значит, если стрелка стоит на цифре «8», давление в сосуде в 9 раз больше атмосферного. Именно так устроен манометр для контроля давления в автомобильных шинах (рис. 213).

Главные выводы:

1. Атмосферное давление зависит от высоты местности и метеоусловий.
2. Зависимость атмосферного давления от высоты и метеоусловий можно использовать для измерения высоты и для прогноза погоды.
3. Атмосферное давление измеряют барометрами, а давление газов в сосудах — манометрами.

Для любознательных:

Жидкостными манометрами можно измерять давление, отличающееся от атмосферного лишь незначительно. Так, если в примере на с. 127—128 давление в сосуде будет в 2 раза больше атмосферного, т. е. то, согласно формуле имеем:

откуда

При использовании в манометре воды

Только представьте размеры такого прибора! При использовании ртути размеры уменьшаются в 13,6 раза, но возникают новые проблемы — пары ртути ядовиты.

Пример №3

У подножия горы барометр показывает давление мм рт. ст., а на ее вершине — мм рт. ст. Определите высоту данной горы.

Дано: 

Решение:

Разность давлений у подножия горы и на ее вершине:

Учтем, что на 1 мм рт. ст. давление уменьшается при подъеме примерно на высоту Тогда высота горы:

Ответ: H = 120 м.