ILMAKEHÄN PAINE: NORMAALIARVO, KUINKA SE MITATAAN, ESIMERKKEJÄ - FYYSINEN - 2026

Ilmakehän paine on painon aiheuttama kaasujen muodostavien ilmakehässä maapallon yläpuolella. On arvioitu, että ilmakehän massa on noin 5 x 10 ¹⁸ kg ja kaikki elävät olennot ovat tämän massan aiheuttaman paineen alaisia.

Ensimmäinen mitata se oli italialainen tutkija Evangelista Torricelli (1608-1647). Hän suoritti yksinkertaisen, mutta erittäin nerokkaan kokeilun vuonna 1644: hän täytti toisessa päässä suljetun lasiputken elohopealla, käänsi sen ylösalaisin ja kaatoi säiliöön, joka sisälsi myös elohopeaa.

Kuva 1. Aneroidiparometri ilmakehän paineen mittaamiseksi, toisin kuin elohopeabarometri, se ei sisällä nestettä. Lähde: Wikimedia Commons.

Torricelli havaitsi, että putki ei tyhjennyt kokonaan, vaan oli täynnä elohopeaa 76 cm korkeuteen. Yllättäen hän teki monia testejä eri muodon putkilla, saaden aina saman tuloksen.

Tällä tavalla Torricelli tajusi, että ilmakehän paine nosti ja piti elohopeakolonnia putken sisällä 760 mm: n korkeudella. Tällä tavalla ilmakehän paineen keskiarvo määritetään.

Koska paine on määritelty voimana pinta-alayksikköä kohti, ilmakehän paineen yksiköt kansainvälisessä järjestelmässä ovat newtonia / metri tai pascal, joka lyhennetään Pa. Joten tässä järjestelmässä ilmakehän paineen P _atm arvo on:

Tämä on ilmanpaineen normaaliarvo 0 ºC: n lämpötilassa ja merenpinnan tasolla.

Ilmakehän paine merenpinnan tasolla ja muut vaihtelut

Teoriassa ilmakehän paineen maksimiarvo on vain merenpinnan tasolla. Vaikka tällä tasolla on niin paljon vaihtelua, asiantuntijoiden on luotava viitejärjestelmä, joka auttaa heitä määrittämään sen arvon.

Tässä ovat tärkeimmät tekijät, jotka vaikuttavat ilmakehän paineen arvoon tietyssä paikassa maapallolla:

-Alitudi: Jokaista 10 metriä korkeutta kohden paine laskee 1 mm Hg. Mutta tapahtuu myös niin, että ilmakehän muodostavan kaasun tiheys ei ole vakio. Periaatteessa korkeuden kasvaessa ilman tiheys vähenee.

Kuva 2. Korkeusmittari, laite, joka mittaa korkeutta merenpinnan yläpuolella paineen muutosten perusteella. Lähde: Pixabay.

- Lämpötila: mitä korkeammassa lämpötilassa tiheys laskee ja ilma painaa vähemmän, siis painearvo laskee.

- Leveysaste: ilmakehän paine on alhaisempi päiväntasaajan leveysasteilla, koska maa ei ole täydellinen pallo. Päiväntasaajan rannikko on kauempana maapallon keskustasta kuin navat ja siellä myös ilman tiheys on alhaisempi.

- Mannermahdollisuudet: mitä enemmän se liikkuu kohti mantereiden sisätiloja, sitä korkeampi on ilmanpaine, kun taas rannikkoalueilla paine on alhaisempi.

Ilmanpaineen vaihtelu korkeuden mukaan

Altimetrisella yhtälöllä, joka kuvaa paikan ilmanpainetta P sen korkeudella z merenpinnan yläpuolella, on seuraava muoto:

Tässä P _o on paine alkuperäisellä tai vertailukorkeudella, joka otetaan normaalisti merenpinnan tasolla, ρ _tai ilman tiheys merenpinnan tasolla ja g painovoiman kiihtyvyyden arvo. Myöhemmin ratkaistujen harjoitusten osassa on vaiheittainen vähennys.

Kuinka ilmakehän paine mitataan?

Ilmakehän paine mitataan barometrillä. Yksinkertaisin on kuin Torricellin rakentama elohopeaan perustuva. Putken kaltevuus tai halkaisija ei muuta elohopeapylvään korkeutta, paitsi jos ilmastolliset tekijät ovat vastuussa siitä.

Esimerkiksi pilviä muodostuu matalan paineen alueilla. Joten kun barometrin lukema laskee, se on merkki siitä, että huono sää on tulossa.

Itse asiassa elohopean sijasta voitaisiin käyttää myös muita nesteitä, esimerkiksi vesibarometri voidaan valmistaa. Ongelmana on, että pylvään koko on 10,33 m, erittäin epäkäytännöllinen kuljetettavaksi.

On myös välineitä, jotka mittaavat paineen mekaanisesti - putkien tai spiraalien muodonmuutosten kautta: aneroidipurometrit ja manometrit. Ne voivat mitata paine-eron kahden pisteen välillä tai myös mittaa paineen, joka ottaa ilmakehän paineen referenssinä.

Paineyksiköt

Normaalipainearvoa käytetään uuden paineyksikön määrittämiseen: ilmakehää, lyhennettynä atm. Ilmakehän paine on 1 atm; tällä tavoin muut paineet voidaan ilmaista ilmakehän paineena, joka on hyvin tuttu arvo kaikille:

Seuraava taulukko näyttää yksiköt, joita tiedeessä ja tekniikassa käytetään eniten paineen mittaamiseen, ja vastaavat ekvivalentit paskaaleissa:

yksikkö	Vastaavuus pascalissa
N / m 2	yksi
pankkiautomaatti	101355
mm Hg	133,3
lb / in 2	6894,76
Pub	1x 10 5

Hydrostaattinen, absoluuttinen ja mittauspaine

Ilmakehän paine vaikuttaa staattisessa tasapainossa olevan ja ilmakehän kanssa avoimen nesteen vapaalla pinnalla. Mutta nesteen sisäpisteissä tietenkin nestekolonnin paino vaikuttaa.

Pylvään paino riippuu sen korkeudesta ja nesteen tiheydestä, jonka oletetaan vakiona, samoin kuin lämpötilan. Tässä tapauksessa paine P on:

Tämä on hydrostaattinen paine missä tahansa pisteessä nesteen sisällä, jonka tiheys on vakio, ja on suoraan verrannollinen nesteen syvyyteen z.

Mitä tulee absoluuttiseen paineeseen P _abs levossa olevassa nesteessä, se määritellään ilmakehän paineen P _atm ja hydrostaattisen paineen P summana:

Lopuksi nesteen mittaripaine P _man levossa on absoluuttisen ja ilmakehän paineen ero ja tässä tapauksessa se vastaa hydrostaattisen paineen mittausta:

esimerkit

Voima, jonka ilmapiiri kohdistaa vartaloon

Ilmakehän ihmiskehoon kohdistaman kokonaisvoiman suuruus voidaan arvioida. Oletetaan, että rungon pinta-ala on noin 2 m ², koska paine määritetään voimana pinta-alayksikköä kohti, voimme ratkaista ja laskea voiman:

Laskentaan käytetään alussa määritettyä ilmakehän paineen normaaliarvoa:

Tämä tulos vastaa enemmän kuin vähemmän kuin 20 tonnia voimaa, mutta se ei ole ongelma eläville olennoille, jotka asuvat maan pinnalla ja jotka ovat siihen sopeutuneet, samoin kuin meren kalat.

Vaikka se on melko suuri voima. Miksi emme romahta ennen sitä?

No, paine kehon sisällä on yhtä suuri kuin ulkopuolen paine. Emme romahta, koska sisäinen voima on tasapainotettu toisella ulospäin suuntautuvalla voimalla. Mutta joihinkin ihmisiin kohdistuu korkeus, ja ne voivat vuotaa nenästä kiipetettäessä erittäin korkeille vuorille. Se johtuu siitä, että verenpaineen ja ilmakehän paineen välinen tasapaino on häiriintynyt.

Siemaile juomia olkilla tai oljilla

Ilmakehän paine mahdollistaa soodan juomisen olkien tai olkien kanssa. Sumerit ja muut muinaiset kulttuurit olivat huomanneet, että he voivat juoda olutta käyttämällä onttoja kasvien varret tai ruokoja olkina.

Paljon myöhemmin, 1800-luvun lopulla ja 20-luvun alkupuolella, Yhdysvalloissa patentoitiin erilaisia ​​olkimalleja, mukaan lukien ne, joilla oli haitarin muotoinen kyynärpää, jota käytetään nykyään laajalti.

Kuva 3. Ilmakehän paine antaa sinun juoda oljella. Lähde: Pixabay.

Näin ne toimivat: Kun neste imeytyy oljen läpi, oljessa olevan nesteen yläpuolella oleva paine pienenee, jolloin alla oleva, korkeampi paine työntää nestettä ylöspäin helpon juomisen vuoksi.

Tästä syystä uuttamisen tai hammasleikkauksen jälkeen ei ole suositeltavaa juoda nesteitä tällä tavalla, koska paineen lasku voi aiheuttaa haavan avautumisen ja verenvuoton.

Harjoitukset

- Harjoitus 1

Johda korkeusmittari Y (P):

-Po on paine referenssitasolla (merenpinta)

-z on korkeus

-ρ _o on nesteen tiheys merenpinnan tasolla

-g on painovoiman kiihtyvyyden arvo

Ratkaisu

Ensinnäkin, olkoon dp paine-ero, joka hydrostatiikan perusyhtälön mukaan ilmaistaan:

Miinusmerkki merkitsee sitä tosiseikkaa, että paine laskee kasvaessa z: tä. Ilman oletetaan myös olevan ihanteellinen kaasu, joten paine ja tiheys riippuvat:

Tiheys korvataan välittömästi, jotta saadaan:

Nyt kirjoittamalla paine tällä tavoin oletetaan, että ilmapiiri on jaettu korkeuskerroksiin dz, kuten pino pannukakkuja, jokaisessa paine dp. Tällä tavalla saadaan differentiaaliyhtälö, joka ratkaistaan ​​erottamalla muuttujat p ja z:

Sitten se integroidaan molemmille puolille, mikä vastaa kunkin kerroksen suorittamien paineen lisäyksiä. Vasemmalla olevassa integroidussa osassa se on valmistettu paineesta P _tai alkupisteestä lopulliseen paineeseen P. Samalla tavalla, integraali oikean evaluoi välillä z _o z:

Seuraava on ratkaista P: lle eksponentiaalilla:

Lopuksi, jos sekä T että g pidetään vakiona, ρ _o = (M / RT) P _o, niin M / RT = ρ _o / P _o, ja voimme tehdä myös z _o = 0. Laittamalla tämä kaikki yhteen:

- Harjoitus 2

Mikä on ilmakehän paine Boliviassa, La Pazissa, joka sijaitsee 3640 m merenpinnan yläpuolella? Otetaan keskimääräinen ilmantiheys 1,225 kg / m ³ merenpinnan tasolla.

Ratkaisu

Korvaa vain korkeusmittarissa esitetyt numeeriset arvot:

Yhteenvetona voidaan todeta, että se on noin 66% normaalista paineesta.

Viitteet

1. Figueroa, D. (2005). Sarja: Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Osa 5: Nesteet ja termodynamiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fysiikka: Katso maailmaa. Kuudes lyhennetty painos. Cengagen oppiminen.
3. Vakioilmapiiri. Palautettu osoitteesta: av8n.com
4. Sevillan yliopisto. Ilmanpaineen muutos. Palautettu osoitteesta: laplace.us.es.
5. Wikipedia. Hypsometrinen yhtälö. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Ilmakehän paine. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org.