Лабораторна робота № 5. Вивчення методів визначення атмосферного тиску та їх практичного за стосування

Обладнання: барометр-анероїд метеорологічний, барометр побутовий.

Завдання 1. Проаналізувати систему одиниць, що застосовуються при визначенні атмосферного тиску, та взаємопереходи між ними.

Завдання 2. Ознайомитись з будовою та принципами роботи основних приладів для визначення атмосферного тиску:

- барометра – анероїда;

- барометра ртутного чашечного;

- барографа-самописця.

Замалювати їх будову в зошиті, описати принципи роботи.

Завдання 3. Ознайомитись з основними барометричними формулами і сферами їх практичного застосування.

Завдання 4 (висновок). Дати порівняльну оцінку барометричних формул, що застосовуються у метеорології.

Теоретичні відомості до роботи:

Основними приладами для визначення атмосферного тиску є барометри. Тиск - це сила, що діє на одиницю площі поверхні. Земна атмосфера, що простягається на сотні кілометрів нагору, тисне на поверхню Землі; барометр і створено для виміру цього тиску. Атмосферний, або барометричний, тиск вимірюється в міліметрах ртутного стовпа й у паскалях. Зміни атмосферного тиску, як правило, бувають пов'язані зі змінами погодних умов. Тиск, звичайно, падає перед негодою, а його підвищення передвіщає гарну погоду. Відзначаючи на карті зміни тиску, можна визначати напрямок вітрів і переміщення циклонів. Лінії рівного тиску називаються ізобарами від греч. isos (рівний) і baros (вага). Барометри були пристосовані для виміру висоти, тому що тиск атмосферного повітря зменшується зі збільшенням висоти над рівнем моря. Такими приладами (альтиметрами) обладнаються літаки, їх беруть із собою альпіністи. Існують два основних типи барометрів – ртутний і анероїд. Ртутний барометр більш точний і надійний, чим анероїд. Анероїд же більш компактний і зручний, його можна зробити кишеньковим.

Ртутний барометр (рис. 24) показує атмосферний тиск як висоту ртутного стовпа, яку можна виміряти за прикріпленою поруч шкалою. Ртутний барометр – це скляна трубка довжиною біля 90 см, заповнена ртуттю, запаяна з одного кінця і перекинута в чашку з ртуттю. Під дією сили ваги частина ртуті виливається з трубки в чашку, а через тиск повітря на поверхню чашки ртуть піднімається по трубці. Коли між цими двома протидіючими силами встановлюється рівновага, висота ртуті в трубці над поверхнею рідини в резервуарі відповідає атмосферному тискові. Якщо тиск повітря зростає, рівень ртуті в трубці піднімається. Середня висота ртутного стовпа в барометрі на рівні моря складає біля 760 мм.

Барометр-анероїд (рис. 25, 27) складається з запаяної коробки, з якої частково відкачано повітря. Одна її поверхня являє собою еластичну мембрану. Якщо атмосферний тиск збільшується, мембрана прогинається усередину, якщо зменшується – вигинається назовні. Прикріплений до неї покажчик фіксує ці зміни. Барометри-анероїди компактні і порівняно недорогі і використовуються як у приміщенні, так і на стандартних метеорологічних радіозондах. В анероїді рідини немає (грец. «анероїд» – «безводний»). Він показує атмосферний тиск, що діє на гофровану тонкостінну металеву коробку, у якій створене розрідження повітря (вакуум). При зниженні атмосферного тиску коробки злегка розширюється, а при підвищенні – стискується і впливає на прикріплену до неї пружину.

На практиці часто використовується кілька (до десяти) анероїдних коробок, з'єднаних послідовно, і встановлюється підоймна передавальна система, що повертає стрілку, яка рухається по круговій шкалі, проградуйованій по ртутному барометру. Як і в сифонного ртутного барометра, на шкалі анероїда можуть бути зроблені написи («дощ», «змінно», «ясно», «дуже сухо»), що вказують на погодні умови. Анероїд менший за розмірами від ртутного барометра, і його показання легше знімати. Ним можна користуватися в експедиційних умовах, на морських суднах, літаках та ін. Якщо до його стрілки прикріпити перо, то він буде записувати покази безперервно. Такі барографи, тобто анероїди, що реєструють барометричний тиск, є на всіх метеостанціях.

Рис. 24. Ртутний чашковий Барометр Рис. 25. Бараметр-анероїд

Крім того, є прилади, принцип дії яких грунтується на пружних деформаціях порожніх металевих коробочок під впливом зовнішнього тиску на них. Це анероїди і барографи-самописці (рис.26).

Рис. 26. Барограф-самописець

Рис. 27. Прилади для вимірювання атмосферного тиску:
барометр-анероїд і барограф-самописець на метеостанції

Історія створення першого барометра.

У XVI ст. в одному з італійських міст для подачі води з озера був побудований насос з великою довжиною шланга, яких до цього ще не будували. Але виявилося, що насос не працює - вода в ньому піднімалася тільки до 10,3 м над рівнем водойми.
Ніхто не міг пояснити, в чому тут справа, поки учень Галілея - Е. Торічеллі не висловив думку, що вода в насосі піднімається під впливом ваги атмосфери, яка тисне на поверхню озера. Стовп води висотою в 10,3 м точності врівноважує цей тиск, і тому вище вода не піднімається. Торічеллі взяв скляну трубку з одним запаяним кінцем та іншим відкритим і заповнив її ртуттю. Потім він затиснув отвір пальцем і, повернувши трубку, опустив її відкритим кінцем у посудину, наповнену ртуттю (рис. 28). Ртуть не вилилася з трубки, а тільки трохи опустилась.

Стовп ртуті в трубці встановився на висоті 760мм над поверхнею ртуті в посудині. Вага стовпа ртуті перетином у 1см² дорівнює 1,033 кг, тобто точно дорівнює вазі стовпа води такого ж перерізу висотою 10,3 м. Саме з такою силою атмосфера тисне на кожний квадратний сантиметр чи метр будь-якої поверхні, в тому числі і на поверхню нашого тіла. Долоня руки дорослої людини випробовується тиском атмосфери приблизно в 150 кг, тобто постійний атмосферний тиск на нашу долоню дорівнює вазі двох чоловіків.

Так Торічеллі створив барометр - перший у світі прилад, що вимірює атмосферний тиск (від грецьких слів «Барос» - тиск, вага, «метрео» - вимірюю). Довгий час атмосферний тиск вимірювали в міліметрах висоти ртутного стовпа. Середній тиск на рівні моря дорівнює 760 мм. Але така одиниця виявилася незручною для розрахунків, і зараз атмосферний тиск виражають у міллібарах або гектопаскалях. Один мілібар (1 гектопаскаль = 1 мілібар) майже точно дорівнює тій силі, з якою тіло вагою в 1Г тисне на поверхню в 1см.кв., а середній тиск атмосфери рівний 1013 мб. За допомогою барометра було встановлено, що тиск постійно змінюється.

Було виявлено, що атмосферний тиск знижується з підйомом у гори, тому що зменшується товщина шару атмосфери над барометром. Чим ближче ми до морського узбережжя – тим тиск вищий.

Рис. 28. Конструкція першого рідинного чашкового барометра Торічеллі