Атмосферное давление. Закон Паскаля

Наша планета окружена атмосферой — огромным по толщине слоем воздуха, превышающим 100 км. Примерно 80% всей массы атмосферы сосредоточено в нижнем слое высотой около 15 км от поверхности Земли. Воздух удерживается вблизи земной поверхности действующей на него силой тяжести. Если бы Земля не притягивала воздух, то он рассеялся бы в окружающем Землю пространстве.

Рассмотрим цилиндрический столб воздуха атмосферы, который опирается на земную поверхность площадью S (рис. 152). На этот столб действует сила тяжести M · g, где M – масса воздуха в этом столбе. В системе отсчета, связанной с Землей, сила тяжести столба воздуха, находящегося в покое, уравновешивается силой реакции опоры N со стороны поверхности Земли. Поэтому по второму закону Ньютона N - M · g = 0.

По третьему закону Ньютона сила N по модулю равна весу P столба воздуха, с которой он действует на поверхность Земли. Таким образом, сила, с которой столб атмосферного воздуха давит на земную поверхность площадью S, равна силе тяжести P = M · g. Разделив эту силу на площадь S, получим давление атмосферы p_атм на поверхность Земли.

Давление воздуха на поверхность Земли (на уровне моря) почти с не изменяется и в среднем равно p_атм = 101 325 Па. Это давление называют нормальным атмосферным давлением.

При решении задач нормальное атмосферное давление приблизительно считают равным 0,1 МПа.

Для измерения давления часто используют внесистемную единицу, называемую физической атмосферой (атм): 1 атм = 101 325 Па.

Атмосферное давление в каждом конкретном месте может незначительно изменяться с течением времени. Это связано с изменением температуры воздуха, движением воздушных масс и другими причинами.

По мере подъема над уровнем моря толщина давящего сверху столба атмосферного воздуха уменьшается. Поэтому вместе с уменьшением его веса уменьшается и атмосферное давление. Опыт показывает, что при небольшом подъеме от поверхности Земли атмосферное давление уменьшается примерно на 10 Па на каждый метр подъема. Следовательно, отслеживая изменение атмосферного давления с высотой, можно определить высоту подъема.

Многочисленные эксперименты показывают, что силы атмосферного давления действуют не только на горизонтальную поверхность, но и на стены домов, окна, наклонные крыши и т. п. Действует атмосферное давление и на любую точку человеческого тела. Давление внутри человека в среднем равно атмосферному и уравновешивает внешнее давление. Поэтому человек не ощущает действия атмосферного давления.

Тот факт, что силы атмосферного давления в данной точке действуют во всех направлениях одинаково, можно установить экспериментально. Возьмем открытую стеклянную банку, в которой воздух находится под давлением атмосферы, и закроем ее горлышко тонкой резиновой пленкой (рис. 153, а). На поверхность пленки снаружи будет действовать сила Fатм атмосферного давления. При этом пленка на банке не прогибается, так как изнутри действует равная по модулю сила Fв давления воздуха в банке. Если наклонить и переворачивать банку, то поверхность пленки будет оставаться плоской (рис. 153, б и в). Следовательно, сила внешнего атмосферного давления, действующая на пленку, при любом ее положении будет равна силе давления воздуха внутри банки (т. е. равна силе давления атмосферы на горизонтальную поверхность пленки). Значит, атмосферное давление в данной точке по всем направлениям одинаково. Это давление создается весом столба атмосферного воздуха, находящегося над данной точкой.

Таким образом, воздух передает оказываемое на него давление во всех направлениях одинаково. Этот закон был открыт в 1653 г, французским ученым Блезом Паскалем и носит его имя.

Воздух передает оказываемое на него давление во всех направлениях одинаково.

Действие этого закона можно продемонстрировать с помощью прибора, который называют шаром Паскаля (рис. 154). Это полый шар с маленькими отверстиями, расположенными равномерно по всей его поверхности. Пар присоединен к насосу (трубке с поршнем). Если заполнить насос и шар дымом и надавить на поршень, то дым будет выходить из отверстий в шаре одинаковыми струями во всех направлениях. Дым выходит из отверстий под действием разности давлений внутри и снаружи шара. То, что струи дыма одинаковы, доказывает, что добавочное давление, созданное поршнем, передается во всех направлениях одинаково.

Можно также продемонстрировать, что атмосферное давление уменьшается с высотой. Для этого поднимем банку, горлышко которой закрыто тонкой резиновой пленкой, на крышу высотного дома. Мы обнаружим, что пленка, остававшаяся плоской у поверхности Земли, выгнется наружу. Это означает, что внешнее атмосферное давление изменилось: оно стало меньше давления воздуха внутри банки. Если мы будем изменять наклон банки, то убедимся, что форма выгнутой поверхности пленки при этом останется неизменной. Значит, давление на высоте в данной точке также будет одинаково во всех направлениях, но меньше, чем давление на уровне Земли.

Таким образом, на все предметы, находящиеся в атмосфере, действует давление воздуха, которое называют атмосферным давлением.

Итоги

Сила, с которой столб атмосферного воздуха давит на земную поверхность, равна силе тяжести: P = M · g, где M – масса столба воздуха.

Давление воздуха па поверхность Земли (на уровне моря) почти не изменяется и в среднем равно: p_атм = 101 325 Н/м² = 0,1 МПа. Это давление называют нормальным атмосферным давлением.

Закон Паскаля.
Воздух передает оказываемое на него давление во всех направлениях одинаково.

Вопросы

1. Почему воздух атмосферы Земли не улетает в космическое пространство?
2. Что такое атмосферное давление?
3. Чему равно нормальное атмосферное давление?
4. Как изменяется атмосферное давление с высотой вблизи поверхности Земли? Как объяснить это явление?
5. Сформулируйте закон Паскаля.
6. Зависит ли атмосферное давление в данной точке от направления действия?

Упражнения

1. Рассчитайте силу нормального атмосферного давления, действующую на горизонтальную крышу дома. Площадь крыши равна 150 м².
2. Определите, с какой силой действует воздух на потолок вашей комнаты, класса.
3. Выразите в паскалях давление внутри шин колес автобуса (равное 4,5 атм) и легкового автомобиля (1,8 атм).
4. Для перемещения тяжелых пакетов стекол используют вакуумные присоски. Объясните принцип их действия. Какую массу может удерживать одна присоска площадью 50 см²?