Барометры, виды, принцип работы и применение

Барографы находят свое применение в таких областях, как метеорология, авиация и мореплавание, обеспечивая мониторинг и прогнозирование погодных условий. Их основная функция состоит в фиксации изменений атмосферного давления во времени, что делает их полезными для научных исследований и планирования мероприятий.

Ртутные барометры: устройство и принцип работы

Барометр представляет собой специализированный прибор, предназначенный для измерения атмосферного давления. Существуют различные типы барометров, включая жидкостные, механические и электронные вариации. К механическим барометрам относится барометр-анероид, название которого происходит от греческого слова «анероид», что переводится как «без жидкости». Ртутный барометр, в свою очередь, это устройство с жидкой средой, в котором атмосферное давление определяется высотой ртутного столба в запаянной сверху трубке; нижний конец трубы погружается в резервуар, заполненный ртутью.

Кто изобрел?

Принято считать, что ртутный барометр был создан в 1644 году молодым итальянским физиком и математиком Эванджелистой Торричелли. Он был учеником выдающегося ученого Галилео Галилея и сделал значительный вклад в такие области, как математика, механика, гидравлика и оптика. Однако в историю физики Торричелли вошел как первый ученый, который доказал существование атмосферного давления и собрал первый известный барометр.

До середины 17 века существовало предубеждение, основанное на работах древнегреческого философа Аристотеля, согласно которому жидкость в насосе поднимается за поршнем в силу того, что природа не терпит пустоты. Но во время строительства фонтанов во Флоренции возникла проблема: вода в насосах не могла подняться выше 33–34 футов. Архитекторы обратились за помощью к Галилею, который поручил исследовать этот вопрос своим ученикам, таким как Вивиани и Торричелли. Они пришли к выводу, что высота, на которую может подняться жидкость, зависит от ее плотности.

В 1643 году Эванджелиста Торричелли, проводя эксперименты, заключил, что в верхней части трубки, заполненной ртутью, образуется вакуум, и ртуть остается в резервуаре благодаря давлению воздуха, действующему на ее поверхность. Это удостоверяло, что воздух также имеет вес.

Изобретенный Торричелли ртутный барометр (наряду с его другими открытиями) был описан в его работе «Opera geometrica».

История изобретения

История ртутного барометра начинается с работ итальянского ученого Эванджелисты Торричелли, который в 1643 году впервые продемонстрировал принцип действия этого прибора. Под руководством своего наставника Галилея, Торричелли провел эксперимент, в ходе которого он наполнил стеклянную трубку ртутью и перевернул ее в открытый резервуар с ртутью, замечая, что уровень ртути опускается и оставляет пустое пространство в верхней части трубки, которое позже получило название торричеллиева пустота.

Эванджелисты Торричелли

Ученый установил, что высота столба ртути изменяется в зависимости от атмосферного давления, что позволяет использовать барометр для прогноза погоды. Это стало первым количественным измерением атмосферного давления и положило начало метеорологии как науки.

С тех пор барометры были значительно модернизированы и улучшены. В 1660-х годах Блез Паскаль и Пьер Пети начали использовать барометры для изучения изменений атмосферного давления с высотой, что способствовало развитию барометрической формулы, описывающей связь между давлением и высотой.

Статья по теме:  Гальванометр - что измеряет и как работает

В 19 веке были созданы анероидные барометры, которые использовали металлическую герметичную коробку, восприимчивую к изменениям давления, вместо ртутного столба. Эти барометры оказались более мобильными и безопасными для использования.

Современные электронные барометры применяют различные технологии для измерения атмосферного давления, например, пьезорезистивные и емкостные датчики, что делает их важным инструментом в метеорологии, авиации и многих других сферах.

Виды барометров

Существует несколько типов барометров, включая ртутные, анероидные и цифровые, каждый из которых обладает своими характеристиками и применениями. Далее представлено детальное описание, в том числе конструктивные особенности, принцип работы, характеристики, плюсы и минусы каждого типа:

Ртутный барометр

Это инструмент для определения атмосферного давления с использованием ртути как рабочей жидкости. Ниже представлены его характеристики, строение, принцип работы, преимущества и недостатки:

Ртутный барометр

Строение и принцип работы:
Ртутный барометр состоит из длинной стеклянной трубки, заполненной ртутью, и перевернутой в резервуар с ртутью. В верхней части трубки образуется вакуум, благодаря которому столбик ртути может подниматься или опускаться в зависимости от изменений атмосферного давления. Высота столбика ртути измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) или в гектопаскалях (гПа).

Характеристики:

  • Диапазон измерений: обычно от 300 до 1100 гПа.
  • Точность: высокая, благодаря простоте конструкции и отсутствию подвижных деталей, подверженных износу.

Преимущества:

  • Высокая точность и надежность измерений.
  • Долговечность благодаря отсутствию движущихся частей.
  • Простота конструкции, что делает принцип работы доступным для понимания.

Недостатки:

  • Хрупкость: стеклянная трубка уязвима к повреждениям.
  • Токсичность: ртуть является опасным химическим веществом, что создает риск для здоровья при повреждении прибора.
  • Неудобство транспортировки: наличие ртути делает барометр сложным для перемещения, так как существует риск ее пролива.
  • Чувствительность к температурным колебаниям: показания могут варьироваться в зависимости от температурных изменений окружающей среды.

Несмотря на свои недостатки, ртутные барометры до сих пор вызывают уважение благодаря своей высокой точности и простоте конструкции.

Анероидный барометр

Этот тип прибора позволяет измерять атмосферное давление без использования жидкости. Вот его подробнее описание:

Строение и принцип работы:
Анероидный барометр состоит из герметично закрытой металлической коробочки, называемой анероидной ячейкой, внутри которой частично вакуум. Изменение атмосферного давления приводит к сжатию или расширению стенок ячейки, что затем перемещает указатель по шкале. Это перемещение передается через систему рычагов и пружин на стрелку, отображающую давление на циферблате.

Анероидный барометр

Характеристики:

  • Диапазон измерений: обычно от 950 до 1050 гПа.
  • Точность: точность может варьироваться, но современные анероидные барометры достаточно точны для решения большинства практических задач.

Преимущества:

  • Отсутствие жидкости: использование ртути или других жидкостей не требуется, что делает барометр более безопасным и удобным в использовании.
  • Портативность: анероидные барометры легче и удобнее в транспортировке по сравнению с ртутными.
  • Устойчивость к температурным изменениям: анероидные приборы менее чувствительны к колебаниям температуры, чем ртутные.
Статья по теме:  Волосяные гигрометры: особенности, преимущества и недостатки, принцип работы

Сифонный барометр

сифонный барометр

Сифонный барометр представляет собой трубку с закрытым концом, а сифонно-чашечный имеет две трубки: одна открыта, другая закрыта, к ним присоединена чаша. Показания давления воздуха определяются с использованием разницы уровней жидкости в этих трубках.

Ртутный барометр

ртутный барометр

Ртутный барометр функционирует как пара сообщающихся сосудов, заполненных ртутью. Верхняя часть одной из стеклянных трубок, длиной около 90 см, закрыта и не содержит воздуха. В зависимости от изменений атмосферного давления ртуть поднимается или опускается в трубке, а специальный поплавок отображает движение ртутного столба, указывая уровень в миллиметрах. Нормальное значение давления составляет 760 мм рт. ст.; повышения напряжения показывают увеличение давления, а понижения – его снижение. Хотя ртутные барометры не используются в повседневной жизни из-за содержания токсичной ртути и громоздкости, они все еще применяются в лабораториях и научных метеорологических станциях, где требуется высокая точность данных.

Советы по настройке барометра

Барометры требуют обязательной настройки. Вот рекомендации по ее осуществлению:

  1. Рекомендуется заранее узнать точный показатель атмосферного давления.
  2. Используйте регулировочный винт, который обычно находится на задней части устройства.
  3. С помощью отвертки установите основную стрелку на величину атмосферного давления. Если регулировочный винт не позволяет это сделать, аккуратно сдвиньте шкалу.
  4. При необходимости вносите поправки в показания барометра, ориентируясь на инструкции к прибору.

Процесс такой настройки необходим перед первым использованием прибора. На последующих этапах показания следует снимать дважды в день в одно и то же время. При нестабильных погодных условиях рекомендуется снимать показания чаще, примерно раз в два часа. Перед тем как узнать значения, рекомендуется слегка постучать по стеклу, чтобы снизить трение в механизме, отвечающем за движение стрелки, и обеспечить корректную фиксацию данных.

Особенности трактовки данных

Барометр фиксирует значение атмосферного давления. Понижение показаний часто указывает на ухудшение погодных условий, тогда как повышение сигнализирует о предстоящем улучшении. Также важно учитывать динамику изменений:

  1. Если атмосферное давление постепенно уменьшается, это можно интерпретировать как предвестник ненастной и ветреной погоды через 6-12 часов.
  2. Резкое падение давления предвещает грозу или шторм, которые могут начаться в течение нескольких часов.
  3. Стабилизация атмосферного давления свидетельствует о прекращении дождей, ослаблении ветра и улучшении погодных условий.

Сравнимая информация о давлении: зимой высокое атмосферное давление обычно указывает на возможность заморозков, тогда как низкое – на потепление с осадками. Летом высокое давление предвещает жару, а понижение – возможное ухудшение погоды. При устойчивых погодных условиях наименьшие и наибольшие значения давления можно наблюдать: максимум в 10 и 22 часа и минимум в 4 и 16 часов.

Использование барометров по-прежнему остается актуальным для народа. Современные устройства значительно облегчают процесс прогнозирования погоды.

Манометры

В некоторых случаях необходимо использовать не атмосферное давление, а так называемое относительное давление, которое представляет собой разницу между атмосферным давлением и давлением в определенном сосуде. Для этой цели применяются приборы, именуемые манометрами.

Рассмотрим конструкцию жидкостного манометра. Его основой служит U-образная стеклянная трубка, заполненная жидкостью (чаще всего водой). Одно из колен трубки давление воздуха сообщается с атмосферой. При помощи шланга к манометру подсоединен сосуд, который изначально также открыт для атмосферы. В этом состоянии уровни воды в манометре в точности равны нулю. Однако после откачки воздуха насосом давление в сосуде уменьшается, и уровень воды в манометре смещается влево; разность в уровнях в коленах трубки показывает, на сколько давление в сосуде меньше атмосферного. Например, если разница уровней воды составляет 40 см, это значит, что давление в сосуде меньше атмосферного на 40 сантиметров водяного столба (см вод. ст.).

Статья по теме:  Калибровка pH метра

Рис. 5. Жидкостный манометр

Применение жидкостных манометров может быть не всегда практичным, так как для определения давления необходимо переводить сантиметры водяного столба в паскали; кроме того, жидкостные манометры не функционируют в условиях вибраций (например, на транспорте). Поэтому на практике широко используются деформационные металлические манометры, оснащенные шкалой, на которой сразу же указаны значения давления в паскалях (в действительности, это обозначает превышение давления над атмосферным).

Принцип работы металлического деформационного манометра основан на деформации его металлической изгибаемой трубки, в которой содержится газ, давление которого необходимо измерить. Движение трубки передается через две тяги на стрелку (см. рис. 6), которая вращается вокруг оси, а ее конец движется по шкале. Вся система, включая трубку, стрелку и шкалу, заключена в корпус, закрытый стеклом.

При увеличении давления газа в трубке она немного распрямляется, тем самым ее концы удаляются друг от друга, и это движение через тяги передается стрелке, которая смещается вправо по шкале. В случае уменьшения давления стрелка также двигается в обратном направлении, под действием упругих сил трубки.

Рис. 6. Металлический манометр

Заключение

В заключение следует подчеркнуть, что атмосферное давление измеряется с помощью барометров, таких как анероиды. В то время как давление, выходящее за пределы атмосферного, измеряется с помощью манометров различных типов и конструкций.

Список литературы

  1. Перышкин А. В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
  2. Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7–9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство Экзамен, 2010.
  3. Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (Источник)

Домашнее задание

  1. Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов №570, 572, 574, 576, 577, 599, 600, 601.
Оцените статью
РемСтройХолд
Добавить комментарий