Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли

Введение

Мы живём на планете, окружённой огромным слоем воздуха — атмосферой. Хотя воздух кажется невесомым и «пустым», он имеет массу. А всё, что имеет массу, под действием силы тяжести давит на поверхность Земли.
Эта сила, приходящаяся на единицу площади, называется атмосферным давлением.

Долгое время люди не знали, что воздух может давить. Им казалось, что он слишком лёгкий, чтобы оказывать заметное воздействие. Всё изменилось в XVII веке, когда итальянский учёный Эванджелиста Торричелли впервые доказал существование атмосферного давления с помощью простого, но гениального опыта.

---

1. Сущность атмосферного давления

Воздух имеет массу примерно 5 × 10¹⁵ тонн, и весь этот воздух удерживается гравитацией у поверхности Земли.
Каждый слой воздуха давит на нижележащие слои, поэтому ближе к поверхности давление больше, а с высотой — уменьшается.

Хотя мы не чувствуем этого давления, оно весьма велико. На площадь 1 м² атмосфера давит с силой около 100 000 Н, то есть так, как будто на ней стоит груз массой 10 тонн!

---

2. Почему раньше люди не замечали давление воздуха

В быту мы не ощущаем атмосферного давления, потому что воздух давит со всех сторон одинаково — снаружи и изнутри. Давление внутри нашего организма уравновешивает внешнее, поэтому мы не испытываем никакого сжатия.
Но если убрать воздух с одной стороны, давление сразу проявляется — например, если откачать воздух из банки, крышку становится трудно снять.

---

3. Опыт Торричелли

В 1643 году ученик Галилея — Эванджелиста Торричелли — решил измерить давление воздуха экспериментально.
Он взял:

• длинную стеклянную трубку (около 1 м),

• наполнил её ртутью,

• закрыл отверстие пальцем и перевернул трубку, опустив её в сосуд с ртутью.

Часть ртути в трубке опустилась, но не вся: над её поверхностью образовалось пустое пространство — вакуум, а высота ртутного столба установилась примерно 760 мм.

Торричелли сделал вывод: ртуть удерживается в трубке давлением воздуха на поверхность жидкости в сосуде.
Если бы атмосферы не было, ртуть полностью вытекла бы.

Так учёный доказал, что воздух действительно оказывает давление, и впервые измерил его величину.

---

4. Нормальное атмосферное давление

Опыт Торричелли показал, что при уровне моря столб ртути высотой 760 мм уравновешивает давление воздуха.
Это значение принято за нормальное атмосферное давление.

1 атмосфера (1 атм) = 760 мм рт. ст. = 101 325 Па (паскалей).

Если человек поднимается в горы, давление падает — ртутный столб становится ниже. Если опускается ниже уровня моря — наоборот, поднимается.

---

5. Прибор для измерения давления — барометр

После опыта Торричелли был создан ртутный барометр. Он состоит из трубки, заполненной ртутью, конец которой погружён в сосуд с ртутью.
Шкала показывает высоту столба жидкости — по ней и судят о давлении.

Позже появились барометры-анероиды — приборы без жидкости. Внутри них находится металлическая коробочка с разреженным воздухом. При изменении давления она сжимается или расширяется, а стрелка показывает значение на шкале.

Барометры применяются в метеостанциях, самолётах и даже в смартфонах — для прогнозов погоды и измерения высоты.

---

6. Зависимость давления от высоты

Атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты.
Примерно каждые 12 метров подъёма давление падает на 1 мм рт. ст.
На высоте 5 км оно примерно вдвое меньше, чем у моря, а на вершинах Эвереста — всего около 250 мм рт. ст.

Из-за этого на больших высотах воздух разрежен, а дышать становится труднее.

---

7. Значение опыта Торричелли

Открытие атмосферного давления стало важнейшим шагом в развитии физики.
Оно объяснило:

• почему работают насосы и шприцы,

• как происходит всасывание воды в корни растений,

• почему воздух удерживается вокруг Земли,

• как связаны давление и погодные явления.

Торричелли не только доказал существование давления, но и создал первый барометр, положив начало современной метеорологии.

---

8. Пример расчёта

Пример:
Какое давление будет при высоте ртутного столба 740 мм?

Ответ: давление примерно 98,7 кПа.

---

9. Интересные факты

• Если заменить ртуть на воду, для уравновешивания давления воздуха потребовалась бы трубка высотой около 10 м!
  Поэтому Торричелли использовал тяжёлую ртуть.

• Современные барометры используют не только ртуть, но и цифровые датчики.

• При изменении погоды давление тоже меняется: при низком давлении чаще бывают осадки и ветер, при высоком — ясная погода.

---

10. Заключение

Опыт Торричелли — одно из величайших открытий физики XVII века. Он показал, что воздух имеет вес и давит на всё вокруг нас, а его давление можно измерить.
Знание атмосферного давления помогает метеорологам предсказывать погоду, инженерам — разрабатывать приборы, а путешественникам — измерять высоту.

Мы живём под огромным «океаном воздуха», и благодаря атмосферному давлению жизнь на Земле возможна.

---

Вопросы для самопроверки

1. Что такое атмосферное давление?

2. Почему воздух оказывает давление на Землю?

3. В чём суть опыта Торричелли?

4. Почему Торричелли использовал ртуть, а не воду?

5. Какая высота ртутного столба соответствует нормальному давлению?

6. Как работает барометр?

7. Почему атмосферное давление уменьшается с высотой?

8. Что показывает изменение показаний барометра?

9. Какое давление соответствует 740 мм рт. ст.?

10. В чём значение опыта Торричелли для науки и техники?