§ 42. Барометр-анероид

Чем больше площадь,
тем меньше давление.

Давление жидкости зависит
от высоты столба жидкости.

Блез Паскаль
(1623-1662)
Французский ученый, занимающийся изучением гидростатического давлений.

Эванджелиста Торричелли
(1608-1647)
Итальянский ученый, занимающийся изучением атмосферного давлений.

До середины XIX в. для измерения атмосферного давления применяли лишь жидкостные (главным образом, ртутные) барометры, изобретенные Э. Торричелли.

Барометр Торричелли
Торричелли использовал поставленный в 1643 г. итальянским исследователем Вивиани эксперимент. Последний заключался в том, что длинную (около метра) стеклянную трубку, запаянную с одного конца, наполняли ртутью и, плотно закрыв, опускали ее незапаянный конец в чашу, в которой также была ртуть. После того как трубку открывали, часть ртути из нее выливалась и над поверхностью оставшейся в трубке ртути образовывалась пустота. Торричелли объяснил это явление тем, что в трубке должен остаться столб ртути, давление которого уравновесит давление воздуха, а образовавшийся над ртутью вакуум получил название «Торричеллиева пустота».

РТУТНЫЙ БАРОМЕТР
Простейший ртутный барометр представляет собой наполненную ртутью стеклянную трубку, опущенную открытым концом в чашку со ртутью. Ртуть в трубке поднимается и опускается в соответствии с изменениями погодных условий.

Сифонный барометр
В сифонном барометре изменения уровня ртути в открытом конце трубки посредством грузика W с противовесом C передаются стрелке, которая указывает на надписи круговой шкалы, предсказывающие погоду.

Конструкции всех современных ртутных барометров основываются на принципе Торричелли.
Изменение высоты столба ртути в трубке прибора изменяет и ее уровень в чаше.
Перед считыванием показаний нулевая отметка подвижной шкалы совмещается с уровнем ртути в чаше
0

Барометр Фортина
В 1810 г. французский конструктор Жан Фортин вместо перемещения шкалы перед каждым считыванием показаний предложил изменять уровень ртути в чаше.
Для этого ее дно изготавливалось из гибкой кожи, степень прогиба которой можно было менять при помощи специального винта, добиваясь большей точности совмещения уровня ртути с нулевой отметкой шкалы.

Барометр Фортина
Барометр Фортина – это чашечный барометр, в котором нуль шкалы устанавливается путем вращения винта А до соприкосновения костяного острия T c поверхностью ртути; для более точного отсчета по шкале предусмотрен верньер (нониус).

Альтернативные жидкости
Для измерения атмосферного давления можно использовать любую жидкость. Ртуть удобна своей большой плотностью – она примерно в 13,6 раза плотнее воды. Поэтому высота столба воды, уравновешивающего давление воздуха, будет в 13,6 раза больше, т. е. около 10 м. Прибор таких размеров был бы слишком велик для практического применения; кроме того, у ртути есть еще одно преимущество – она не замерзает до -39°С и, следовательно, может использоваться при отрицательных температурах.

В 1844 г. Люсьен Види сконструировал новый, безжидкостный барометр, получивший название барометр-анероид (от греческого слова «анерос» — безжидкостный).

Барометр-анероид
В 1843 г. итальянский ученый Люсьен Види разработал новый вид барометра. Это изобретение получило название анероид, что означает «без жидкости»: главным элементом в нем является круглая металлическая коробка (сильфон), из которой откачан воздух. Вызванное изменением атмосферного давления перемещение стенки передается стрел­ке, двигающейся по круговой шкале, градуированной в единицах давления (кПа или мм рт. ст.). Сильфоны совре­менных барометров изготавливаются из никель-серебряного сплава или зака­ленной стали; для лучшей гибкости их делают гофрированными. Иногда для выпрямления стенок при понижении давления внутри коробки устанавлива­ется пружина, в других случаях стенки выпрямляются сами, поскольку изго­товлены из упругого металла.

Анероид
Чувствительным элементом анероида служит гибкая герметическая металлическая коробка (сильфон), расширяющаяся или сжимающаяся под действием атмосферного давления.
Анероидные коробки, снабженны рычажной передачей, которая перемещает стрелку по круговой шкале.
На схеме AB – рычаг, поворачивающийся относительно шарнирной опоры C, а DEF – коленчатый рычаг с шарнирной опорой E.

Сильфоны современных барометров изготавливаются из никель-серебряного сплава или закаленной стали; для лучшей гибкости их делают гофрированными.
Для выпрямления стенок при понижении давления внутри коробки устанавливается пружина, в других случаях стенки выпрямляются сами, поскольку изготовлены из упругого металла.

Приборы для измерения
атмосферного давления
Ртутный барометр
Барометр-анероид

Барометр-анероид
1- гофрированная коробочка. Внутри коробки создано сильное разрежение. При повышении атмосферного давления коробка сжимается, и ее верхняя поверхность начинает тянуть прикрепленную к ней пружину 2.
2- пружина. К пружине с помощью передаточного механизма 3 прикреплена стрелка-указатель 4.
3- передаточный механизм
4- стрелка
5- шкала
Градуировку шкалы анероида осуществляют и выверяют по показаниям ртутного барометра.
1 гПа = 100 Па
1 мм рт ст = 133,3 Па

Барометр-анероид
1 – корпус
2 – гофрированная
коробочка
3 – стекло
4 - шкала
5 – металлическая пластина
6 - стрелка
7 - ось

Недостатки-достоинства
Барометры-анероиды менее надежны, чем ртутные, так как содержащиеся в них пружины и мембраны со временем изменяют свою упругость.
Вследствие своей портативности и отсутствия жидкости они более удобны в обращении и потому широко используются на практике.

Альтиметр (Высотомер)
- прибор, показывающий высоту над уровнем моря, работает на барометрическом принципе.
Справка из Военно-авиационного словаря:
"Высотомер –
пилотажно-навигационный прибор, указывающий высоту полета. По принципу устройства высотомеры делятся на барометрические и радиотехнические. Высотомер называют также альтиметром."

Механические барометрические высотомеры - альтиметры.
Диапазон измеряемых высот лежит в пределах от 0 до 20 км и выше. Измерение высоты полета с помощью барометрического высотомера сводится к определению абсолютного давления в атмосфере.

Принципиальная схема
барометрического высотомера:
1—стрелка;
2—трибка (шестерня);
3—зубчатый сектор;
4—передаточный механизм;
5—трубопровод;
6—приемник статического
давления;
7—корпус;
8—блок анероидных коробок

Высотомер (альтиметр)
Прибор для измерения высоты. Принцип работы прибора основан на закономерном изменении атмосферного давления при изменении высоты. Внешне, высотомер схож с большими наручными часами и крепится на запястье или грудную перемычку подвесной системы парашютиста.

Барометрический высотомер.
Цена деления шкалы высотомера 20 метров.
Снабжен барометрической шкалой, размеченной в миллибарах.
1 bar = 100 000 паскалей (Пa)
1 mbar = 0.001 bar = 100 Пa

Нормальным атмосферным давлением называют такое давление, которое уравновешивается столбом ртути высотой 760 мм при температуре 0 °С.
Понижение атмосферного давления предвещает ухудшение погоды.
По мере подъема над поверхностью Земли атмосферное давление понижается на 1 мм рт. ст. на каждые 12 м подъема.
Понижение давления сопровождается уменьшением плотности атмосферы, и она постепенно переходит в космическое пространство.
На высоте 6 км давление воздуха примерно вдвое меньше, чем на поверхности Земли.
Барометр – физический прибор для измерения
атмосферного давления.

Задачи
97. У подножия горы барометр показы- показывает давление 760 мм рт. ст., а на ее верши- вершине— 722 мм рт. ст. Какова примерно высота горы?

98. Вычислите примерную высоту телевизионной башни в Останкино. Атмосферное давление у ее подножия и у вершины определите по рисунку 149

576. На какой высоте летит самолет-опылитель, если ба- барометр в кабине летчика показывает 100 641 Па, а на повер- поверхности Земли давление нормальное?

577. При входе в метро барометр показывает 101,3 кПа. Определите, на какой глубине находится платформа станции метро, если барометр на этой платформе показывает давление, равное 101 674 Па.

578. Каково показание ареометра на уровне высоты Московской телевизионной башни E40 м), если внизу башни ареометр показывает давление 100 641 Па?

579*. Рассчитайте давление атмосферы в шахте на глубине 840 м, если на поверхности Земли давление нормальное.

580*. Определите глубину шахты, если на дне ее барометр показывает 109 297 Па, а на поверхности Земли 103 965 Па.