TORRICELLI-KOE: ILMAKEHÄN PAINEEN MITTAUKSET, MERKITYS - FYYSINEN - 2026

Koe Torricellin suoritettiin fysikaalinen ja Italian matemaatikko Evangelista Torricellin vuonna 1644 ja sen tuloksena on ensimmäisen mittauksen ilmakehän paineessa.

Tämä koe syntyi tarpeesta parantaa kaupunkien vesihuoltoa. Evangelista Torricelli (1608-1647), joka oli Toscanan suuriruhtinas Ferdinand II: n tuomioistuinmatemaatikko, oli tutkinut hydraulisia ilmiöitä yhdessä Galileon kanssa.

Kuva 1. Torricellin koe, jossa elohopeapylväs nousee 760 mm ilmanpaineen takia. Lähde: F. Zapata.

Koe

Vuonna 1644 Torricelli teki seuraavan kokeen:

- Hän lisäsi elohopeaa yhden metrin pituiseen putkeen, joka oli toisessa päässä avoin ja toisessa suljettu.

- Kun putki oli täysin täynnä, hän käänsi sen ylösalaisin ja heitti säiliöön, joka sisälsi myös elohopeaa.

- Torricelli havaitsi, että pylväs laski ja pysähtyi noin 76 cm korkeuteen.

- Hän huomasi myös, että tyhjään tilaan oli muodostunut vapaa, vaikkakaan ei täydellinen.

Torricelli toisti kokeen käyttämällä erilaisia ​​putkia. Hän teki jopa pienen variaation: hän lisäsi ämpäriin vettä, joka oli kevyempi ja kellui elohopean päällä. Sitten hän nosti hitaasti elohopeaa sisältävää putkea veden pinnalle.

Sitten elohopea laski ja vesi nousi. Saatu tyhjiö, kuten jo sanoimme, ei ollut täydellinen, koska elohopeahöyryjä tai vettä oli aina jäännöksiä.

Ilmakehän paineen mittaus

Ilmakehä on seos kaasuja, joissa typpi ja happi ovat pääosin, ja jälkiä muista kaasuista, kuten argon, hiilidioksidi, vety, metaani, hiilimonoksidi, vesihöyry ja otsoni.

Maan käyttämä gravitaatiovoima on vastuussa koko ympäröivän planeetan pitämisestä.

Koostumus ei tietenkään ole tasainen, eikä myöskään tiheys, koska se riippuu lämpötilasta. Pinnan lähellä on hyvä määrä pölyä, hiekkaa ja epäpuhtauksia luonnon tapahtumista ja myös ihmisen toiminnasta. Raskaammat molekyylit ovat lähempänä maata.

Koska vaihtelua on niin paljon, on välttämätöntä valita ilmakehän paineelle viitekorkeus, joka mukavuuden vuoksi on pidetty merenpinnan tasolla.

Tässä ei ole minkäänlainen merenpinta, koska se aiheuttaa myös vaihteluita. Taso tai peruspiste valitaan jonkin geodeettisen referenssijärjestelmän avulla, joka on vahvistettu asiantuntijoiden yhteisellä sopimuksella.

Mikä on ilmakehän paine lähellä maata, arvoinen? Torricelli havaitsi arvonsa mittaamalla pylvään korkeuden: 760 mm elohopeaa.

Torricelli-barometri

Putken yläosassa paine on 0, koska siihen on muodostettu tyhjiö. Samaan aikaan, pinnalla elohopean altaan, paine P ₁ on ilmakehän paineessa.

Oletetaan, että referenssikehyksen alkuperä on elohopean vapaalla pinnalla, putken yläosassa. Mitaa sieltä säiliön elohopean pintaan kolonnin korkeus H.

Kuva 2. Torricelli-barometri. Lähde: Yleinen fysiikka insinööreille. J. Lay. USACH.

Paine punaisella merkityssä kohdassa syvyydessä y ₁ on:

Missä ρ _Hg on elohopean tiheys. Koska y ₁ = H ja Po = 0:

Koska elohopean tiheys on vakio ja painovoima on vakio, osoittautuu, että elohopeapylvään korkeus on verrannollinen P _{1: ään} , joka on ilmakehän paine. Tunnettujen arvojen korvaaminen:

Paineyksikkö kansainvälisessä järjestelmässä on pascal, lyhennettynä Pa. Torricellin kokeilun mukaan ilmanpaine on 101,3 kPa.

Ilmanpaineen merkitys ilmastolle

Torricelli havaitsi, että putken elohopeataso vaihteli vähäisesti joka päivä, joten hän päätteli, että myös ilmakehän paineen on muututtava.

Ilmakehän paine aiheuttaa suuren osan ilmastosta, mutta sen päivittäiset vaihtelut jäävät huomaamatta. Se johtuu siitä, että ne eivät ole yhtä havaittavissa kuin esimerkiksi myrsky tai kylmä.

Nämä ilmakehän paineen vaihtelut aiheuttavat kuitenkin tuulet, jotka puolestaan ​​vaikuttavat sateisiin, lämpötilaan ja suhteelliseen kosteuteen. Kun maa lämpenee, ilma laajenee ja pyrkii nousemaan aiheuttaen paineen laskun.

Aina ilmanpaineen osoittaessa korkeita paineita voidaan odottaa hyvää säätä, kun taas matalassa paineessa on myrskyjen mahdollisuus. Tarkka sääennuste edellyttää kuitenkin lisätietoja muista tekijöistä.

Hän

Vaikka se kuulostaa oudolta, koska paine on määritelty voimana pinta-alayksikköä kohden, meteorologiassa se on pätevä ilmaisemaan ilmakehän paine elohopeamillimetreinä, kuten Torricelli on vahvistanut.

Tämä johtuu siitä, että elohopeabarometria käytetään edelleenkin vähäisin vaihteluin siitä lähtien, joten Torricellin kunniaksi 760 mm Hg on yhtä torria. Toisin sanoen:

Jos Torricelli olisi käyttänyt vettä elohopean sijasta, pylvään korkeus olisi 10,3 m. Elohopeabarometri on käytännöllisempi, koska se on pienempi.

Muita laajassa käytössä olevia yksiköitä ovat palkit ja millibaarit. Yksi millibar on yhtä suuri kuin yksi hehtopascalia tai 10 ² pascalia.

korkeusmittarit

Korkeusmittari on instrumentti, joka ilmaisee paikan korkeuden vertaamalla ilmakehän painetta korkeudella maanpinnan tai muun vertailukohdan ilmanpaineeseen.

Jos korkeus ei ole kovin suuri, voidaan periaatteessa olettaa, että ilman tiheys pysyy vakiona. Mutta tämä on arvio, koska tiedämme, että ilmakehän tiheys vähenee korkeuden myötä.

Edellä käytetyn yhtälön avulla käytetään ilman tiheyttä elohopean sijasta:

Tässä lausekkeessa P _o on ilmakehän paine maanpinnan tasolla ja P1 sen paikan ilmapinta, jonka korkeus on määritettävä:

Altimetrinen yhtälö osoittaa, että paine laskee eksponentiaalisesti korkeuden kanssa: jos H = 0, P ₁ = P _tai ja jos H → ∞, niin P ₁ = 0.

Viitteet

1. Figueroa, D. 2005. Sarja: Fysiikka tieteiden ja tekniikan aloille. Osa 5: Nesteet ja termodynamiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fysiikka: Katso maailmaa. Kuudes lyhennetty painos. Cengagen oppiminen.
3. Lay, J. 2004. General Physics for Engineers. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4th. Painos. Pearson koulutus.
5. Strangeways, I. 2003. Luontoympäristön mittaus. 2nd. Painos. Cambridge University Press.