Анероидные барометры находят широкое применение в быту, навигации, метеорологии и других сферах, что связано с их высокими показателями удобства и надежности. Эти устройства представляют собой отличную альтернатива ртутным барометрам, особенно в ситуациях, где безопасность и мобильность имеют критическое значение.
Что такое барометр и для чего он нужен?
Наша планета окружена плотным атмосферным слоем, представляющим собой смесь различных газов. Толщина такого слоя достигает нескольких десятков километров и обладает определенной массой, которая, хотя и в малой степени, оказывает давление на поверхность Земли. Обитатели Земли, включая людей, животных, птиц и рыб, не ощущают этого атмосферного давления, поскольку организмы животных и людей эволюционировали, адаптируясь к данному воздействию.
Тем не менее, изменения в величине давления способны оказывать влияние на погодные условия, и чтобы предсказать их с максимальной точностью, в XVII веке был изобретен прибор, который мы сегодня называем барометром.
Что это такое?
Слово «барометр» происходит от греческих слов: «барос», что переводится как вес или тяжесть, и «метрос», означающего измерять. То есть барометр является прибором, предназначенным для измерения массы атмосферного слоя.
Первый барометр был разработан в 1643 году учениками Галилея, Эванджелистой Торричелли и Винченцо Вивиани. Они взяли за основу идеи своего учителя, предполагая, что создание специального измерительного устройства позволит предсказывать погоду. В конце концов, Торричелли с помощником поместили ртуть в запаянную с одной стороны трубку. Затем эту трубку погрузили в сосуд с ртутью, в ходе чего они наблюдали, как поднялась ртуть в трубке.
В процессе своих исследований ученые заметили, что уровень ртути в трубке изменяется в зависимости от атмосферного давления, что непосредственно коррелировало с погодными изменениями.
После длительных экспериментов они пришли к выводу, что при увеличении атмосферного давления ртуть поднимается вверх по трубке, в то время как при его снижении она опускается вниз. Так был создан первый ртутный барометр. Однако его использование в быту было небезопасным — ртуть может вытекать и вызывать неприятные последствия отравления. Научный прогресс позволил в 1657 году Отто Герике в Пруссии создать водный барометр, конструкция которого заключалась в том, что медная трубка погружалась в сосуд с водой. К ней подключался стеклянный наконечник от насосной системы, из которого откачивался воздух, в результате чего создавалось вакуумное пространство.
После трехлетнего наблюдения за поведением уровня воды в трубке Герике пришел к выводу о том, что атмосферное давление прямо связано с изменением уровня жидкости в барометре. Так, он смог предсказать приход сильной бури всего за несколько часов. Тем не менее, до 1670 года никто не смог добиться точной градации показаний прибора, пока английский ученый Роберт Гук не разработал шкалу для измерений.
В начале XVII века известный немецкий ученый Готфрид Лейбниц разработал проект анероидного барометра, который работал бы без использования ртути и воды. Идею удалось реализовать лишь в 1847 году французу Люсьену Види. Он создал конструкцию, представляющую собой запаянный металлический цилиндр, из которого откачивался воздух, создавая вакуум. При увеличении атмосферного давления цилиндр сжимается, а при его снижении — расширяется. К цилиндру прикрепляется пружина, на которой отображаются показания прибора.
Анероидные барометры, хотя и имели некоторые погрешности, были безопасны для домашнего использования. К началу XVIII века эти устройства начали активно использоваться мореплавателями для предсказания шторма. Мода на барометры быстро росла, и в более состоятельных домах они стали важным элементом декора.
С момента появления анероидных моделей спрос на ртутные и водные барометры резко сократился, и их производство стало невостребованным.
Что такое атмосферное давление?
Рыбы обитают под водой и могут свободно перемещаться не только вперед и назад, но и вверх и вниз. Однако немногие из нас задумываются о том, что мы также находимся под воздействием никогда не видимой «жидкости» — атмосферы. Эта атмосфера дает нам возможность не только передвигаться по горизонтали, но и поднимать нас вверх на самолетах и вертолетах, отталкиваясь от воздуха.
Но что такое атмосфера и как она формируется?
Атмосфера — это воздух, представляющий собой смесь различных газов, содержащихся в пространстве вокруг нас. Я говорю не только об основных компонентах, таких как кислород или углекислый газ, но и о молекулах воды (H2O) и других веществ, которые также находятся в воздухе.
Когда вода испаряется, ее молекулы (H2O) не распадаются на атомы кислорода (О) и водорода (H2), а сохраняют свою целостность и поднимаются в атмосферу. В случае, если их количество в воздухе увеличивается, это означает, что повышается влажность воздуха, то есть количество водяного пара становится значительным.
В воздухе находятся молекулы водяного пара, азота, кислорода, водорода и метана — все эти компоненты заполняют пространство вокруг нас. Каждая из этих молекул обладает весом. Так как любое вещество с массой подвержено гравитации, воздух притягивается к центру Земли.
Таким образом, мы находимся на самом дне этого «океана» воздуха, который имеет глубину примерно 100 км. То есть над нами находится массивный слой атмосферы, общей массой, составляющей несколько миллионов миллиардов тонн:
Но если над нами располагается столь огромная масса воздуха, почему мы не ощущаем никакого давления?
На первый взгляд может показаться, что воздух очень тяжелый. Например, если взять столик размером 1 метр на 1 метр, то давление воздуха на его поверхность будет эквивалентно тому, будто на него разместили 10 легковых автомобилей:
На каждый квадратный сантиметр любой поверхности, будь то лист деревьев или поверхность верхушки головы, воздух давит с силой, эквивалентной килограммовой гире. В итоге, на каждом квадратном метре поверхности оказывается давлением в 10 тонн!
Однако в то же время, почему мы не можем удержать на вытянутой руке 20-килограммовую гирю, но в то же время легко удерживаем раскрытую ладонь, на которую давит все 70 килограммов воздуха?
Секрет заключается в том, что давление воздуха действует не только сверху вниз. Оно поддается принципу равновесия, аналогичному тому, что наблюдается под водой, где оно оказывает давление со всех сторон. Поэтому нам не нужно пытаться удержать руку под давлением атмосферы, ведь на нее давит 70 килограммов воздуха как сверху, так и снизу:
Кроме того, точно такое же давление наблюдается не только снаружи, но и внутри нашего организма (воздух в легких, в желудке, в ушах за барабанными перепонками, а также давление крови, которое действуют ровно так же). Поэтому суммарное давление на наше тело становится нулевым, и мы не ощущаем его силы.
Когда мы вставляем трубочку в стакан с жидкостью, она не поднимается вверх. Однако, если мы начинаем отсасывать воздух из трубочки, уровень давления снижается. Из-за этого атмосферное давление начинает надавливать на жидкость в стакане, и она, как следствие, поднимается вверх по трубочке:
Зачем на телефонах и часах нужен барометр, измеряющий давление?
Таким образом, мы постоянно живем в океане атмосферы и было бы целесообразно знать текущее давление. Это знание позволяет нам более точно предугадывать изменение погодных условий, особенно по сравнению с ближайшими часами или днями.
Если давление воздуха вокруг вас снижается, это значит, что в скором времени оно выровняется и в вашу зону начнут переходить молекулы воздуха из области повышенного давления. Это обычно сопровождается увеличением скорости ветра и ухудшением погодных условий.
Мы часто часто слышим от синоптиков такие термины, как циклон и антициклон. Эти названия отражают области низкого давления (циклон) и высокого давления (антициклон). То есть вся атмосферная погода зависит от изменений в атмосферном давлении.
Например, в день написания этой статьи барометр на моем смартфоне продемонстрировал следующие показания:
К 18:00 я понял, что дождь надвигается на нас. И это подтвердилось: к девяти вечера погода значительно ухудшилась, появились сильные порывы ветра и метель.
То же самое было показано и на моих смарт-часах:
Для любителей рыбалки барометр на часах или смартфоне становится незаменимым инструментом, так как рыбы очень чувствительны к изменениям атмосферного давления и могут по-разному реагировать на эти изменения.
Тем не менее, отслеживание изменения погоды — не единственная функция, которую может выполнять барометр. На фитнес-трекерах и многих спортивных часах барометр часто используется для определений высоты. Данный прибор, который называется альтиметр, фактически является барометром, который переводит показания давления в высоту.
Принцип работы здесь довольно простой. Рассмотрим, например, бутылку с водой. Мы можем наблюдать, как столбик воды делится на секции:
И очевидно, что давление воды на стенки бутылки будет варьироваться в зависимости от секции. Мы могли бы проверить это утверждение на практике, проколов отверстия в каждой секции:
Места, где давление будет выше, будут выталкивать воду под более мощным напором, и наоборот, места с более низким давлением будут выталкивать ее с меньшей силой. Таким образом, мы можем измерять глубину, просто фиксируя, с какой силой жидкость давит на наш измеритель.
Аналогично происходит и с атмосферой. Чем выше мы находимся, тем меньше давление окружающего нас воздуха. Соответственно, чем ниже мы опускаемся, тем выше это давление:
Если бы у нас был прибор, чувствительный к давлению воздуха, мы могли бы легко преобразовать его показания в метры. Мы уже знаем, какое нормальное атмосферное давление на уровне моря. Это позволяет нам заключить, что если давление падает, значит, мы либо поднимаемся, либо ожидается ухудшение погоды.
Сифонный барометр
Сифонный барометр представляет собой трубку с закрытым концом, тогда как сифонно-чашечный — две трубки: одна открыта, другая закрыта, объединенные чашкой, и с их помощью показания давления устанавливаются путем определения разности уровней жидкости в этих трубках.
Ртутный барометр
Ртутный барометр состоит из пары сообщающихся сосудов с ртутью внутри; верх одной стеклянной трубки, длиной примерно 90 см, закрыт и не содержит воздуха. В зависимости от изменений атмосферного давления ртуть под давлением поднимается или опускается в трубке, а небольшой поплавок показывает движение ртути, фиксируясь на отметке, соответствующей ее уровню в миллиметрах. Нормальное значение ртутного столба составляет 760 мм рт. ст.; показания выше этого значения указывают на повышение давления, ниже — на его снижение. Такие барометры почти не используются в быту, так как ртуть является токсичным веществом, их конструкция сложная и требует осторожного обращения. Поэтому они, в основном, применяются в лабораторных условиях, на научных метеорологических станциях и в таких отраслях, где особенно важна абсолютная точность передаваемых данных.
Как пользоваться барометром?
Пользование барометром включает в себя несколько шагов, которые помогут точно измерить атмосферное давление. Рассмотрим детально каждый из них:
1. Распаковка и установка: По мере распаковки барометра, разместите его в месте, защищенном от прямых солнечных лучей, воздействия высоких уровней влажности и резких колебаний температуры.
2. Калибровка: Если ваш барометр является аналоговым, может потребоваться его калибровка. Сравните показания вашего устройства с официальными данными метеорологической службы и при необходимости отрегулируйте его с помощью регулировочного винта.
3. Чтение показаний: На цифровом дисплее отобразятся актуальные показания атмосферного давления. В аналоговых барометрах используйте стрелку и шкалу для определения уровня давления.
4. Запись данных: Записывайте полученные показания в журнал наблюдений, если хотите отслеживать изменения атмосферного давления на протяжении времени. Это может быть полезно для прогнозирования погоды.
5. Интерпретация показаний: Повышение давления обычно указывает на улучшение погодных условий, в то время как понижение может предупреждать об ухудшении погодной ситуации.
6. Синхронизация с другими устройствами: Если ваш барометр поддерживает функцию беспроводной связи, возможно установить синхронизацию с другими устройствами или системами умного дома, что позволит автоматически собирать данные.
7. Обслуживание: Регулярно проверяйте устройство на наличие пыли и грязи, которые могут повлиять на точность измерений. Очищайте аккуратно, следуя инструкциям производителя.
8. Безопасность: Если ваш барометр содержит ртуть, обязательно следите за его целостностью, так как ртуть является токсичным веществом.
Важно помнить, что точность работы барометра зависит от его качества и правильного использования. Следуйте рекомендациям производителя и регулярно сверяйте показания, чтобы гарантировать оптимальную работу устройства.
Применение
Барометры находят свою нишу в самых различных областях благодаря способности измерять атмосферное давление. Далее представлено детальное описание их применения:
- Метеорология: Барометры играют критически важную роль в прогнозировании погоды. Изменения в атмосферном давлении могут сигнализировать о приближении фронтов и штормов. Повышение давления часто связано с ясной и спокойной погодой, в то время как понижение давления может указывать на ухудшение ситуаций.
- Авиация: Пилоты используют барометрические высотомеры для определения высоты полета. Эти устройства калибруются на уровне моря и помогают пилотам поддерживать безопасное расстояние от земли и различных препятствий.
- Подводная деятельность: Барометры помогают при расчете декомпрессии для дайверов, чтобы определить безопасные интервалы для всплытия и избежать декомпрессионной болезни.
- Научные исследования: Исследователи применяют барометры для наблюдения за атмосферным давлением в разных условиях и местах, что помогает в изучении климатических изменений и процессов в атмосфере.
- Промышленность: В некоторых промышленных процессах, таких как переработка нефти, барометры используются для контроля давления в резервуарах и системах.
- Повседневная жизнь: Многие люди используют барометры дома или в устройствах, таких как смартфоны и метеостанции, для наблюдения за погодными условиями и планирования своих повседневных действий.
Это лишь некоторые из многочисленных способов, которыми можно использовать барометры. Их высокая степень точности и надежности делают их незаменимыми инструментами во множестве аспектов нашей повседневной жизни.
Использование барометра для определения высоты
Поскольку с увеличением высоты давление атмосферного столба уменьшается, это свойство издавна используется в авиационных устройствах для определения высоты полета. Эти аппараты называются альтиметрами.
Несомненно, показания первых, еще несовершенных приборов значительно зависели от погодных условий, так как ухудшение погоды сопровождалось падением давления, что могло приводить к искажению измерений и показывать большую высоту, чем была на самом деле, если не вносить корректировки в показания. Современные альтиметры работают по другому принципу, избегая прямых зависимостей от атмосферного давления для определения высоты.
Как пользоваться барометром?
Обычно, домашний барометр-анероид представляющий собой стрелочный прибор с круговой или полукруглой шкалой, на которой нанесены деления для измерений. Измерения традиционно проводятся в миллиметрах ртутного столба.
Если стрелка показывает уровень давления 750-760 мм рт. ст., то в ближайшие дни следует ожидать хорошей спокойной погоды, что создает идеальные условия для прогулок, выездов на природу или поездок на дачу. Если же показания опустятся ниже 750 мм рт. ст. и продолжат снижаться, это, скорее всего, предвещает приближение непогоды, резкое снижение температуры и возможные осадки.
Отслеживание атмосферного давления критически важно для людей, страдающих от изменений артериального давления. При резком падении атмосферного давления подобные люди могут ощутить ухудшение состояния здоровья. Важно иметь информацию о погодных изменениях, чтобы успеть принять необходимые меры и сохранить своё здоровье и работоспособность.
