Наука для всех

О силе давления воздуха

Итак, воздух, как и всякая другая вещь, имеет вес. Раньше люди думали, что могут быть вещи без всякого веса, вещи невесомые. Про воздух тоже думали, что он невесом, то есть что он не имеет никакого веса. Теперь мы знаем, что таких вещей нет. Не только воздух, но даже более легкие газы можно взвесить. Но дело в том, что взвесить воздух совсем не так просто. Для этого надо взвесить сначала какой-нибудь стеклянный или металлический шар с воздухом, потом каким- нибудь способом высосать из него весь воздух. Надо запереть шар так, чтобы воздух не вошел в него снова, и еще раз взвесить его без воздуха. Мы будем тогда знать вес шара с воздухом и без воздуха. Мы можем тогда узнать, сколько весит сам воздух, бывший в шаре. Однако, высосать весь воздух из шара, хотя бы и особыми приборами, очень трудно: чем меньше остается в шаре воздуха, тем труднее его высасывать. Хотя таким способом люди и узнали, что и воздух имеет вес, но точный вес его они нашли не сразу.

Оказалось, что воздух примерно в 770 раз легче воды. Значит, большая сорокаведерная бочка воздуха весит столько же, сколько одна бутылка воды. Не думайте, однако, что если воздух так легок, то и давление его невелико. Давление его очень сильно. На каждый квадратный вершок (площадка по величине такая же, как широкая сторона спичечной коробки, 19,69 см²) земли он давит с силой в 50 фунтов (0,41 кг). С такой же силой воздух давит на каждый квадратный вершок нашего тела. Если рассчитать поэтому, с какой силой воздух давит на все тело взрослого человека, то получится вес в 900 слишком пудов (1 пуд равен 16,4 кг).

Вот как сильно давит на нас обыкновенный воздух, и мы все-таки не замечаем его тяжести!

Почему же воздух давит так сильно? А просто потому, что слой воздуха, лежащий над нами, очень толст. Этот слой идет на многие версты (верста – 1066,8 м) и даже десятки верст кверху. Нет такой высокой горы, которая бы поднималась своею вершиной выше воздуха.

Вышележащий воздух давит на нижележащий. На тот воздух, который находится возле земли, давит весь воздушный слой.

Вы знаете, что давлением можно сжать воздух; поэтому воздух возле земли очень сжат.

Чем дальше кверху, тем воздух будет менее сжат, потому что на нем будет лежать меньший слой воздуха. Чем больше сжимать воздух, тем сильнее становится его давление. Значит, возле земли давление воздуха больше, чем в вышине. Чем дальше кверху, тем давление воздуха слабее.

Как люди нашли силу давления воздуха?

Посмотрим теперь, как нашли люди силу давления воздуха. Определить ее, оказывается, гораздо легче, чем взвесить воздух. Вспомним, как мы переворачивали стакан с водой, покрытый куском картона. Вы теперь знаете, что покрышку стакана держало давление воздуха; это давление было больше веса воды. Предположим, что вместо стакана у нас будет длинная трубка диаметром 1 см, открытая только с одного конца. Трубку можно взять какой угодно длины. Чем длиннее она, тем длиннее столб воды, находящейся в трубке, тем сильнее, стало быть, вода должна давить на картонную покрышку, когда трубка перевернута. Если брать все более и более длинную трубку, то давление воды пересилит, наконец, давление воздуха, и картонка отпадет. Чтобы узнать силу давления этой воды на картонку, стоит только взвесить воду, которая находилась в трубке. Оказалось, что надо взять для этого трубку длиной почти в пять сажен (1 сажень = 2,13 м). Такая трубка была бы не ниже трехэтажного дома. Понятно, что с такой длинной трубкой очень трудно обращаться, но к счастью есть много других жидкостей, которые тяжелее воды. И вот вместо воды люди взяли очень тяжелую жидкость, ртуть, и устроили важный прибор для узнавания тяжести или давления воздуха. Так этот прибор и назвали барометром, что по-русски значит «измеритель тяжести».

Определение давления воздуха

Я уверен, что вы видели ртуть в градусниках. Это – красивая серебристая жидкость. Немцы называют ее жидким серебром. Она очень ядовита. С ней надо обращаться осторожно, и стоит она довольно дорого. Стакан ртути более чем в тринадцать раз тяжелее такого же стакана воды. Поэтому и трубку для измерения давления воздуха надо взять в тринадцать с лишком раз короче, то есть немногим длиннее аршина (1 аршин равен 0,71 м).

Как же устроен барометр? Взгляните на рисунок. Главная часть барометра состоит из стеклянной трубки, которая приделана к деревянной подставке. Эта трубка запаяна у верхнего своего конца, а нижний конец загнут тоже кверху и расширяется в чашечку. Длина трубки больше аршина.

Если такую трубку всю наполнить ртутью, а затем перевернуть запаянным концом кверху, то часть ртути из нее выльется, но не вся. Вы теперь знаете почему. Ртуть не выливается из такой трубки потому, что воздух давит на ртуть только с одного конца: с того, с которого трубка открыта. У другого, верхнего, конца трубка запаяна, и воздух здесь не может давить на ртуть. Значит, воздух толкает ртуть к запаянному концу трубки. Чем сильнее он давит, тем выше он может поднять ртуть; чем слабее, тем ниже. Чтобы можно было видеть, как ртуть в трубке то поднимается, то снова опускается, возле запаянного конца прибита линеечка с черточками; по черточкам можно замечать, как высоко стоит ртуть в трубке.

Барометр

Высота, на которой стоит ртуть, показывает давление воздуха на ртуть. Если с барометром подниматься кверху, на гору, то ртуть в нем будет опускаться, потому что здесь воздух меньше сжат верхними его слоями и поэтому меньше давит на ртуть. Таким способом можно узнать, на какую высоту мы поднялись.

Почему давление воздуха на Земле постоянно меняется?

Когда люди устроили барометр, они заметили, что давление воздуха даже на одном месте постоянно меняется; например, в сутки оно может два раза то увеличиваться, то уменьшаться. Значит, давление воздушного слоя над барометром не бывает всегда одинаково. Но оказалось, что в то время как в одних местах давление воздуха уменьшается, в других оно увеличивается и наоборот. При этом общее количество воздуха, окружающего Землю, остается тем же самым.

Если весь этот воздух собрать в шар, то он будет весить столько же, сколько весит шар ртути в 250 верст в окружности. Как велик будет такой шар воздуха, можно судить по тому, что ртуть в 13 с лишком раз тяжелее воды, а вода в 770 раз тяжелее воздуха. Если бы эту ртуть разлить по земле ровным слоем, то она всю землю покрыла бы слоем такой же толщины, как высота ртутного столба в барометре.

Но почему же давление воздуха в одном и том же месте не остается одинаковым, а постоянно меняется? Ведь толщина воздушного слоя над землей всегда одна и та же?

Воздух от нагревания расширяется

Чтобы понять это, навяжите на горлышко бутылки резиновый шар и нагревайте эту бутылку. Вы сейчас увидите, как резиновый шарик начнет раздуваться. Значит, давление воздуха внутри бутылки увеличилось, так как воздух расширяется, и, расширяясь, растягивает стенки шарика. Воздуха внутри бутылки не стало больше; он только расширился и поэтому занял больше места. Значит, если бутылку нагревать, не закупорив ее, то часть воздуха из нее выйдет. В ней останется воздуха меньше, чем было раньше. Понятно, что и вес оставшегося воздуха будет меньше.

Предположим теперь, что над одним и тем же барометром стоит то более теплый, то более холодный слой воздуха. Хотя толщина этих слоев будет одинакова, но тяжесть их различна; теплый слой легче, и давить на ртуть барометра он будет слабее.

Теперь вы видите, что и при одинаковой высоте воздушного столба над барометром давление его может быть различно. Помните только, что теплый воздух легче холодного, но если ему не давать расширяться, то он давит сильнее.

Как можно устроить воздушный градусник

Как воздух, так и твердые тела и жидкости при нагревании расширяются, а при остывании сжимаются. Этим-то люди и воспользовались для устройства градусника. Рассмотрите как-нибудь при случае комнатный градусник. В стеклянном шарике его налита ртуть. От шарика кверху идет тонкая стеклянная трубка. Когда в воздухе делается теплее, ртуть нагревается и поэтому расширяется. Расширяясь, она поднимается по трубке кверху. С боку трубки на доске градусника написаны цифры. Если градусник опустить в воду со льдом, ртуть остановится на цифре 0; если его опустить в кипящую воду, ртуть поднимется по трубке до цифры 100. Значит, лед тает при 0 °C, а вода кипит при 100.

Спиртовой термометр

Воздушный термометр

Вы сами можете устроить градусник, только не ртутный, а воздушный. Устройте его так, как изображено на рисунке. Для этого вам придется достать очень маленький стеклянный пузырек с тонкими стенками и длинную стеклянную трубку. Эту трубку можно согнуть, сильно разогрев ее (от нагревания стекло делается мягким). Согните ее в два колена, как показано на рисунке. Просуньте короткий конец согнутой трубки через отверстие в пробке пузырька, а длинный конец привяжите к дощечке с делениями. Прежде чем запереть пузырек пробкой с трубкой, впустите в нее каплю масла. Если вы будете осторожно дуть в тот или другой конец трубки, то можете заставить каплю остановиться как раз посередине длинного колена трубки. Теперь все готово!.. Закупорьте пузырек плотнее пробкой, в которую вставлен кончик трубки, и залейте эту пробку воском. Когда в комнате станет теплее, воздух в пузырьке расширится и погонит каплю масла кверху; если же станет холоднее, то воздух сожмется, и капелька масла опустится.

О том, как теплый воздух поднимается кверху

Итак, от теплоты воздух расширяется. Расширяясь, воздух делается легче и поднимается кверху. Свое тепло воздух получает от земли: нагретая солнцем земля нагревает и воздух. В жаркий летний день теплые воздушные струйки безостановочно тянутся кверху. Когда-нибудь в знойный день, после полудня, присядьте в поле на теплую землю и смотрите по земле вдаль. Вам покажется, что и деревья, и дома, и все предметы, стоящие на краю поля, дрожат и волнуются. Они как будто сделаны из какого-то легкого вещества, которое колеблет самый нежный ветерок. Конечно, вы не подумаете, что дома и деревья в самом деле стали дрожать; это только так кажется! Дрожат не предметы, а колеблются и волнуются идущие кверху струйки теплого воздуха.

Возьмите зажженную свечу, держите ее перед собой и смотрите одним глазом на стену над ее пламенем. Как только вы начнете слегка двигать свечой, заволнуется и стена, на которую вы смотрите. Она волнуется потому, что вы смотрите на нее через дрожащие струи теплого воздуха. Этот теплый воздух поднимается от пламени свечи кверху.

Почему теплый воздух, поднимаясь кверху, остывает

Представьте себе, что вы вдруг каким-нибудь чудом очутились внутри теплой струйки воздуха, поднимающейся в жаркий день с поля, и полетели, поплыли вместе с ней кверху. Сколько интересного повидали бы вы тогда! Сколько нового узнали бы во время своего чудесного путешествия! Вот поднялись вы выше больших деревьев, которые теперь кажутся вам сверху маленькими кустиками. Какую даль теперь охватывает ваш взор… Вон виднеется между деревьями ваше село, точно кучка маленьких игрушечных домиков, а за ним, далеко-далеко, вьется пыльная дорога. Как легко и хорошо дышится в этой вышине, в чистом теплом воздухе!

Но вот вы поднялись так высоко, что уже не можете разглядеть ни села, ни деревьев. Вы почувствовали, что вам стало холодно. Дышать стало труднее. Вы стараетесь вдыхать воздух полной грудью, а воздуха все равно не хватает. Куда же девалась та чудесная теплая воздушная струйка, с которой вы поднялись от земли? Струйка эта все еще вокруг вас, но только она уже не та, что была возле земли. Она расширилась, выросла, и воздух ее сделался редким. Расширяясь, струйка сделалась холоднее. Почему же произошло с ней такое превращение? Если вы немного подумаете, то наверное поймете, в чем тут дело.

Пока ваша струйка была внизу возле земли, на нее давил весь слой воздуха, лежащий над землей. Теперь же, когда струйка поднялась, она оставила внизу самый плотный воздух. На нее теперь давит только тот воздух, который лежит еще выше нее. Давление стало гораздо слабее, и струйка расширилась. Она сделалась больше, а воздух ее стал редким.

Почему же этот воздух стал холоднее? А потому что сама струйка расширилась. Вы, вероятно, знаете, что кожа, из которой сделан поршень велосипедного насоса, укреплена так, что при вдвигании воздух не проходит под поршень и сжимается под ним, если закрыть пальцем отверстие насоса, а при выдвигании поршень не мешает воздуху проходить через него.

Попробуйте закрыть пальцем отверстие насоса и быстрым движением поршня сжать воздух насколько сможете.

Подержите воздух недолго сжатым (столько времени, сколько надо, чтобы один раз вздохнуть) и выпустите его, убрав палец с отверстия насоса. Проделайте это сейчас же еще раз 5, и вы ясно почувствуете, что та часть трубки, где сжимался воздух, нагрелась. Значит, при сжимании воздух нагревается.

Если перевернуть кожу на конце поршня и закрыть пальцем отверстие насоса, то при вдвигании она будет пропускать воздух, а при выдвигании не пустит наружный воздух войти под поршень.

Если бы каким-нибудь образом воздух струйки снова опустился на землю, то он снова бы сделался таким же теплым, какой была ваша струйка сначала.