Измерване на налягането

1. Отворен манометър с течност

Манометрите и барометрите са уреди за измерване на налягане.


фиг. 1
Най-простият манометър представлява U-видна стъклена тръба, запълнена с течност - най-често вода. Едното колямо на тръбата е отворено, а другото се свързва към съд с газ, чието налягане трябва да се определи (фиг. 1). За да бъде течността в манометъра в равновесие, налягането в точките А и В, които межат в една хоризонтална равнина, трябва да е еднакво. Налягането в точка А е равно на налягането p на газа: p= p. Налягането в точка В е сума от външното атмосферно налягане pa и хидростатичното налягане ρgh на стълба течност с височина h: pB = pa + ρgh. Като отчетем, че pA = pB, за налягането на газа получаваме  p = pa + ρgh.
Ако измерим разликата във височините h на течността в двете колена на манометъра, можем да определим налягането на газа в съда (атмосферното налягане pa е известно).  
 

На практика с такъв манометър се измерва разликата Δp между налягането на газа и външното атмосферно налягане, която е равна на хидростатичното налягане на стълба течност с височина h:

 

 определяне на разлика в налягането с отворен манометър

2. Измерване на атмосферно налягане

Италианският физик Еванджелиста Торичели създава първия живачен барометър, с който през 1643 г. измерва атмосферното налягане.

 


фиг. 2. Живачен барометър
(тръба на Торичели) 
Барометърът на Торичели е стъклена тръба с дължина около 80 cm, която се запълва с живак, след което се обръща и отвореният й край се потапя в съд с живак (фиг. 2). 









 

Еванджелиста Торичели (1608 - 1647)

 

Част от живакът се излива, а пространството над стълба живак в тръбата остава празно (почти вакуум), т.е. там налягането е р = 0. Затова налягането в точка А е равно на хидростатичното налягане ρgh на стълба живак. Налягането в точка В от свободната повърхност на живака е равно на атмосферното налягане pa. За да бъде живакът в равновесие, налягането в тази две точки, лежащи на една хоризонтална равнина, трябва да е еднакво: pa = ρgh

Като се измери височината h на живачния стълб, определя се атмосферното налягане. Височината h, измерена в милиметри, се използва като единица за налягане: 1 mm Hg стълб е налягане, равно на хидростатичното налягане на живачен стълб с височина 1 mm.

Една атмосфера (1 atm) е налягане, равно на хидростатичното налягане на живачен стълб с височина 760 mm. На морското равнище атмосферното налягане е около 1 atm и намалява с увеличаване на надморската височина.

Една атмосфера е много голямо налягане: на 1 m2 от повърхността на нашето тяло атмосферния въздух действа със сила 100 000 N (толкова например е теглото на камион с маса 10 тона). Защо тази огромна сила не ни смачква? Както знаете, тялото на човека съдържа много течности (вода) и газове (въздух в белите дробове). Според закона на Паскал външното атмосферно налягане се предава в тях без изменение. Затова чрез своето налягане течностите и газовете в нашето тяло създават сили, които уравновесяват натиска на външния атмосферен въздух.

 

3. Единици за налягане

В Международната система (Si) за измерителни единици единицата за налягане е паскал (Pa). Милиметър живачен стълб (mm Hg стълб) и атмосфера (atm) са извънсистемни единици за налягане, които често се използват в практиката:

1 mm Hg = 133 Pa;

1 atm = 760 mm Hg стълб = 101,3 kPa

 

По определение една атмосфера (1atm) е налягане, равно на хидростатичното налягане на живачен стълб с височина точно 760 mm при температура 0 °С и земно ускорение g = 9,80665 m/s2. 

 

При температура 0 °С плътността на живака е ρ = 13 595 kg/m3. Следователно:

 

 

Прочетете още .... за атмосферното налягане

Въздухът, който ни заобикаля отвсякъде (т.е. земната атмосфера) има своя собствена маса. Тази маса оказва натиск върху земната повърхност. По-точно:

Натискът, оказан от атмосферата върху единица земна повърхност, наричаме атмосферно налягане.

Атмосферното налягане не е константна величина, което означава, че се променя постоянно. Това се дължи на нeпрекъснатото движение на въздушни маси. Атмосферното налягане също зависи и от надморската височина, на която се измерва. Обикновено атмосферното налягане се понижава с увеличаване на надморската височина. Най-просто казано, въздушното налягане е силата на въздушната маса, която натиска повърхността на Земята. Тъй като въздухът е навсякъде около нас, то този въздух ни натиска навсякъде, където и да се намираме. Близо до морското равнище има повече въздух над нас, отколкото ще има на връх Еверест. Следователно налягането на въздуха е по-високо в близост до морето и по-ниско на върха на планината.

Това е причина за "пукането" в ушите, което хората усещат при относително бърза промяна във височината, например при изкачването или спускането от планина. Атмосферното налягане е свързано с редица други процеси и явления - променя се температурата на кипене на водата например. Промените в атмосферното налягане пораждат валежи и други метеорологични явления и затова се следят стриктно.


Картина от демонстрацията








 

Оригиналните Магдебургски полукълба с помпа
 

Ото фон Герике - германски физик, изобретател, инженер, философ

 

 

Фон Герике е останал в историята като първият, демонстрирал действието на вакуума. Той е откривателят на електрическото отблъскване и е установил връзката между атмосферното налягане и времето. Изобретил е вакумната помпа, електростатичния генератор и водния барометър.

Изследователските му интереси са широки и разнообразни. Разсъждавайки върху природата на пустотата, той решава да провери с експеримент теорията на Декарт, според която цялото пространство трябва да бъде запълнено с материя. За тази цел направил две медни полукълба около 14 инча (35.5 см) в диаметър. От съединените сфери е изтеглен въздуха като двете полукълба се задържали заедно само със силата на външното атмосферно налягане.

И те не само се задържали заедно, но и шестнадесет коне - по осем от всяка страна - не са били в състояние да ги разделят. "Магдебургските полукълба" са били демонстрирани пред Райхстага в присъствието на император Фридрих III, а след това опитът е повторен в Магдебург и Берлин. При това в Берлин в експеримента са използвани 24 коня. Така публиката била убедена в съществуването на въздушното налягане. След това се пускал въздух между полукълбата и те се разделяли по само себе си. Така "Магдебургските полукълба" влизат в историята на науката и всички учебници по физика и енциклопедии.