Страница 139 — Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. §…

Атмосфера — это воздушная оболочка Земли, газовая оболочка, окружающая планету и вращающаяся вместе с ней. Она состоит в основном из азота (около 78 %) и кислорода (около 21 %) с небольшими добавками аргона, углекислого газа и водяного пара. Атмосфера удерживается около Земли силой тяжести и простирается на сотни километров, постепенно переходя в космическое пространство, чёткой верхней границы у неё нет. Основная масса воздуха сосредоточена в нижних километрах над поверхностью.

На молекулы газов действуют два фактора. Во-первых, они находятся в непрерывном беспорядочном тепловом движении со скоростью в сотни метров в секунду, поэтому не оседают на поверхность, а сталкиваются друг с другом и со стенками. Во-вторых, их притягивает Земля: сила тяжести не позволяет молекулам улететь в космос, так как средние скорости теплового движения заметно меньше первой космической скорости (около 7,9 км/с). Равновесие этих двух причин и удерживает воздушную оболочку вокруг планеты. Молекулы не падают на поверхность, потому что движутся хаотично и отскакивают при столкновениях, а плотность воздуха плавно убывает с высотой.

Воздух имеет массу, поэтому Земля притягивает его, и верхние слои атмосферы давят на нижние и на все тела на поверхности. Кроме того, давление газа создаётся ударами беспорядочно движущихся молекул о поверхности тел. Из-за подвижности частиц это давление передаётся по закону Паскаля одинаково по всем направлениям. Таким образом, причина атмосферного давления — действие силы тяжести на газовую оболочку Земли и тепловое движение её молекул.

Существование атмосферного давления доказывают простыми опытами. Если вдохнуть воздух из пластиковой бутылки без крышки, она с треском сожмётся: внутри давление уменьшилось, а снаружи осталось прежним. Если закрыть пальцем конец шприца и выдвигать поршень, приходится прикладывать заметное усилие, а отпущенный поршень возвращается назад. Вода поднимается вслед за поршнем в трубке, опущенной в сосуд. Известен и опыт с магдебургскими полушариями: после откачивания из них воздуха их не могли разнять даже 16 лошадей. Все эти опыты показывают, что воздух давит на тела снаружи.

Да, плотность атмосферы уменьшается с высотой. Нижние слои воздуха сжаты весом вышележащих слоёв, поэтому у поверхности Земли плотность наибольшая (около 1,29 кг/м³ при 0 °C). Чем выше, тем меньше воздуха над данным слоем, тем слабее сжатие и тем реже расположены молекулы. На больших высотах воздух сильно разрежен. Так как притяжение удерживает молекулы ближе к поверхности, а тепловое движение их разбрасывает, плотность убывает неравномерно: быстрее вблизи Земли и медленнее в верхних слоях.

Когда мы пьём через соломинку, мы расширяем грудную клетку и уменьшаем давление воздуха во рту и в трубке. Атмосферное давление на поверхность жидкости в стакане остаётся прежним и больше, чем давление внутри соломинки. Разность давлений выталкивает жидкость вверх по трубке в рот. Точно так же вода поднимается за поршнем шприца. Если соломинка дырявая, воздух входит в неё, давления выравниваются и жидкость не поднимается. Так же работает питьё из бутылки с узким горлышком: чтобы жидкость выливалась непрерывно, в неё должен поступать воздух.

При подъёме поршня между ним и водой образуется пространство, в которое воздух не поступает, так что давление под поршнем резко падает. На открытую поверхность воды в большом сосуде действует атмосферное давление. По закону Паскаля жидкость передаёт давление, произведённое на неё, по всем направлениям без изменения, поэтому это давление передаётся и внутрь цилиндра, на уровень воды, находящейся под поршнем. Давление на воду в цилиндре снизу (из сосуда) больше давления сверху (под поршнем), и разность давлений выдавливает воду вверх вслед за поршнем. Вода поднимается до тех пор, пока давление столба воды в цилиндре плюс остаточное давление под поршнем не уравновесят атмосферное давление.

Дано: V = 3 м³; ρ = 1,29 кг/м³ (плотность воздуха при нормальном давлении и 0 °C); g = 10 Н/кг.
Найти: P.
Решение: воздух находится в покое на опоре или подвесе, поэтому его вес равен силе тяжести: P = mg, где m = ρV.
m = 1,29 кг/м³ · 3 м³ = 3,87 кг.
P = 3,87 кг · 10 Н/кг = 38,7 Н ≈ 39 Н.
Ответ: P ≈ 39 Н.
Оговорка: при g = 9,8 Н/кг получается около 38 Н; книжный ответ 39 Н соответствует g = 10 Н/кг.

Если сделать в закрытой банке только одно отверстие, то молоко будет выливаться плохо. При вытекании части жидкости объём воздуха над ней в банке увеличивается, а давление этого воздуха падает и становится меньше атмосферного. Атмосферное давление снаружи, действующее на молоко в отверстии, уравновешивает давление воздуха внутри плюс давление молока, и вытекание прекращается. Если же сделать второе отверстие, воздух через него свободно входит в банку, давление над молоком остаётся равным атмосферному, и молоко вытекает под действием силы тяжести через первое отверстие. Одно отверстие делают для выливания, другое для входа воздуха.

Ход опыта: наливаем в пластиковую бутылку горячую воду (около 70–80 °C, соблюдая осторожность), через минуту выливаем её и сразу плотно закрываем бутылку пробкой. Бутылка оказывается заполненной тёплым воздухом. Результат: через некоторое время бутылка начинает сжиматься, стенки втягиваются внутрь, иногда слышен треск. Объяснение: воздух в бутылке остывает до комнатной температуры, скорость молекул и частота их ударов о стенки уменьшаются, поэтому давление внутри становится меньше атмосферного. Снаружи на стенки продолжает действовать атмосферное давление, и разность давлений сминает бутылку. Вывод: атмосферное давление существует и действует на тела со всех сторон.

Из сосуда откачивают воздух, и давление внутри становится много меньше атмосферного. Нижний конец трубки опускают в воду и открывают кран. Атмосферное давление действует на поверхность воды в кристаллизаторе и по закону Паскаля передаётся в трубку. Так как давление внутри сосуда значительно меньше, вода под действием разности давлений бурно поднимается по трубке и бьёт в сосуде фонтаном. Фонтан действует, пока давления в сосуде и снаружи не выровняются, то есть пока в сосуд не войдёт достаточно воды и воздуха. Если растворить в воде краситель, струя будет хорошо видна.

Материалы: пластиковая бутылка на 0,5–1,5 л с крышкой, неглубокая мисочка или блюдце, нож. Ход работы: 1. Заполняем бутылку водой доверху. 2. Накрываем горлышко блюдцем (мисочкой), быстро переворачиваем бутылку и ставим её на стол либо закрепляем в держателе, чтобы горлышко оказалось на 1–2 см выше дна блюдца. Можно также прорезать в стенке бутылки сбоку отверстие небольшого размера, вставить в него миску. 3. Проверяем: из бутылки вода вытекает, пока её уровень в блюдце не закроет горлышко, а затем вытекание прекращается. Принцип действия: когда горлышко находится ниже уровня воды в блюдце, атмосферное давление на открытую поверхность воды уравновешивает давление воздуха над водой в бутылке и давление столба воды. Когда питомец выпивает воду и горлышко открывается, воздух входит в бутылку, часть воды выливается в блюдце, и уровень снова закрывает горлышко. Вывод: поилка автоматически поддерживает постоянный уровень воды благодаря атмосферному давлению.
Оговорка: размеры подбираются по размеру животного; результат зависит от герметичности крышки.

Ливер — это трубка с расширением посередине и суженными концами. Для взятия пробы нижний конец трубки опускают в жидкость, верхний открыт, и жидкость заполняет трубку до уровня жидкости в сосуде. Затем верхнее отверстие закрывают пальцем и вынимают трубку: жидкость из неё не выливается. Причина: давление воздуха в верхней части трубки между пальцем и жидкостью немного уменьшается, а снизу на жидкость действует полное атмосферное давление, которое удерживает столб жидкости. Чтобы слить пробу в другой сосуд, палец убирают: воздух попадает в трубку сверху, давление над жидкостью сравнивается с атмосферным, и жидкость вытекает под действием силы тяжести. Можно перемещать пробу по каплям, слегка приоткрывая верхний конец.

Состав воздуха Земли: азот около 78 %, кислород около 21 %, аргон около 0,9 %, углекислый газ около 0,04 % и следы других газов. Диаграммы для других планет (по справочным данным, округлённо): Венера — углекислый газ около 96,5 %, азот около 3,5 %, следы сернистого газа и аргона; Марс — углекислый газ около 95 %, азот около 2,7 %, аргон около 1,6 %, кислорода около 0,15 %; Юпитер — водород около 90 %, гелий около 10 %, следы метана, аммиака и воды. Для диаграммы рисуют круг и делят его на секторы пропорционально процентам: 1 % соответствует 3,6°. Выводы: в атмосферах Венеры и Марса почти нет кислорода, а на Венере к тому же очень высокое давление (около 90 атмосфер) и температура около 460 °C; на Юпитере нет твёрдой поверхности, а состав водородно-гелиевый. Поэтому жизнь, подобная земной и использующая кислород для дыхания, на этих планетах невозможна. Земная атмосфера с большим содержанием кислорода — результат жизнедеятельности растений.
Оговорка: проценты округлены и немного различаются в разных источниках.