Воздух Ø Чем выше над Землей находится воздух, тем меньше его плотность и тем больше он разряжен; Ø Например, на высоте 10 км, масса воздуха = 400 гр, Ø Давление измеряют с помощью специальных приборов, которые называются барометрами. 2

Воздух Ø Величина атмосферного давления. Опыт Торричелли. Ø Давление атмосферы = 760 мм рт. ст. Ø Миллиметр ртутного столба – единица измерения давления. Ø Приборы, измеряющие давление воздуха: Ртутный барометр, барометранероид 3

В конце 1646 года Блез Паскаль, узнав от знакомого отца о торричеллиевой трубке, повторил опыт итальянского учёного. Впоследствии Паскаль сосредоточился на доказательстве того, что столбик ртути в стеклянной трубке удерживается давлением воздуха. 4

Достоверно показать, что высота подъема жидкости в трубке Торричелли зависит от давления атмосферного воздуха, можно было только сравнив показания прибора у земли и на большой высоте, где давление меньше. 15 ноября 1647 года Паскаль направил письмо Флорену Перье, мужу своей племянницы Маргариты, жившему в Клермон-Ферране, и попросил его подняться с трубкой на вершину горы Пюи-де-Дом (высота 975 м), расположенной недалеко от города. Эксперимент из-за погодных условий состоялся только 19 сентября 1648 года, зато оправдал все ожидания. Разница уровней ртути на вершине горы и в саду составила 3 дюйма 11/2 линии (8 мм) 5

В Париже на башне Сен-Жак опыты повторяет уже сам Паскаль, полностью подтвердив данные Перье. В честь этих открытий на башне был установлен памятник учёному. В «Рассказе о великом эксперименте равновесия жидкостей» (1648) Паскаль привёл свою переписку с зятем и следствия, вытекающие из этого опыта: теперь есть возможность «узнать, находятся ли два места на одном уровне, то есть одинаково ли они удалены от центра земли, или которое из них расположено выше, как бы ни были они далеки друг от друга» . 6

Вполне есте ственно пад ение давлен воздуха с ув ия еличением в ысоты. Ведь наверх у на прибор уже давит мень ший столб воздуха. Вообще опыт с подъемом на гору Пюи-де -Дом стал небывалым событием в истории науки: впервые важное физическое явление было сначала предсказано теоретически, а затем обосновано экспериментально.

же решил Я то ентально эксперим ать, что с доказ м высоты е величени у сферное атмо Для эт давление я. о измер го я сначал етс а ил уменьша давле атмосфер но ни школы е на I этаж е е … …а затем на чердаке школы 8

Стрелка барометра на чердаке незначительно отклонилась в сторону понижения давления. Незначительное уменьшение давления связано с тем, что атмосферное давление уменьшается каждые 11 метров на 1 мм. рт. ст. Высота двухэтажного здания школы меньше 11 метров, поэтому и давление изменилось меньше чем на 1 мм рт ст.

Барометр может служить для определения высоты полета самолета. Такой барометр называется барометрический высотомер или альтиметр Он определяет высоту подъема над уровнем моря по изменению атмосферного давления. 10

Еще не так давно альтиметры представляли собой массивные и дорогие приборы В последние годы появились легкие наручные альтиметры Многие приборы многофункциональны и могут служить, например, барометром и электронным компасом. Знание высоты собственного местоположения может оказаться весьма полезным при ориентировании в горах в условиях плохой видимости.

Плотность воздуха с высотой уменьшается, соответственно уменьшается и атмосферное давление. Тело человека приспособлено к атмосферному давлению и плохо переносит его понижение. При подъеме на высокие горы многие люди чувствуют себя плохо, появляются приступы «горной болезни» , становится трудно дышать, из ушей и носа нередко идет кровь, можно даже потерять сознание, руки и ноги плохо «слушаются» , легко получаются вывихи. Для защиты космонавта от влияния пониженного давления кабины кораблей делаются герметическими, и в них создаётся и поддерживается нормальное барометрическое давление. Для выхода в открытый космос существуют специальные скафандры. 12

Организм людей, живущих на больших высотах, приспосабливается к пониженному давлению. Например, в Андах Южной Америки, в Тибете и в некоторых других местах встречаются постоянные людские поселения на высотах около 5000 м. Экспедиция англичан на Эверест в 1924 году обнаружила на высоте 5200 м жилье тибетского отшельника. В Тибете на высоте 5000 м существовали копи, где люди добывали золото. Однако человек и большинство животных не живут на больших высотах, т. к. все-таки они плохо переносят низкое давление.

Только птицы могут залетать туда. Так птица кондор водится в Андах на высотах до 7000 м, а может подниматься на высоту до 9000 м. Во время экспедиции на Эверест в 1924 г за людьми следовали горные галки до высшего пункта подъема 8200 м. Гриф и ястреб свободно поднимаются до высоты 6000 -7000 м. Орел поднимается до высоты 5000 м, остальные птицы держатся на высоте не более 4000 м.

Закрепление Ø Ø Ø 1. Э. Торричелли-создал ртутный барометр и впервые измерил а/ д 2. мм рт. ст. – единица измерения а/д 3. Барометр- прибор для измерения а/д 4. Ртутный барометр- имеет трубку и чашку с ртутью 5. Барометр- анероид- безжидкостный барометр 6. Метеорологические станции- станции, где постоянно ведется наблюдение за состоянием а/ д

По какому закону меняется атмосферное давление с высотой?

Допустим, что известно давление на одном уровне. Какое оно в тот же момент на другом уровне? Возьмем вертикальный столб воздуха с поперечным разрезом, равным единице, и выделим в этом столбе тонкий слой, ограниченный снизу поверхностью на высоте Z , а сверху – поверхностью на высоте (Z+dZ). Толщина слоя dZ.

Рисунок 3.1 – Силы, которые действуют на элементарный объем воздуха

На нижнюю поверхность выделенного элементарного объема соседний воздух действует с силой давления, которая направленная снизу вверх. Модуль этой силы на рассмотренной поверхности площадью, равной единице, и будет давлением воздуха Р на этой поверхности. На верхнюю поверхность элементарного объема соседний воздух действует с силой давления, которая направлена сверху вниз. Модуль этой силы P+dP есть давление на верхней границе. Это давление отличается от давления на нижней границе на маленькую величину dр, причем заранее не известно, будет dр положительным или отрицательной, то есть будет давление на верхней границе выше или ниже, чем на нижней границе.

Что касается сил давления, которые действуют на боковые стенки объема, то допустим, что в горизонтальном направлении атмосферное давление не меняется. Это значит, что силы давления, которые действуют со всех сторон на боковые стенки, уравновешиваются: их равнодействующая равняется нулю. Отсюда вытекает, что воздух в горизонтальном направлении не имеет ускорения и не перемещается.

Кроме того, на рассмотренный элементарный объем действует сила тяжести, которая направленная вниз и равняется ускорению свободного падения g, умноженному на массу воздуха во взятом объеме. Поэтому при вертикальном разрезе, равном единице, объем равняется dz, масса воздуха в нем равняется ρdz, где ρ – плотность воздуха, а сила тяжести равняется gρdz.

Сила тяжести gρdz и сила давления Р+dp направлены вниз; возьмем их с отрицательным знаком. Вверх направлена сила давления Р, ее возьмем с знаком “ + “.

В состоянии равновесия:

- (Р + dp) + Р – gρdz = 0

или dр = - gρdz (3.4)

Отсюда следует, что при движении вверх атмосферное давление падает.

Уравнение (3.4) называется основным уравнением статики атмосферы.

= - gp

- gp = 0

- g = 0,

-- падение давления на единицу прироста высоты, то есть вертикальный барический градиент (вертикальный градиент давления).

- вертикальный барический градиент, отнесенный к единице массы и направленный вверх.

Основное уравнение статики выражает условие равновесия между двумя силами, которые действуют на единицу массы воздуха по вертикали – вертикальным барическим градиентом и силой тяжести.

Чтобы получить уравнение для изменения давления при конечном приросте высоты нужно проинтегрировать уравнение (3.4) в пределах от уровня z 1 до z 2 с давлением от Р 1 до Р 2 . При этом плотность воздуха ρ есть переменной величиной, функцией высоты.

ρ =

dp = - dz ли

= -dz (3.5)

Проинтегрируем уравнение (3.5)

= -

ln p 2 – ln p 1 = -

Температура – величина перемена, зависит от высоты. Но эта зависимость не может быть точно описана математической функцией. Поэтому, берут среднее значение температуры T m между уровнями z 1 и z 2 . Тогда среднюю температуру можно вынести за знак интеграла.

ln p 2 – ln p 1 = -

ln = -(z 2 – z 1) (3.6)

Потенцируем уравнения 3.6, и получим:

(3.7)

Уравнение (3.7) называется барометрической формулой.

Эта формула показывает, как меняется атмосферное давление с высотой в зависимости от температуры воздуха.

С помощью барометрической формулы можно решить три задачи:

зная давление на одном уровне и среднюю температуру слоя воздуха, найти давление на другом уровне;

зная давление на обоих уровнях и среднюю температуру слоя воздуха, найти разность уровней (барометрическое нивелирование);

зная разность уровней и значения давления на них, найти среднюю температуру слоя воздуха.

В случае расчетов для влажного воздуха берется значение R для сухого воздуха, умноженное на (1 + 0,378).

Важным вариантом первой задачи есть приведение давления к уровню моря . Зная давление на некоторой станции, расположенной на высоте Z над уровнем моря, и температуру t на этой станции, вычисляют сначала среднюю температуру на рассмотренной станции и на уровне моря. Для уровня станции берется фактическая температура, а для уровня моря – та же температура, но увеличенная в той мере, в которой в среднем меняется температура воздуха с высотой. Средний вертикальный градиент температуры в тропосфере принимается равным 0,6 °С /100 г.

Итак, если станция имеет высоту 200 м и температура на ней 16 °С, то для уровня моря температура принимается равной 17,2 °С, а средняя температура составит 16,6 °С. После этого по давлению на станции и по полученной средней температуре определяется давление на уровне моря. Приведение давления к уровню моря необходимо потому, что на приземные карты погоды всегда наносится давление, приведенное к уровню моря. Этим исключается влияние расхождений в высотах станций на значение давления и становится возможной выяснить горизонтальное распределение давления.

Движение. Теплота Китайгородский Александр Исаакович

Изменение давления с высотой

Изменение давления с высотой

С изменением высоты давление падает. Впервые это было выяснено французом Перье по поручению Паскаля в 1648 г. Гора Пью де Дом, около которой жил Перье, была высотой 975 м. Измерения показали, что ртуть в торричеллиевой трубке падает при подъеме на гору на 8 мм. Вполне естественно падение давления воздуха с увеличением высоты. Ведь наверху на прибор уже давит меньший столб воздуха.

Если вы летали в самолете, то знаете, что на передней стенке кабины помещен прибор, показывающий с точностью до десятков метров высоту, на которую поднялся самолет. Прибор называется альтиметром. Это обычный барометр, но проградуированный на значения высот над уровнем моря.

Давление падает с возрастанием высоты; найдем формулу этой зависимости. Выделим небольшой слой воздуха площадью в 1 см 2 , расположенный между высотами h 1 и h 2 . В не очень большом слое изменение плотности с высотой мало заметно. Поэтому вес выделенного объема (это цилиндрик высотой h 2 ? h 1 и площадью 1 см 2) воздуха будет mg = ?(h 2 ? h 1)g . Этот вес и дает падение давления при подъеме с высоты h 1 на высоту h 2 . То есть

Но по закону Бойля – Мариотта плотность газа пропорциональна давлению. Поэтому

Слева стоит доля, на которую возросло давление при снижении с h 2 до h 1 . Значит, одинаковым снижениям h 2 ? h 1 будет соответствовать прирост давления на один и тот же процент.

Измерения и расчет показывают в полном согласии, что при подъеме над уровнем моря на каждый километр давление будет падать на 0,1 долю. То же самое относится и к спуску в глубокие шахты под уровень моря – при опускании на один километр давление будет возрастать на 0,1 долю своего значения.

Речь идет об изменении на 0,1 долю от значения на предыдущей высоте. Это значит, что при подъеме на один километр давление уменьшается до 0,9 от давления на уровне моря, при подъеме на следующий километр оно становится равным 0,9 от 0,9 давления на уровне моря; на высоте в 3 километра давление будет равно 0,9 от 0,9 от 0,9, т.е. (0,9) 3 давления на уровне моря. Нетрудно продлить это рассуждение и далее.

Обозначая давление на уровне моря через p 0 , можем записать давление на высоте h (выраженной в километрах):

p = p 0 (0,87) h = p 0 ·10 ?0,06h .

В скобках записано более точное число: 0,9 – это округленное значение. Формула предполагает температуру одинаковой на всех высотах. На самом же деле температура атмосферы меняется с высотой и притом по довольно сложному закону. Тем не менее формула дает неплохие результаты, и на высотах до сотни километров ею можно пользоваться.

Нетрудно определить при помощи этой формулы, что на высоте Эльбруса – около 5,6 км – давление упадет примерно вдвое, а на высоте 22 км (рекордная высота подъема стратостата с людьми) давление упадет до 50 мм Hg.

Когда мы говорим про давление 760 мм Hg – нормальное, не нужно забывать добавить: «на уровне моря». На высоте 5,6 км нормальным давлением будет не 760, а 380 мм Hg.

Вместе с давлением по тому же закону падает с возрастанием высоты и плотность воздуха. На высоте 160 км воздуха останется маловато.

Действительно,

(0,87) 160 = 10 ?10 .

У земной поверхности плотность воздуха равна примерно 1000 г/м 3 , значит, на высоте 160 км на один, кубический метр должно приходиться по нашей формуле 10 ?7 г воздуха. На самом же деле, как показывают измерения, произведенные при помощи ракет, плотность воздуха на этой высоте раз в десять больше.

Еще большее занижение против истины дает наша формула для высот в несколько сот километров. В том, что формула становится непригодной на больших высотах, виновато изменение температуры с высотой, а также особое явление – распад молекул воздуха под действием солнечного излучения. Здесь мы не станем на этом останавливаться.

Отмечены колебания атмосферного давления на уровне моря в пределах 641 - 816 мм рт. ст. (внутри смерча давление падает и может достигать значения 560 мм ртутного столба). В стационарных условиях атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создаётся лишь вышележащим слоем атмосферы. На картах атмосферное давление изображается с помощью изобар - изолиний, соединяющих точки с одинаковым приземным атмосферным давлением, обязательно приведенным к уровню моря. Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа (гектопаскаль), называется «барической (барометрической) ступенью». При температуре воздуха 0 °C и давлении 1000 гПа, барическая ступень равна 8 м/гПа. Следовательно, чтобы давление уменьшилось на 1 гПа, нужно подняться на 8 метров.

Пониженное атмосферное давление человек может ощутить, когда находиться на горе и взлетает на самолете. Основной физиологический фактор высоты это пониженное атмосферное давление и, вследствие этого, пониженное парциальное давление кислорода. Организм реагирует на пониженное атмосферное давление, прежде всего, усилением дыхания. Благодаря этому процессу, легочная вентиляция человека, который испытывает пониженное атмосферное давление, возрастает в необходимых пределах и организм получает достаточный объем кислорода.

Как расчитвть высоту По изменению атмосферного давления?

4 –Каковы были показания барометра, если известно, что при поднятии на 12 м атмосферное давление уменьшается на 1 мм рт. ст. (1фут=30,5см)? Ответ: Плотность воздуха убывает с высотой.Чем выше, тем воздух разряжённее. Чтобы вдохнутьвоздух, человек с помощью мышц расширяет грудную клетку.

§ 175. Распределение атмосферного давления по высоте

Построение графика убывания давления с высотой. Но с увеличением высоты плотность воздуха убывает.

Атмосферное давление измеряется с помощью барометров. Рядом с трубкой крепится шкала, показывающая изменение давления. Высота ртутного столба меняется при изменении давления.

По разным регионам земного шара воздействие неодинаково. Показатели связаны с приподнятостью поверхности над уровнем моря, направлением ветра, влажности и температуры окружающей среды. Теплый воздух весит меньше, чем холодный. Над областью с повышенной температурой или влажностью сжатие атмосферы всегда меньше.

Чем выше уровня моря, тем давление воздуха меньше. Он снижается, так как с поднятием уменьшается высота столба воздуха, который давит на земную поверхность. С высотой давление падает еще и потому, что уменьшается плотность самого воздуха. Следовательно, с изменением температуры воздуха непрерывно меняется и давление.

Зависимость давления от высоты над уровнем моря

Затем отверстие открывали, часть ртути выливалась, а в трубке оставался столб ртути определенной высоты h, гидростатическое давление которого уравновешивается атмосферным давлением. Атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты подъема над Землей. Это объясняется тем, что с увеличением высоты толщина сжимающего слоя атмосферы уменьшается.

Мы хотим рассказать, чем обусловлена зависимость давления от высоты. Исследования показали, что зависимость атмосферного давления от высоты отличается следующим: повышение на десять метров вызывает снижение параметра на одну единицу. Сила оказываемого воздухом давления также зависит от температуры, которая очень понижается при подъеме на большую высоту.

Таким образом, с ростом расстояния до земли увеличивается сила тяжести, действующая на воздух в нижних частях атмосферы. Заметьте, что физическая сущность повышения давления в жидкости с увеличением глубины та же самая, что и в воздухе. Сжимаемость воздуха же приводит к тому, что зависимость давления от высоты подъема над уровнем моря становится экспоненциальной. Больцмановское распределение, на самом деле, напрямую связано с явлением спада давления воздуха, ибо этот спад и приводит к тому, что концентрация частиц с высотой уменьшается.

Все риски за использование информаци с сайта посетители берут на себя. Проект TehTab.ru является некоммерческим, не поддерживается никакими политическими партиями и иностранными организациями.

При подъеме на большую высоту понижение атмосферного давления и разреженный воздух вызывают учащение частоты сердечных сокращений, повышение показателей кровяного давления. Однако при дальнейшем увеличении высоты уровень АД начинает снижаться.

Так как с подъемом вверх воздух становится все более разреженным, атмосферное давление понижается (в тропосфере в среднем 1 мм на каждые 10,5 м подъема). Поэтому для территорий, расположенных на разной высоте над уровнем моря, средним будет свое значение атмосферного давления. Поэтому у полюсов атмосферное давление, повышенное по сравнению с широтами на 60-65°. В результате того, что в умеренных широтах Северного полушария зимой атмосферное давление над материками сильно повышается, пояс низкого давления прерывается. Величина изменения атмосферного давления на единицу расстояния (100 км) называется барическим градиентом.

Однако явление притяжения к Земле все же заставляет больше молекул воздуха находиться в нижних слоях атмосферы. Однако уменьшение плотности воздуха с высотой имеет значение, если рассматривать всю атмосферу, составляющую около 10000 км высоты. В таком случае на изменение атмосферного давления оказывает влияние только изменение высоты над уровнем моря. Тогда можно легко посчитать, как именно с высотой меняется атмосферное давление.