Рис. 43. Опыт, доказывающий, что воздух оказывает давление на все предметы, находящиеся на Земле. Даже сильный удар по линейке не смог поднять газету
Воздух давит на все окружающие предметы со всех сторон.
В далеком 1654 г. бургомистр города Магдебурга Отто фон Герике решил показать горожанам силу воздушного давления. Для опыта были изготовлены два металлических полушария (их впоследствии назвали «магдебургскими»). Плотно прилегая друг к другу, они образовывали полый шар. В одном из полушарий находилось отверстие для откачивания воздуха, которое затем плотно закрывалось, чтобы воздух не мог проникнуть в шар. В опыте использовались две восьмерки лошадей, впряженных в упряжки. Каждая упряжка через прочный крюк соединялась с полушарием. После того, как насосом откачивали воздух из шара, собранного из полушарий, лошади по команде тянули полушария в разные стороны, чтобы оторвать их друг от друга. Но шар только покачивался и оставался целым и невредимым. Когда же внутрь шара впустили воздух, полушария сами распались (рис. 44).
Рис. 44. Опыт с магдебургскими полушариями
1. Что тяжелее, накачанный или ненакачанный футбольный мяч?
2. Рассчитайте вес воздуха в комнате, имеющей следующие размеры: длина 8 м, ширина 5 м и высота 3 м.
3. Как вы думаете, какая сила сдавливала «магдебургские полушария»?
4. Проделайте опыт, как показано на рисунке.
Налейте полный стакан воды, накройте его плотным листом бумаги. Поддерживая лист рукой, быстро переверните стакан вверх дном. Отнимите руку от листа бумаги. Почему вода не выливается?
§ 19. Изменение давления воздуха с высотой
Поверхность Земли условно можно представить как дно воздушного океана, окутывающего земной шар. Основная масса воздуха сосредоточена в нижних слоях атмосферы. Чем ближе воздушный слой к поверхности Земли, тем он плотнее. Так как воздух имеет вес, то верхние слои воздуха давят на нижние и уплотняют их. Чем плотнее воздух, тем больше он оказывает давление на предметы, окружающие его. Выше над поверхностью Земли слои воздуха менее плотные, а это значит, что такой воздух оказывает давление на окружающие его предметы значительно меньше, чем у поверхности Земли (рис. 45).
Рис. 45. Изменение давления воздуха с высотой
Чем выше над Землей находится воздух, тем меньше его плотность и тем больше он разрежен.
Туристы и альпинисты, совершающие восхождения на высочайшие горные вершины, на себе испытывают разреженность воздуха. Им хорошо знакомы признаки «горной» болезни, возникающей из-за уменьшения давления воздуха: тошнота, головокружение, головная боль.
Опыт Эванджелиста Торричелли. Более 300 лет назад итальянский ученый Э. Торричелли продемонстрировал опыт, доказывающий существование атмосферного давления и позволяющий точно определить его величину (рис. 46).
Рис. 46. Опыт Э. Торричелли. Ртутный барометр
Состоял этот опыт в следующем. Стеклянную трубку длиной около 1 м запаивали с одного конца и наполняли ртутью. Открытый конец трубки зажимали пальцем, после чего ее переворачивали, опускали зажатым концом в сосуд с ртутью, и палец отнимали. Ртуть в трубке несколько опускалась (часть ртути выливалась в сосуд) и устанавливалась на уровне высотой около 760 мм. Результаты опыта вызвали вопрос: почему ртуть полностью не выливалась из трубки? Что удерживало ее? Дело в том, что атмосферный воздух давит на окружающие предметы со всех сторон, в том числе и на поверхность ртути в сосуде, и не дает ей вылиться полностью из трубки. Опыт Э. Торричелли дал возможность точно определить величину атмосферного давления.
Давление атмосферы, равное 760 мм ртутного столба, принято считать нормальным атмосферным давлением на уровне моря.
Миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) – это единица измерения давления.
Если давление выше 760 мм рт. ст., то оно считается повышенным, если ниже, – то пониженным.
Приборы, измеряющие давление воздуха. Приборы, применяемые для измерения атмосферного давления, называют барометрами.
Трубка и чашка с ртутью – основные части простого прибора для измерения атмосферного давления (рис. 46). Он называется ртутным барометром. Конструкции барометров бывают разные. На рисунке 47 изображен барометр-анероид (в переводе с греческого «анероид» означает безжидкостный). Так его называют потому, что он не содержит ртути.
Рис. 47. Барометр-анероид
Пользуясь барометром, можно предсказать перемену погоды: если он показывает низкое давление, надо ожидать наступления ненастной погоды. Повышение атмосферного давления обычно предшествует ясной погоде. За состоянием атмосферного давления постоянное наблюдение ведется на метеорологических станциях. Ежедневно в прогнозе погоды по радио и телевидению сообщают величину атмосферного давления, например: «Сегодня в нашем городе атмосферное давление 740 мм рт. ст.». У некоторых больных и так называемых «метеозависимых» людей от величины атмосферного давления зависит их самочувствие.
Атмосферное давление – одно из важных условий для жизни человека. Оно имеет большое значение в обеспечении процесса дыхания. Происходит это так: когда мы делаем вдох, грудная клетка поднимается и расширяется, объем ее увеличивается, давление в легких становится ниже атмосферного и воздух входит (засасывается) в легкие. Затем, при выдохе, грудная клетка опускается, объем ее уменьшается, давление воздуха в легких становится выше атмосферного и часть его вытесняется наружу.
1. 1 м3 воздуха у поверхности Земли весит 1290 г, на высоте 12 км – 319 г, на высоте 40 км – 4 г. Как объяснить эти факты?
2. Как вы думаете, почему давление воздуха уменьшается по мере подъема над уровнем поверхности Земли?
3. Постарайтесь объяснить, почему кабины летательных аппаратов, предназначенных для полета на больших высотах, делают герметичными.
§ 20. Погода и ее предсказание
Сельские жители, рыбаки, водители транспорта, люди, работающие на открытом воздухе, повседневно связаны с погодой. Она определяет условия их производственной деятельности. На погоду реагируют все живые организмы, хотя и по-разному. Что же такое погода? Когда мы говорим о погоде, то имеем в виду атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, направление и скорость ветра, облачность. Внешне названные показатели проявляются как спокойствие воздуха или ветер, как теплая или холодная, солнечная или пасмурная, облачная, дождливая погода (рис. 48). Другими словами, погода – это состояние нижнего слоя атмосферы в данное время и в данном месте.
Рис. 48. Различные состояния погоды
Понаблюдаем за изменением погоды. Утро. На небе ни облачка. Но вот подул ветер, стало прохладно. Полдень. Появились облака, и вскоре пошел дождь.
Как видите, в атмосфере за небольшой промежуток времени произошли изменения. Погода может измениться даже за несколько часов.
Человек непрерывно следит за погодой на специальных метеорологических станциях. Свое название они получили по названию науки о погоде – метеорологии. В России первая метеостанция была основана 280 лет назад. Такие станции находятся в городах и поселках, на ледниках высоких гор, в пустынях, в Арктике и Антарктике.
Существует Всемирная служба погоды. В ее центрах собирается метеорологическая информация с территории одних стран и передается другим странам. Мировые центры Всемирной службы погоды находятся в Москве, Вашингтоне и Мельбурне. Они получают данные со всего мира, включая информацию с искусственных спутников Земли.
В России сведения о погоде по каждой местности передаются в ближайшее Бюро погоды. Здесь все показатели анализируются и составляется прогноз погоды для каждого района, области или края. (Каждое утро по радио вы слышите: «Передаем прогноз погоды…»)
Задолго до появления службы предсказания погоды наши предки предсказывали погоду по Луне, по календарным датам, по особенностям поведения животных. Эти предсказания основывались на опыте многих поколений. Из года в год люди замечали, какие изменения в природе происходят накануне определенной перемены погоды.
Так, признаками устойчивой погоды считаются: сильная роса на листьях растений и траве; радуга вечером (рис. 49); если дым из труб идет прямо вверх, днем жарко, а ночью прохладно или даже холодно; высокие кучевые облака.
Рис. 49. Признаки устойчивой погоды: радуга вечером; сильная роса на листьях растений
А вот признаки неустойчивой погоды: усиление ветра к вечеру; росы и инея нет; дым из трубы стелется к земле; серое небо вечером.
Для ненастной, дождливой или снежной погоды характерны хорошая слышимость звука, красное солнце у горизонта.
Погоду могут предсказать насекомые, птицы, растения. Если воробьи купаются в пыли, говорят – быть дождю, если ласточки летают высоко – это к хорошей погоде, низко – к дождю. Муравьи и пауки усиленно работают – быть хорошей погоде и теплу. Но если пчелы сидят в улье и гудят – ожидайте дождь. Если петухи поют рано с вечера, – к потеплению.
Цветы жимолости перед дождем издают особенно сильный аромат. Перед дождем усиливается запах и у таких цветов, как левкои, сирень, петуния. Листья конского каштана перед дождем выделяют большое количество липкого сока. Если утром, между 8—10 часами заметны прозрачные, точно слезы, капельки жидкости у камыша, значит, нужно ждать дождя. Говорят – «камыш плачет – быть дождю».
Неплохим предсказателем погоды в Сибири зарекомендовала себя ель. Охотники заметили, что сухие еловые веточки, которые повесили на стену, перед ненастьем сгибаются, а накануне солнечного дня остаются прямыми.