04-е. Барометр Торричелли

§ 04-е. Барометр Торричелли

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

Рис. 4.18. В опыте Торричелли используется ртуть, налитая в трубку. При переворачивании трубки в чашу со ртутью в трубке остается её «столб» высотой около 76 сантиметров. Эта высота зависит от атмосферного давления в том месте, где проводят опыт.

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 чего палец убирают. Ртуть из трубки начинает выливаться, но не вся: остаётся «столб» » 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. На нём мы пометили жёлтым цветом небольшой слой ртути внутри трубки вблизи её отверстия. Вес вышележащих слоёв действует вниз, толкая жёлтый слой в чашу. Причина этого — действие сила тяжести.

Рис. 4.19. На поверхность ртути в чаше действует атмосферное давление (синие контурные стрелки). Согласно закону Паскаля оно распространяется через слой ртути (изогнутые стелки). Оно «вгоняет» ртуть вверх по трубке, противоположно силе 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 — изогнутые стрелки). Так как ртуть покоится, то выделенные курсивом силы (вес и сила давления) уравновешивают друг друга. Обозначим это как F₁ = F₂.

Рис. 4.20. Ртутные барометры бывают самой разнообразной формы. Например, у этого барометра чаша со ртутью имеет шарообразную форму и составляет с трубкой одно целое. Тем не менее высоту столба ртути отсчитывают именно от её уровня в «чаше».

Из определения давления, 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, равные друг другу. Значит, равны и давления: p₁ = 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 трубке Торричелли.

Давление тел Формулы Физика Теория 7 класс