Какие приборы служат для измерения атмосферного давления

Прибор для измерения атмосферного давления

Кто первым изобрел способ измерения атмосферного давления

Несмотря на то, что мы не можем видеть воздух, он реален и имеет давление. Давление атмосферы меняется. Оно выше на уровне моря и уменьшается по мере того, как мы поднимаемся выше в атмосферу. Некоторые погодные системы имеют несколько более высокое давление, чем другие, например, существуют погодные системы высокого давления и низкого давления.

Барометр — это прибор для измерения атмосферного давления. Двумя распространенными типами являются анероидный барометр и ртутный барометр (изобретенный первым). Евангелиста Торричелли изобрел первый барометр, известный как «трубка Торричелли».

Фактически, 21% атмосферы Земли состоит из живительного кислорода (78% состоит из азота, а оставшийся 1% — из ряда других газов). И доля этого 21% практически одинакова как на уровне моря, так и на высокогорных высотах.

Большая разница заключается не в количестве присутствующего кислорода, а скорее в плотности и давлении.

Как измерялось атмосферное давление

Полная теория того, как работает барометр, была разработана французским ученым Блезом Паскалем. Он понял, что если бы воздух имел вертикальный вес, то на больших высотах давление было бы ниже.

В 1646 году он попросил родственника отнести барометр на гору и по пути записать высоту ртутного столба. И действительно, уровень ртути упал по мере того, как его родственник поднимался все выше. Это доказало, что давление воздуха вызвано вертикальным весом воздуха.

Барометр Евангелиста Торричелли

В 1648 году французский физик Блез Паскаль измеряет давление воздуха во время восхождения на вулканическую гору Пюи-де-Дом во Франции с помощью раннего барометра, изобретенного итальянским физиком Евангелистой Торричелли в 1643 году.

Блез Паскаль и Флорин Перьеподнялись на Пюи-де-Купол — небольшой, покрытый травой потухший вулкан в центральной Франции с высотой вершины 1464 метра. Они несли с собой стеклянную колонну высотой в метр, наполненную ртутью. Высокий столбик ртути стоял в луже ртути у основания. Прибором для измерения атмосферного давления был стеклянный столбик ртути — первый барометр. Он был огромным и тяжелым. Ртуть более чем в десять раз тяжелее воды. Ношение этого инструмента, должно быть, сделало поход непростым испытанием.

Когда давление воздуха было выше, ртуть в бассейне заполняла пространство в колонке, повышая уровень внутри стакана. Когда давление воздуха было ниже, ртуть в бассейне распространялась, извлекая часть ртути из колонки и понижая уровень в стакане. Паскаль и Перье измерили высоту ртутного столба в стеклянном столбе на трех высотах горы.

Они обнаружили, что на более высоких высотах со стороны Пюи-де-Купол уровень ртути в стеклянной колонне был ниже, чем на более низких высотах. Они пришли к выводу, что различия в высоте ртути были вызваны различиями в весе воздуха над ними. Когда они поднимались в гору, над ними было меньше атмосферы, и, следовательно, меньше веса воздуха для сжатия ртути. Основываясь на этом открытии, Паскаль пришел к выводу, что над атмосферой существует вакуум.

Именно Галилей предложил Евангелисту Торричелли использовать ртуть в своих вакуумных экспериментах. Торричелли наполнил ртутью стеклянную пробирку длиной 1,2 метра и перевернул пробирку в тарелку. Часть ртути не вытекла из трубки, и Торричелли наблюдал за создавшимся вакуумом.

Он стал первым ученым, создавшим устойчивый вакуум и открывшим принцип барометра. Торричелли понял, что изменение высоты ртутного столба изо дня в день было вызвано изменениями атмосферного давления. Торричелли построил первый ртутный барометр около 1644 года.

Люсьен Види — Анероидный барометр

В 1843 году французский ученый Люсьен Види изобрел анероидный барометр. Барометр-анероид регистрирует изменение формы вакуумированной металлической ячейки для измерения изменений атмосферного давления.

Анероид означает отсутствие жидкости, жидкости не используются, металлическая ячейка обычно изготавливается из люминофорной бронзы или бериллиевой меди.​

В 1787 году Гораций Бенедикт де Соссюр поднялся на вершину Монблана, чтобы исследовать атмосферу. Всего за год до этого впервые было успешно совершено восхождение на эту скалистую вершину в Альпах. Это самая высокая точка в Европе с высотой вершины 4810 метров над уровнем моря. Соссюр добрался до вершины, неся с собой барометр и термометр и делая измерения по пути. К этому времени были доступны меньшие и более портативные приборы, чем громоздкий барометр, который Паскаль и Перье носили с собой в 1648 году.

Даже несмотря на то, что ему пришлось немного сократить время, проведенное на горе, из-за того, что он был ослаблен горной болезнью, измерения, сделанные Соссюром, были очень ценными. Они продемонстрировали, что температура воздуха снижается с высотой в атмосфере примерно на 0,7°C на 100 метров. Обладая этой информацией, Герман фон Гельмгольц и другие пришли к выводу, что на высоте около 30 км в атмосфере температура будет составлять -273°C. При такой температуре тепла не остается. Он известен как абсолютный ноль.

Абсолютный ноль считается самой низкой возможной температурой. Его никогда не находили даже с помощью современных технологий, хотя ученые XXI века подошли очень близко. В XVIII веке, когда Гельмгольц проводил свои расчеты, температура такого холода была зашкаливающей. Прошло бы около 60 лет, прежде чем лорд Кельвин изобрел температурную шкалу, в которой в качестве нулевого значения использовался абсолютный ноль.

Таким образом, когда Гельмгольц объявил, что абсолютный ноль может быть где-то там, ученые проявили большой интерес к исследованию этой высоты в атмосфере, чтобы найти абсолютный ноль.

Французские братья Жозеф-Мишель и Жак-Этьен Монгольфье изобрели воздушный шар с горячим воздухом в 1783 году. Он был сделан из мешковины с тонкими слоями бумаги внутри, скрепленными 1800 пуговицами. 3 июня 1783 года они летели 10 минут и поднялись, возможно, на высоту 2000 метров.

С помощью воздушных шаров ученые смогли начать исследования выше, чем когда-либо прежде. Через год после исторического полета братьев Монгольфье Гайтон де Моро и преподобный Бертран отправились в атмосферу над Дижоном, Франция, на воздушном шаре с приборами для измерения температуры и давления. Они поднялись в атмосфере на высоту более 3000 метров, делая по пути измерения.

Какие приборы служат для измерения атмосферного давления

Барометры бывают двух основных форм:

• анероидный барометр;
• ртутный барометр.

В анероидных барометрах используются ячейки, которые расширяются и сжимаются при изменении давления воздуха. Давление воздуха измеряется путем введения иглы в эти ячейки. Ртутный барометр, с другой стороны, использует ртуть, которая поднимается и опускается в ответ на изменения давления воздуха.

В течение долгого времени атмосферное давление измерялось ртутным барометром. Он имеет участок ртути, подверженный воздействию атмосферы. Атмосфера давит вниз на ртуть. Если происходит повышение давления, это заставляет ртуть подниматься внутри стеклянной трубки, и отображается более высокое значение измерения. Если атмосферное давление уменьшается, сила, направленная вниз на ртуть, уменьшается, и высота ртути внутри трубки уменьшается. Будет показано более низкое измерение. Этот тип прибора можно использовать в лаборатории или на метеостанции, но его нелегко перемещать. Измерения с помощью ртутного барометра обычно производятся в метрах ртутного столба.

Для постоянного измерения атмосферного давления можно настроить либо ртутный барометр, либо барометр-анероид. Тогда это называется барографом.

Барограф — это барометр, который регистрирует атмосферное давление с течением времени в графической форме. Этот прибор также используется для непрерывной регистрации атмосферного давления.

Чувствительный к давлению элемент, частично вакуумированный металлический цилиндр, соединен с рукояткой пера таким образом, что вертикальное смещение пера пропорционально изменениям атмосферного давления.

Барограф может постоянно регистрировать давление на бумаге или фольге, обернутой вокруг барабана, который совершает один оборот в день, в неделю или в месяц. В настоящее время многие механические метеорологические приборы были заменены электронными приборами, которые записывают атмосферное давление на компьютер.

Устройство барографа

Устройство имеет небольшую гибкую металлическую капсулу, известную как анероидная ячейка. Конструкция этого прибора создает вакуум, так что небольшие изменения давления воздуха могут вызвать сжатие или расширение ячейки. Затем выполняется калибровка анероидной ячейки, и изменения объема передаются рычагами и пружинами на рычаг, который перемещается соответствующим образом. Барографы имеют указатель, расположенный на боковой стороне цилиндра, который вращается вместе с графической бумагой. Указатель перемещается по бумаге при вращении цилиндра. Эти следы указывают на увеличение и уменьшение давления.

Простой барометр, похожий на часы, — это еще один тип анероидного барометра. Он функционирует так же, как барограф, за исключением того, что использует указатель, который перемещается слева направо полукруглым движением по циферблату для индикации низкого и высокого давления.

Ртутный барометр имеет длинную стеклянную трубку, наполненную ртутью, перевернутую вверх дном в чаше с ртутью, известной как цистерна. Когда ртуть вытекает из трубки и попадает в резервуар, в верхней части трубки создается вакуум. Естественно, вакуум оказывает очень незначительное или вообще не оказывает давления на окружающую среду. Давление воздуха отвечает за поддержание столбика ртути на высоком уровне. Когда давление воздуха выталкивает ртуть вниз в резервуар, ртуть в свою очередь выталкивается вверх с таким же давлением на ртуть внутри стеклянной трубки. Высота ртутного столба внутри трубки указывает на общее давление, оказываемое окружающей средой.

Принципы измерения атмосферного давления и погрешность измерений

Атмосферное давление измеряется барометром, в котором используется кремниевый емкостный датчик давления, обладающий отличной повторяемостью и характеристиками долговременной стабильности.

Точное измерение атмосферного давления имеет фундаментальное значение в метеорологии и имеет особое значение для безопасности посадки воздушных судов в аэропортах. Чтобы свести любые ошибки к абсолютному минимуму, прибор содержит три отдельных датчика давления, а внутреннее программное обеспечение прибора проверяет наличие любых различий между тремя независимыми измерениями.

Установка датчика давления в полевых условиях должна осуществляться с большой осторожностью. Любое движение воздуха через вентиляционное отверстие, соединяющее датчик с окружающей средой, вызовет падение давления, вызванное простым динамическим эффектом, описываемым принципом Бернулли. Аналогичным образом, на давление неподвижного воздуха внутри здания будет влиять поток воздуха вокруг здания или даже система кондиционирования воздуха.

Напор статического давления

Чтобы избежать ошибочных измерений, датчик давления подвергается воздействию через напор статического давления, устройство, разработанное таким образом, чтобы динамические эффекты ветра были сведены к минимуму.

Как используются наблюдения за давлением

Атмосферное давление сильно меняется с высотой, снижаясь вблизи поверхности примерно на 1 ГПа (или 1 миллибар) на каждые 10 м по вертикали. Чтобы понять показания давления сети барометров по всей Великобритании, каждый из которых находится на разной высоте над уровнем моря, все значения давления на уровне станции преобразуются в оценку давления на среднем уровне моря с использованием формулы, учитывающей температуру воздуха. Среднее давление на уровне моря, давление на уровне станции и тенденция давления в течение предыдущих трех часов сообщаются со всех синоптических станций каждый час. Тенденция определяется одной из десяти категорий: устойчивая, растущая, падающая, растущая, затем падающая и т. д.

Статическое давление или гидростатическое давление — это давление, оказываемое жидкостью в состоянии покоя. Жидкость — это любое вещество, которое не соответствует фиксированной форме. Это может быть жидкость или газ. Поскольку жидкость не движется, статическое давление является результатом веса жидкости или силы тяжести, действующей на частицы в жидкости.

Существует два различных способа измерения статического давления.

1. Первая (и наиболее распространенная) мера состоит в том, чтобы взять силу, действующую на жидкость, и разделить ее на площадь, на которую она действует.
2. Второй распространенный метод вычисления статического давления заключается в вычислении напора давления, который иногда называют напором, и того, что вы можете видеть на изображении.

Напор давления — это то, насколько высоко поднимется жидкость, если убрать силы, сдерживающие жидкость.

В метеорологических целях атмосферное давление обычно измеряется с помощью электронных барометров, ртутных барометров, анероидных барометров или гипсометров.

Последний класс приборов, который зависит от соотношения между температурой кипения жидкости и атмосферным давлением, до сих пор имел лишь ограниченное применение.
Метеорологические приборы для измерения давления (барометры) подходят для использования в качестве рабочих приборов для измерения атмосферного давления, если они отвечают следующим требованиям:

1. Приборы должны регулярно калиброваться или контролироваться по (рабочему) стандартному барометру с использованием утвержденных процедур. Период между двумя калибровками должен быть достаточно коротким, чтобы гарантировать, что общая абсолютная погрешность измерения будет соответствовать требованиям точности.
2. Любые отклонения в точности (долгосрочные и краткосрочные) должны быть намного меньше, чем допуски. Если у некоторых приборов были отклонения в
   калибровке, они будут пригодны для эксплуатации только в том случае, если период между калибровками достаточно короткий, чтобы обеспечить требуемую точность измерений в любое время.
3. Колебания температуры не должны влиять на показания прибора. Инструменты подходят только в том случае, если: процедуры корректировки показаний с учетом влияния температуры обеспечат требуемую точность; и/или датчик давления помещается в среду, где температура стабилизируется таким образом, чтобы была достигнута требуемая точность.

Единицы измерения

Атмосферное давление может быть записано и представлено во многих различных единицах измерения. Ртутный барометр производит измерения в метрах ртутного столба.

Фунты на квадратный дюйм (сокращенно p.s.i.) распространены в английской системе единиц, а паскаль (сокращенно Pa) является стандартом в метрической системе (СИ). Поскольку давление, оказываемое атмосферой Земли, имеет большое значение, давление иногда выражается в терминах «атмосфер» (сокращенно атм). В зависимости от погоды бар и миллибар (мб) описывают давление. Миллибар используется метеорологами при описании погодных систем с низким или высоким давлением.

Таким образом, на уровне моря при температуре 0:
°C 1 атмосфера = 75,9 см ртутного столба = 14,7 фунтов на квадратный дюйм = 101 325 Па = 1013,25 мб = 1,013 бар.

Атмосферное давление

Сегодня за окном идёт дождь. После дождя уменьшилась температура воздуха, увеличилась влажность и уменьшилось атмосферное давление. Атмосферное давление является одним из основных факторов, определяющих состояние погоды и климата, поэтому знания об атмосферном давлении необходимы в прогнозировании погоды. Большое практическое значение имеет умение измерять атмосферное давление. И его можно измерить специальными приборами-барометрами. В жидкостных барометрах при изменении погоды столбик жидкости понижается или повышается.

Знания об атмосферном давлении необходимы в медицине, в технологических процессах, жизнедеятельности человека и всех живых организмов. Существует прямая связь между изменениями атмосферного давления и изменениями погоды. Рост или понижение атмосферного давления может служить признаком изменения погоды и влияет на самочувствие человека.

Описание трёх взаимосвязанных физических явлений из повседневной жизни:

• Связь между погодой и атмосферным давлением.
• Явления, лежащие в основе работы приборов для измерения атмосферного давления.
• Зависимость давления жидкости от высоты столба жидкости в жидкостных барометрах.

Актуальность работы

Актуальность выбранной темы состоит в том, что во все времена люди, благодаря своим наблюдениям за поведением животных могли предугадать изменения погоды, стихийные бедствия, избежать людских жертв.

Влияние атмосферного давления на наш организм неизбежно, резкие изменения атмосферного давления влияют на самочувствие человека, особенно страдают метеозависимые люди. Конечно, уменьшить влияние атмосферного давления на здоровье человека мы не в силах, но помочь собственному организму можем. Правильно организовать свой день, распределить время между трудом и отдыхом может помочь умение измерять атмосферное давление, знание народных примет, использование самодельных приборов.

Цель работы: выяснить, какую роль в повседневной жизни человека играет атмосферное давление.

Задачи:

• Изучить историю измерения атмосферного давления.
• Установить, есть ли связь между погодой и атмосферным давлением.
• Изучить виды приборов, предназначенных для измерения атмосферного давления, изготовленных человеком.
• Изучить физические явления, лежащие в основе работы приборов для измерения атмосферного давления.
• Зависимость давления жидкости от высоты столба жидкости в жидкостных барометрах.

Методы исследования

• Анализ литературы.
• Обобщение полученной информации.
• Наблюдения.

Область исследования: атмосферное давление

Гипотеза: атмосферное давления имеет важное значение для человека.

Значимость работы: материал данной работы может быть использован на уроках и во внеурочной деятельности, в жизни моих одноклассников, учеников нашей школы, всеми любителями исследований природы.

План работы

I. Теоретическая часть (сбор информации):

1. Обзор и анализ литературы.
2. Интернет-ресурсы.

II. Практическая часть:

• наблюдения;
• сбор информации о погоде.

III. Заключительная часть:

1. Выводы.
2. Презентация работы.

История измерения атмосферного давления

Мы живем на дне огромного воздушного океана, называемого атмосферой. Все изменения, которые происходят в атмосфере, непременно оказывают влияние на человека, на его здоровье, способы жизнедеятельности, т.к. человек является неотъемлемой частью природы. Каждый из факторов, определяющих погоду: атмосферное давление, температура, влажность, содержание в воздухе озона и кислорода, радиоактивность, магнитные бури и др. оказывает прямое или косвенное воздействие на самочувствие и здоровье человека. Остановимся на атмосферном давлении.

Атмосферное давление — это давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и Земную поверхность.

В 1640 году великий герцог Тосканский решил устроить фонтан на террасе своего дворца и приказал для этого подвести воду из ближайшего озера с использованием всасывающего насоса. Приглашенные флорентийские мастера сказали, что это невозможно, потому что воду нужно было всасывать на высоту более 32 футов (более 10 метров). А почему вода не всасывается на такую высоту, объяснить не могли. Герцог попросил разобраться великого ученого Италии Галилео Галилея. Хотя ученый уже был стар и болен и не мог заняться экспериментами, он все-таки предположил, что решение вопроса лежит в области определения веса воздуха и его давления на водную поверхность озера. За разрешение этого вопроса взялся ученик Галилея Эванджелиста Торричелли. Для проверки гипотезы своего учителя он провел свой знаменитый опыт. Стеклянную трубку длиной 1 м, запаянную с одного конца, заполнил полностью ртутью, и плотно закрыв открытый конец трубки, перевернул ее этим концом в чашку с ртутью. Часть ртути из трубки вылилась, часть осталась. Над ртутью образовалось безвоздушное пространство. Атмосфера давит на ртуть в чашке, ртуть в трубке тоже давит на ртуть в чашке, так как установилось равновесие, то эти давления равны. Рассчитать давление ртути в трубке означает рассчитать давление атмосферы. Если атмосферное давление повышается или понижается, то столбик ртути в трубке соответственно повышается или понижается. Так появилась единица измерения атмосферного давления – мм. рт. ст. – миллиметр ртутного столба. Наблюдая за уровнем ртути в трубке, Торричелли заметил, что уровень меняется, значит, он не является постоянным и зависит от изменения погоды. Если давление повышается, погода будет хорошей: холодной – зимой, жаркой – летом. Если давление резко понижается, значит, ожидается появление облачности и насыщение влагой воздуха. Трубка Торричелли с приставленной линейкой представляет собой первый прибор для измерения атмосферного давления – ртутный барометр. (Приложение 1)

Создавали барометры и другие ученые: Роберт Гук, Роберт Бойль, Эмиль Марриот. Водяные барометры сконструировал французский ученый Блез Паскаль и немецкий бургомистр города Магдебурга Отто фон Герике. Высота такого барометра составляла более 10 метров.

Для измерения давления пользуются различными единицами: мм ртутного столба, физическими атмосферами, в системе СИ – Паскалями.

Связь между погодой и атмосферным давлением

В романе Жюль Верна «Пятнадцатилетний капитан» заинтересовало описание о том, как понимать показания барометра.

«Капитан Гуль, хороший метеоролог, научил его понимать показания барометра. Мы вкратце расскажем, как надо пользоваться этим замечательным прибором.

1. Когда после долгого периода хорошей погоды барометр начинает резко и непрерывно падать это верный признак дождя. Однако если хорошая погода стояла очень долго, то ртутный столбик может опускаться два-три дня, и лишь после этого произойдут в атмосфере сколько-нибудь заметные изменения. В таких случаях чем больше времени прошло между началом падения ртутного столба и началом дождей, тем дольше будет стоять дождливая погода.
2. Напротив, если во время долгого периода дождей барометр начнет медленно, но непрерывно подниматься, можно с уверенностью предсказать наступление хорошей погоды. И хорошая погода удержится тем дольше, чем больше времени прошло между началом подъема ртутного столба и первым ясным днем.
3. В обоих случаях изменение погоды, происшедшее сразу после подъема или падения ртутного столба, удерживается весьма непродолжительное время.
4. Если барометр медленно, но беспрерывно поднимается в течение двух-трех дней и дольше, это предвещает хорошую погоду, хотя бы все эти дни и лил, не переставая, дождь, и vice versa. Но если барометр медленно поднимается в дождливые дни, а с наступлением хорошей погоды тотчас же начинает падать, хорошая погода удержится очень недолго, и vice versa
5. Весной и осенью резкое падение барометра предвещает ветреную погоду. Летом, в сильную жару, оно предсказывает грозу. Зимой, особенно после продолжительных морозов, быстрое падение ртутного столба говорит о предстоящей перемене направления ветра, сопровождающейся оттепелью и дождем. Напротив, повышение ртутного стол ба во время продолжительных морозов предвещает снегопад.
6. Частые колебания уровня ртутного столба, то поднимающегося, то падающего, ни в коем случае не следует рассматривать как признак приближения длительного; периода сухой либо дождливой погоды. Только постепенное и медленное падение или повышение ртутного столба предвещает наступление долгого периода устойчивой погоды.
7. Когда в конце осени, после долгого периода ветров и дождей, барометр начинает подниматься, это предвещает северный ветер в наступление морозов.

Вот общие выводы, которые можно сделать из показаний этого ценного прибора. Дик Сэнд отлично умел разбираться в предсказаниях барометра и много раз убеждался, насколько они правильны. Каждый день он советовался со своим барометром, чтобы не быть застигнутым врасплох переменой погоды.»

Я провел наблюдения за изменением погоды и атмосферным давлением. И убедился, что существует эта зависимость.

Урок 24. Приборы для измерения давления. Решение задач по теме «Атмосфера и атмосферное давление». Обобщение темы «Атмосфера и атмосферное давление»

Ртутный барометр – простейший прибор для измерения давления, состоящий из трубки с ртутью с прикреплённой вертикальной шкалой.

Барометр-анероид – металлический барометр для измерения атмосферного давления (в переводе с греческого – безжидкостный). Он не содержит ртуть.

Для измерения давления жидкости или газов используют приборы, которые называют манометры.

Ключевые слова

Ртутный барометр, барометр-анероид, жидкостный манометр, металлический манометр.