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.
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.
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:
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.
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.
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 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:
- Рекомендуется заранее узнать точный показатель атмосферного давления.
- Используйте регулировочный винт, который обычно находится на задней части устройства.
- С помощью отвертки установите основную стрелку на величину атмосферного давления. Если регулировочный винт не позволяет это сделать, аккуратно сдвиньте шкалу.
- 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:
- Если атмосферное давление постепенно уменьшается, это можно интерпретировать как предвестник ненастной и ветреной погоды через 6-12 часов.
- Резкое падение давления предвещает грозу или шторм, которые могут начаться в течение нескольких часов.
- 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.).
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
- Перышкин А. В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
- Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7–9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство Экзамен, 2010.
- 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
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (Источник)
Домашнее задание
- Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов №570, 572, 574, 576, 577, 599, 600, 601.
