Барометр Торричелли

По телевидению или радио мы часто слышим, что атмосферное давление равно, например, 760 мм рт. ст. (читается: семьсот шестьдесят миллиметров ртутного столба). Это число бывает и другим – больше или меньше. Что оно означает? Для ответа на этот вопрос рассмотрим опыт итальянского ученого Э. Торричелли, проделанный им в ХVII веке.

Стеклянную трубку длиной около метра, запаянную с одного конца, наполняют доверху ртутью. Затем, плотно закрыв отверстие пальцем, трубку переворачивают и опускают в чашу со ртутью. После этого палец убирают. Ртуть из трубки начинает выливаться, но не вся! Остаётся «столб» ртути » 76 см высотой, считая от уровня в чаше. Примечательно, что эта высота не зависит ни от длины трубки, ни от глубины её погружения.

Объясним этот опыт. Взгляните на нижний рисунок. Жёлтым цветом мы пометили небольшой слой ртути внутри трубки у её отверстия. Вес вышележащих слоев действует вниз, толкая жёлтый слой в чашу. Причина этого – действие сила тяжести.

Ртуть в чаше давит на жёлтый слой с силой, направленной вверх. Причина этого – атмосферное давление, действующее на поверхность ртути в чаше. И действительно, согласно закону Паскаля оно распространяется через ртуть в чаше внутрь трубки (на рисунке – синие изогнутые стрелки). Так как ртуть покоится, то выделенные курсивом силы (вес и сила давления) уравновешивают друг друга. Обозначим их F₁ и F₂.

Из формулы p = F/S следует, что F = pS. Так как F₁ = F₂, получаем равенство p₁S₁ = p₂S₂. Здесь S₁ и S₂ – площади верхней и нижней поверхностей «жёлтого» слоя ртути. Так как они равны, то равны и давления p₁ и p₂. То есть давление, создаваемое столбом ртути в трубке, равно атмосферному давлению.

Трубка Торричелли с линейкой является простейшим барометром – прибором для измерения атмосферного давления (см. рисунок).

Измерения показывают, что атмосферное давление в местностях, лежащих на уровне мирового океана, в среднем 760 мм рт.ст. Такое давление при температуре ртути 0 °С называется нормальным атмосферным давлением. Выразим его в более привычных единицах давления – паскалях:

p = r g h = 13600 кг/м³ • 10 Н/кг • 0,76 м » 100 кПа

Итак, как же понимать, что атмосферное давление равно, например, 760 мм рт. ст. или 100 кПа? Это значит, что в данный момент атмосферное давление таково, что уравновешивает давление столба ртути высотой 76 см в барометре Торричелли.

Атмосферное давление

О том, что все газы имеют массу, мы часто склонны забывать. Помните ли вы, например, что 1 кубический метр воздуха имеет массу более килограмма? Если забыли – загляните в таблицу плотностей в § 2-г. Из этого следует, что масса воздуха, находящегося в классе, составляет примерно 200–300 килограммов! Проделаем опыт, который подтвердит, что воздух действительно имеет […]

Давление газа

Давление может создаваться не только твёрдыми или жидкими телами, но и газами. Например, парусный корабль плывёт по морю именно потому, что на его паруса давит ветер – движущийся газ. Однако покоящиеся газы тоже могут создавать давление. Рассмотрим опыт, подтверждающий это. Слева на рисунке – так называемая тарелка воздушного насоса. На ней лежит завязанный воздушный шарик […]

Закон Паскаля

Познакомимся с необычным законом: он справедлив лишь для покоящихся жидкостей и газов. Для этого проведём опыт – нальем в пакет воды и завяжем. Если на него надавить рукой, то он прорвётся, и вода вытечет. Однако заметим: пакет рвётся не обязательно в том месте, где на него давят. Следовательно, давление, оказываемое на одну часть пакета, распространяется […]

Давление жидкости

Вокруг нас много жидкостей. Одни из них движутся, например, вода в реках или нефть в трубах, другие – покоятся. При этом все жидкости имеют вес и поэтому давят на дно и стенки сосуда, в котором находятся. Подсчет давления движущейся жидкости – непростая задача, поэтому изучим лишь как рассчитывать давление, создаваемое покоящейся жидкостью, называемое гидростатическим давлением […]

Определение давления

До сих пор мы изучали случаи, когда сила, действовавшая на тело, была приложена к нему в одной точке. Мы так и говорили про нее: «точка приложения силы» (см. § 3-а). Настало время ситуаций, когда сила приложена к телу во множестве точек, то есть действует на некоторую площадь поверхности. В каждом из таких случаев говорят не […]

А знаете ли вы, что …

… атмосфера вращается вокруг земной оси вместе с Землёй. Если бы атмосфера была неподвижна, то на Земле постоянно бы царил ураган со скоростью ветра свыше 1500 км/ч. … плотность воздуха в атмосфере Земли падает приблизительно в 2 раза на каждые 5-6 км подъема. … из-за давления атмосферы на каждый квадратный сантиметр нашего тела действует сила […]

Правило равновесия рычага

Ещё до Нашей Эры люди начали применять рычаги в строительном деле. Например, на рисунке вы видите использование рычага при постройке пирамид в Египте. Рычагом называют твердое тело, которое может вращаться вокруг некоторой оси. Рычаг – это не обязательно длинный и тонкий предмет. Например, рычагом является любое колесо, так как оно может вращаться вокруг оси. Введём два определения. […]

Простые механизмы

С древних времен для облегчения своего труда человек использует различные механизмы – приспособления, преобразующие движение и силы (греч. «механэ» – машина, орудие). Все они устроены по-разному, но в них обязательно имеются так называемые простые механизмы – рычаг и/или наклонная плоскость. Изучению рычага и его разновидностей будет посвящён следующий параграф, а сейчас рассмотрим простой механизм под […]

Вычисление силы Архимеда

Теперь выведем формулу, при помощи которой силу Архимеда можно вычислить. Закон Архимеда выражается формулой (см. §3-е): Fарх = Wж Примем, что вес вытесненной жидкости равен действующей на неё силе тяжести: Wж = Fтяж = mжg Масса вытесненной жидкости может быть найдена по формуле для расчета плотности: r = m/V Ю mж = rжVж Подставляя формулы […]