окружающем Землю пространстве. Масса всеА атмосферы равна примерно 5·101~ кг. Это - Меньше одной миллион ной массы Земли.
Плотность воздуха можио найти следующим образом.
Выкачаем из колбы воздух и уравновесим ее на чувстви тельных весах (рис. 273). Затем впустим Б колбу воздух.
Мы УВИДИМ, что чашка весов, на которой находится колба,
Рис. 273: Взвешивание воздуха
опустится; для восстановления равновесия на другую чаш~
ку необходимо добавить гири; их масса и будет равна массе вошедшего в колбу воздуха. Зная объем колбы, JJerKo
вычислить ПЛОТНОСть воздуха: для этого нужно разделить
массу добавленных гирь на объем колбы. При температуре
О ос и давлении 760 мм рТ. ст. плотность сухого воздуха
§ 169. Давление атмосферы. Давление воздуха вблизи по верхности Земли обусловлено его собственным весом; он
сжат этим весом подобно тому, как сжата своим весом вода на дне океана. давление воздуха вблизи поверхности Земли
(точнее. на уровне моря) равно приблизительно одной ат
мосфере, т. е. lffi Па. Следовательно, на каждый квадрат
ный метр поверхности Земли воздух давит с силой lO~ Н.
Поверхность Земли составляет примерно 5 ·1014 м2• Таким образом, воздух давит на поверхность Земли с силой, рав нЬй 5 ·1019 Н. Если бы плотность воздуха на любой высоте
была такая же, как вблизи поверхнОСти Земли, то толщина
атмосферы составила бы около 8 КМ. В действительности
плотность воздуха быстро убывает с расстоянием от поверх
ности Земли (§ 175). так что атмосфера простирается на
сотни километров от поверхности Земли (за орбиты ближай
ших искусственных спутников); на такой высоте плотность воздуха составляет ничтожную долю его плотности у Земли.
Естественно воэникает вопрос: поч~му мы не ощущаем атмосферного давления?
Для выяснения этого вопросы разбереМ следующие простые опыты. Воэьмем стеклянную банку и затянем ее горловину тонкой резиновой пленкой. Хотя на каждый квадратный сантиметр поверхности пленки действует сна
ружи сила, равная 10 Н, т. е. на в~ю пленку давит сила D
сотни ньютонов, пленка совершенно не прогибается. Дело
в том,· что воздух внутри банки сжат до той же степени,
что и наружный воздух: на внутреннюю поверхность плен ки действует такая же сила, как и на наружную, так что обе силы взаимно уравновешиваются и пленка остается
неизогнутой, как если бы на нее не действовали никакие
силы. Но если через боковую трубку откачать часть воз
духа из банки, уменьшая этим его давление, то пленка про
гнется внутрь банки (рис. 274, а). Она прогнется настолько,
что возникшие в пленке упругие силы вместе с силой дав
ления воздуха, оставшегося внутри банки, как раз урав
новесят силу давления внешнего воздуха. l1аоборот, при
Рис. 274. а) Если из банки выкачивают воздух, пленка прогибаеТСII
внутрь. б) Если в банку нагнетают воздух, пленка выгибается наружу
нагнетании воздуха в банку, пленка выгИбает,я наружу
(рис. 274, 6).
Показательно следующее изменение описанного опыта:
банка, из которой откачана часть воздуха, ставится· под
колокол воздушного насоса. ПеРВ0начально пленка, затя гивающая отверстие банки, прогнута внутрь. Если теперь
начать выкачивать воздух из-под колокола, то пленка
сначала выпрямится, а при дальнейшей откачке выгнется
наружу (рис. 275). Таким образом, деформация (прогиб
пленки) наступает только тогда, когда с разных сторон
воэдух имеет разные давления; если давления одинаковы,
то пленка остается· плоской.
Т-еперь понятно, почему атмосферное давление не ощу щается человеком и животными..Ткани, кровеносные сосуды
и стенки дру"их полостей тела подвергаются наружному
давлению атмосферы, но кровь и другие жидкости и газы,
Рис. 275. При выкачиваиии воздуха из
под колокола пленка, затягнвающая гор
ловину банки с воздухом, переходит из
положеJ;lИЯ 1 в положение 11
запо.пняющие эти полости, сжаты до такого же давления.
Поэтому упругая стенка какой-нибудь .артерии подверга
ется одному и тому же давлению и изнутри, и снаружи и не
деформируется.
Подобное же взаимное уравновешивание сил давления имеет место и в жидкости, что легко наблюдать на глубоко водных рыбах. Известны рыбы, живущие на глубине не
скольких километров от поверхности океана, где давление
окружающей воды достигает сотен атмосфер. Но каждая
клеточка их тканей содержит газы и жидкости, сжатые до
того же давления, и потому ни одна часть их тела не испы
тывает односторонних сил, которые могли бы произвести разрушения. Иногда удается вылавливать этих рыб из
глубины океана специальными сетями, подвешенными на
длинном тросе. Внутренние полости этих рыб, вытащенных
на поверхность, всегда оказываются разорванными изнутри:
в слоях воды, близких к поверхности моря, где наружное
давление меньше, газы, растворенные в крови и в протоплаз
ме клеток рыбы; выделяются и разрывают своим большим
давлением ткани рыбы (ер. § 158).
?169.1. Почему мы приписываем разрушение тканей газам, 'выде
ляющимся из жидкости, а не давлению самой жидкости?
§ 170. Другие опыты, показывающие существование атмо
сферного давления. Закроем стеклянную банку'с отшлифо ванным краем тонкой стеклянной пластинкой и начнем отка чивать воздух из банки (рис. 276) *). Стеклянная п.nастинка
*) Края ба~ки следует смазать жиром, чтобы наружный воздух не
мог просачиваться внутрь, |
. . |
плотно прижмется внешним давлен~ем к банке и, если
продолжать откач1Q', будет раЗдавлена разностью давле
ний снаружи и изнутри банки.
- Одним из первых экспериментов, ПРОlIзведенных для' доказательства существования давления воздуха, был зна
менитый опыт с «магде
бургскими полушариями», выполненный немецким фи
зиком Отто фон Герике в 1654 г. (в г. Магдебурге).
Он откачал воздух из двух
сложенных вместе медных
полушарий, и давление на
ружного воздуха прижало
полушария друг к другу
настолько сильно, что их
не могли разорвать две уп
ряжки лошадей (рис. 277).
Конечно, роль второй уп-
1< насасуI 'С========
Рис. 276. Избыток наружного .ll.aB-
ления над внутренним продавливает стеклянную пластинку
ряжки мог бы играть прочный столб, к которому было бы
прикреплено одно из полушарий. На'рис. 278 ПРедставлено
видоизменение опыта Герике с подвешенным грузом.
Рис. 277. Гравюра иЗ книги Герике «Новые r.tагдебургские опыты».
Разрывание полушарий лошадинымн упряжками
в медицине иногда уПбтребляют пневматические банки, состоящие из стаканчика с резиновым баллоном (рис. 279).
Сжав рукой баллон, вытесним из него воздух, и приложим
Рис. 278. Гравюра из книги Г€рике «Новые магдебургские опыты».
Разрывание полушарий подвешеннЫм грузом
стаканчик к коже. Если теперь отпустить баллон, то вслед ствие своей' упругости он снова примет шарообразную
форму, внутренний объем банки увеличится и давление оставшегося в банке воздуха умень шится. Банка плотно прижмется к
коже давлением наружного воздуха.
Кожа под банкой сильно краснеет;
на ней остается синяк. Кровь, имею
щая в теле атмосф"ерное давление,
притекает к месту с меньшим дав
лением. В этом мес1НОМ притоке
крови и состоит назначение банки.
При этом воздух, растворенный в
крови, р~сширяясь при уменьшен,ИИ
Рис. 279. Медицинская давления, разрывает мелкие крове
пневматическая банка наеные сосуды, образуя кровопод-
тек.
Если надавить кожу у края банки и дать доступ наруж
ному воздуху, то давление изнутри и снаружи сравняется
и банка сама отпадет.
"~7" Pв..1pe8.aIDвt. наоосы.. R фи3ике и технике очень бо.аьшое значе
ние кмеет ~WКHO более ПОJШое удаление газа из замкнутых сосудов
(вакуумная техника). ИНЫМИ СЛОВI!Il\(И, физиков И техников интерес~
ПOJIY'IetfJre весьма разреженного газа, имеющего ничтожное по сравненню
с атмос:ферНШl. дaв.1Iение.
Для получения разрежения газа можно воспользоваться 1Wршне-
8IaШ НJJt:DCoм..c КJlanанами (рис. 280). OдJIaKO технически гораздо УАоб
нее насосы, в которых понижение давления в отсасывающей камере
КЛОПf1НЫ |
|
Рис. 280. Поршневой воздуш |
Рис. 281. 8ращательный |
ный насос |
воздушный насос |
осуществляется не путем поступательного движения поршня, а прн вра
щении. Такое устройство имеют так называемые .rJращаmeльн.ые (рота ционные) насосы (рис. 281).
В металлической круглой коробке 1 вращается вокруг оси, не сов
падающей с его осью, цилиндр 2. К цилиндру 2 плотно прижимается
подвижная пластинка 3, проходтцая через прорезь в коробке 1 и соеди неиная с шатуном 4. Пластинка 8 разделяет отсеки 5 и б, заключенные
между пластинкой, внутренней стенкой коробки 1 и наружной поверхностью цилиндра 2. .
ПРИ вращении цилиндра по стрелке, как показано на рис. 281, объем отсека б, вначале равный нулю (когда цилиндр закрывает отвер стие канала 7). увеличивается, давление воздуха в нем уменьшается, н через канал 7, соединенный с откачнваемым сосудом, в отсек засасы
вается некоторая порция воздуха. В то же время объем отсека 5, соеди ненного с выходным каналом 8, уменьшается, давление воздуха в нем
увеличивается и воздух выходит наружу. Таким образом, при враще НИИ цилнндра 2 все новые и новые порции воздуха засасываются через
канал 7 и выталкиваются через канал 8. Так как цилиндр делает не
сколько сот оборотов в минуту (его обычно вращают электромотором),
то насос ведет откачку очень быстро. При хорошей пригоике частей он
может понизить давлеиие в откачиваемом сосуде до 0,001 мм рт. ст. Места соприкосновения внутренней поверхности коробки 1 с пластинкой 8 и
ЦИJlИндром 2 должны хорошо смазываться. Качество масла и си~ма
подачи его в насос существенным образом определяют работу насоса.
Позтому насосы эч)го типа нередко называют вращательными масля НЬUoIи насосами. Для получения гораздо больших разрежений (около
миллионной доли МИЛJlиметра ртутного столба в настоящее время при
меиmoтcя Hacйcы' действующие по совершенно иному припципу (так ИU&l88eМые диффузионные насосы, § 305).
§ 172. Влияние атмосферноro дaВJIeHHA на уровень·:xrИДJ[ОС ТНВ трубке. Возьмем Б рот СOJlоминкуили стеклянную 'тру.
бочку .и, ПОГРУЗИБ ее конец Б БОДУ. начнем Бтягивать Б себя
воздух. Вода начнет подниматься по трубочке; легко можно
напиться через СOJlоминку.
Вместо того чтобы втягивать воздух легкими, можно
поднимать в трубке плотно притертый поршень. Мы уви
дим, что вода будет подниматься Бслед за поршнем, эапOJlНЯЯ
трубку (рис. 282). Наполним бутылку водой, заткнем ее
пробкой и, опрокинув бутылку в воду горлышком книзу,
откроем пробку (рис. 283). Вода не будет выливаться из бутылки. Вместо бутылки можно взять трубку с краном в
----
Рис. |
282. |
Вода |
Рис. 283. |
Вода не вы |
Рис. 284. |
Пока |
кран за· |
под н и м а е т с я |
ливается |
из открытой |
крыт, вода |
из |
трубки не |
вслед |
за |
порш- |
бутылки, |
опрокинутой |
вы·ливается. При откры |
|
нем |
|
горлышком в воду |
вании крана уровень воды |
|
|
|
|
|
в трубке падает |
до уров, |
ня воды В сосуде
верхней части: пока кран закрыт, вода из нее та.кЖе не
будет выливаться (рис. 284). достаточно. однако, открыть кран трубки, чтобы столб воды упал до общего уровня воды ~ сосуде; место столба воды займет воздух, вошедший через
кран.
Все эти опыты объясняются существованием атмосфер ного давления. В самом деле,ЧТО происходит, когда мы начинаем высасывать воздух из трубки, погруженной одним концом в чашку с водой? Воздух.в трубке оказывается раз
реженным, вследствие чего давление производимое им на
поверхность воды в трубке, становится меньше атмосфер
ного. Но на поверхность воды в чашке продолжает действо
вать атмосферное давление; разность· давлений и вгоняет
БОДУ в трубку. До какой ВЫсотЫ будет подниматься вода в
" - трубке? Поднявшийся столб воды создает дополнительное
Iдавление; когда это давление в сумме с давлением оставше
гося в трубке воздуха станет равным атмосферному, вода
перестанет подниматься. При этом давление внутри трубки
внизу, на уровне свободной поверХНОСТlf воды в чашке, будет как раз равно атмосферному давлению, т. е. будет
выполнено И3I~естное нам условие равновесия, жидкости: во
всех точках, лежащих в одной горизонтальной плоскости,
давление одно и то же (§ 152). Так как своими легкими мы - не можем создать большое разрежение воздуха, то этим
способом нам удастся поднять воду в трубке лишь на не
большую высоту - примерно на 30-50 см.
Так же ясно, почему не выливается вода из опрокинутой
бутылки или трубки в описанных ОПЬ1Тах: давлением воздуха на поверхность воды в сосуде вода прижата к дну бутылки или к крану трубки, так как сверху на воду в бутылке или в
трубке давление воздуха не действует. Когда мы открываем
кран трубки, атмосферное давление начинает действ'овать
и на верхний конец столба воды в трубке - столб более не
поддерживается разностью давлений и падает до уровня
воды в сосуде.
? |
172.1. |
Разветвленная трубка |
присоеДИJJеJJа к всасывающему |
насосу, |
а своимн отростками |
погружена в чашки с различными |
.- |
жидкостями (рис. 285). В отростке, погруженном в керосин, |
|
|
|
• |
|
|
• |
ВоОа Ртуть Керосин . |
|
Рис. 285. К упражне- |
Рис. 286. К упражнению |
.. нию 172.1 |
. |
172,2 |
высота столба жидкости равна 90 см. Определите высоту столба жидкости в других трубках. Плотно..;ть керосина равна 0,81 Х
Х 103 кг/м8, ртути - 13,6 ·103 кг/мВ. .
172.2. В химических лабораториях ДЛЯ помер~ания уровня )кИДКОСТИ,В фильтровальnой воронке на одной высоте употр~
'ляlOТ устройство. изображенное на рис. 286. Уровень )Кидкости В фильтре все время держится на высоте около горлышка бутылки. и фильтр может работать без присмотра. 06ьясните действие при
бора.
§ 173. Макеимальнаи высота столба Ж:Н)l.КОСТН. Разберем
подробнее опыт с поршнем, всасывающим воду в трубке. В начале опыта (рис. 287) вода в трубке и в чашке находится
на одном уровне ММ и поршень касается воды своей нижней
поверхностью. Вода прижимается к поршню' снизу атмос
ферным давлением, действующим на поверхность воды в
чашке. Сверху на поршень (будем считать его невесомым) также действует атмосферное давление. Со. своей стороны поршень по закону равенства действия и противодействия
ДаfJленuе
nо/1fll..НЯ
но (JOUU
ДаВление
" стоn5а
, fJOObl
I
,I
J
I
I~p.am,.,
fr 1
|
о) |
5) |
Рис. 287. Засасываиие во |
Рис. 288. а) То же. что и на рис. 287, |
ды в трубку. Начало опы |
но при поднятом |
поршне. б) Гра· |
та: поршень находитсЯ на |
фик давления |
уровне воды в чашке |
|
|
действует на воду в трубке, оказывая на нее давление.
равное атмосферному давлению. действующему на поверх
ность воды в чашке.
Поднимем теперь поршень на некоторую высоту; для
этого к нему придется приложить силу. направленную
вверх (рис. 288. а). Атмосферное давление вгонит воду в
трубку вслед за поршнем; теперь столб воды будет касаться
поршня. прижимаясь к нему с меньшей силой, т. е. оказы
вать на него меньшее давление. чем раньше. Соответственно
и противодействующее давление поршня на воДу в трубк~
бу1I.ет меньше. Атмосферное давление, действующее на по
верхность воды в чашке, будfЛ при этом уравновешиваться
давлением поршн~. сложенным с давлением\ создаваемым
водяным столбом' в трубке.
На рис. 288, б показан график давления в поднявшемся
столбе воды в трубке. Поднимем поршень на БОльшую
высоту - вода тоже поднимется, следуя за поршнем, и водя~
.ной столб станет выше'. давление, вызванное весом столба. увеличится; следовательно, давление поршия на верхний
~OHeд СТOJIба уменьшится, так как оба эти давления в сумме
по-прежнему ДOJIжны да-
вать атмосферноедавление.
Теперь вода будет с еще
меньшей силой прижата к
поршню. 'Для удержания
поршня на месте придется
теперь приложитьб6льшую
силу: при поднятии порш
ня давление воды на ниж
нюю поверхность поршня
будет все в меньшей степе
ни уравновешивать атмо
сферное давление на его
верхнюю поверхность.
Что произойдет, если, взяв трубку достаточной
длины, поднимать поршень
все выше и выше? давле
ние воды на поршень бу
дет делаться все меньше и меньше; наконец давление
воды на поршень и давле
ние поршня на воду обра
тятся в нуль. При этой вы соте столба давление,. вы
званное весом воды в труб ке, будет равно атмосфер ному. Расчет, который мы
приведем в следующем па
- |
_. |
|
Ф 'J:ffJJ'o'IffjJШJU |
- --- |
lJotJbI |
ДаВлениs |
::; |
- ~O'!:':,и:и |
.tJJ 6)
Рис. 289. а) То же, что на рис. 288,
но при поднятии порwня выше пре
дельноii высоты (10,33 м). б) Гра
фик давления для такого положения
поршия. В) В действительносm столб
воды не достигает пOJlНОЙ высоты. так как водяной пар имеет при ком натной температуре давление около
20 мм рТ. СТ. И соответственно понижает Верхний уровень стол5а.
Поэтому истинный график нмеет сре
занную верхушку. Для наглядно
сти давление водяного пара преуве-
.1.Iичено
раграфе, показывает, что
высота столба воды ДОЛЖН,а быть при этом равна 10,332 м (рри нормальном атмосферном давлении). При дальнейшем
подъеме поршня уровень водяного СТOJIба уже не будет
повышаться, так как внешнее давление не в состоянци урав
новесить более высокий столб: между водой и нижней по
верхностью поршня буAf!:f оставаться пустое ПРОСТРiШство
(p~c. 289,--а).
