POSKUS S TORRICELLIJEM: MERITVE ATMOSFERSKEGA TLAKA, POMEN - FIZIČNO - 2025

Poskus Torricelli je bila izvedena s fizikalnimi in italijanščina matematik Evangelista Torricelli v 1644, kar je privedlo v prvem merjenje atmosferskega tlaka.

Ta poskus je nastal zaradi potrebe po izboljšanju oskrbe z vodo v mestih. Evangelista Torricelli (1608-1647), ki je bila dvorni matematik pri velikem vojvodu Toskani Ferdinandu II, je skupaj z Galileom proučevala hidravlične pojave.

Slika 1. Torricellijev poskus, v katerem se živosrebrni stolpec zaradi atmosferskega tlaka dvigne za 760 mm. Vir: F. Zapata.

Poskus

Leta 1644 je Torricelli naredil naslednji poskus:

- Vstavil je živo srebro v cev dolgo 1 m, odprto na enem koncu in zaprto na drugem.

- Ko je bila cev popolnoma polna, jo je obrnil in jo odložil v posodo, v kateri je bilo tudi živo srebro.

- Torricelli je opazil, da se steber spusti in ustavi na približno 76 cm višini.

- Opazil je tudi, da se je sprostil vakuum v prostem prostoru, čeprav ni popoln.

Torricelli je poskus ponovil z različnimi cevkami. Naredil je celo majhno različico: v vedro je dodal vodo, ki je, lažja, plavala po živem srebru. Nato je počasi dvignil cev, ki vsebuje živo srebro, na površino vode.

Nato se je živo srebro spustilo in voda se je dvignila. Kot smo že povedali, vakuum ni bil popoln, saj so vedno obstajali ostanki živega srebra ali vode.

Merjenje atmosferskega tlaka

Atmosfera je mešanica plinov, v katerih prevladujejo dušik in kisik, s sledovi drugih plinov, kot so argon, ogljikov dioksid, vodik, metan, ogljikov monoksid, vodna para in ozon.

Gravitacijska privlačnost, ki jo izvaja Zemlja, je odgovorna za ohranjanje celotnega okoliškega planeta.

Seveda sestava ni enotna in tudi gostota ni, saj je odvisna od temperature. V bližini površine je dobra količina prahu, peska in onesnaževal iz naravnih dogodkov in tudi iz človeške dejavnosti. Težje molekule so bližje tlom.

Ker je tako veliko variabilnosti, je treba izbrati referenčno nadmorsko višino za atmosferski tlak, ki je zaradi praktičnosti upoštevana kot morska gladina.

Tu ni samo nobene gladine morja, ker to predstavlja tudi nihanja. Nivo ali datum se izbere s pomočjo geodetskega referenčnega sistema, določenega s skupnim dogovorom med strokovnjaki.

Koliko je vreden atmosferski tlak v bližini tal? Torricelli je našel svojo vrednost, ko je meril višino stebra: 760 mm živega srebra.

Barometer Torricelli

Na vrhu cevi je tlak 0, saj je bil tam vzpostavljen vakuum. Medtem je na površini kadi živega srebra tlak P ₁ atmosferski tlak.

Izberimo izvor referenčnega okvira na prosti površini živega srebra, na vrhu cevi. Od tam do površine živega srebra v posodi izmerite H, višino stebra.

Slika 2. Barometer Torricelli. Vir: Splošna fizika inženirjev. J. Lay. USACH.

Tlak na točki, označeni z rdečo barvo, na globini y ₁ je:

Kjer je ρ _Hg gostota živega srebra. Ker sta y ₁ = H in Po = 0:

Ker je gostota živega srebra konstantna, gravitacija pa konstantna, se izkaže, da je višina živega srebra sorazmerna s P _{1 ,} ki je atmosferski tlak. Zamenjava znanih vrednosti:

Enota za tlak v mednarodnem sistemu je pascal, okrajšano Pa. Po Torricellijevem poskusu je atmosferski tlak 101,3 kPa.

Pomen atmosferskega tlaka za podnebje

Torricelli je opazil, da se raven živega srebra v cevi vsak dan rahlo spreminja, zato je sklepal, da se mora spremeniti tudi atmosferski tlak.

Atmosferski tlak je odgovoren za velik del podnebja, vendar njegove dnevne spremembe ostanejo neopažene. Zato, ker niso na primer opazne kot nevihte ali mraz.

Vendar so te spremembe atmosferskega tlaka odgovorne za vetrove, ki vplivajo na padavine, temperaturo in relativno vlažnost. Ko se tla segrejejo, se zrak razširi in nagiba k dvigu, kar povzroči padec tlaka.

Kadar koli barometer kaže na visoke pritiske, lahko pričakujemo lepo vreme, medtem ko je z nizkimi pritiski možnost neviht. Za natančne vremenske napovedi potrebujete več informacij o drugih dejavnikih.

On

Čeprav se sliši čudno, saj je tlak opredeljen kot sila na enoto površine, v meteorologiji velja, da atmosferski tlak izrazi v milimetrih živega srebra, kot ga je določil Torricelli.

To je zato, ker se barometer živega srebra še danes uporablja z majhnimi spremembami od tistega časa, tako da je v čast Torricelliju 760 mm Hg enako 1 torrju. Z drugimi besedami:

Če bi Torricelli uporabil vodo namesto živega srebra, bi bila višina stebra 10,3 m. Živosrebrni barometer je bolj praktičen, saj je bolj kompakten.

Druge enote v široki uporabi so palice in mlinarji. En milibar je enak en hektopaskalni ali 10 ² paskalov.

Višinomeri

Višinomer je instrument, ki označuje višino kraja in primerja atmosferski tlak na tej višini s tistim na tleh ali drugem referenčnem mestu.

Če višina ni zelo velika, načeloma lahko predpostavimo, da gostota zraka ostane konstantna. Toda to je približek, saj vemo, da se gostota ozračja z višino zmanjšuje.

Z enačbo, uporabljeno zgoraj, se gostota zraka uporablja namesto živega srebra:

V tem izrazu se P _o vzame kot atmosferski tlak na tleh in P1 je mesto, katerega višina je treba določiti:

Altimetrična enačba kaže, da se tlak zniža eksponencialno z višino: za H = 0, P ₁ = P _ali in če je H → ∞, potem je P ₁ = 0.

Reference

1. Figueroa, D. 2005. Serija: Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 5. Tekočine in termodinamika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svet. 6. skrajšana izdaja. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Splošna fizika inženirjev. USACH.
4. Mott, R. 2006. Mehanika tekočin. 4. Izdaja. Pearsonova vzgoja.
5. Strangeways, I. 2003. Merjenje naravnega okolja. 2. Izdaja. Cambridge University Press.