2.1.2.3 Właściwości ciśnienia powietrza

Właściwości ciśnienia powietrza
2.1.2.3
Mimo to, że często go nie zauważamy, ciśnienie odgrywa w życiu codziennym ważną rolę. Pojawia się
ono wszędzie. W tym doświadczeniu zbadamy, czym właściwie jest ciśnienie, jakie są jego właściwości
i pochodzenie.
Materiał doświadczalny
1 Interfejs Cobra4 Wireless Manager
1 Interfejs Cobra4 Wireless-Link
1 Moduł pomiarowy Cobra4 Sensor-Unit Pogoda:
wilgotność, ciśnienie atmosferyczne, temperatura,
natężenie światła, wysokość
1 Płaski, plastikowy worek, rozmiar A4, 100 sztuk
1 Tacka na dokumenty 413 x 120 x 100 mm
1 Odważnik handlowy, 1000 g
1 Odważnik handlowy, 2000 g
1 Oprogramowanie Cobra4 – licencja
pojedyncza/szkolna
12600.00
12601.00
12670.00
46444.02
47325.11
44096.70
44096.78
14550.61
Materiały dodatkowe
1 Komputer PC z portem USB, Windows XP lub nowszy
Rys. 1: Zestaw doświadczalny
1
www.phywe.de, © Wszystkie prawa zastrzeżone
P1500460
Właściwości ciśnienia powietrza
2.1.2.3
Uwaga
-
Przed nadmuchaniem worka, zamknij go pozostawiając niewielki otworek. Worek musi być tak
nadmuchany, aby leżąca na nim, plastikowa tacka nie zsuwała się i jeśli tylko to jest możliwe, nie
dotykała modułu pomiarowego.
Przygotowanie doświadczenia
-
Przygotuj doświadczenie tak jak pokazano na fotografii (Rysunek 1).
Sposób postępowania
-
Uruchom komputer oraz Windows.
-
Podłącz interfejs „Cobra4 Wireless Manager” do gniazda USB w komputerze.
-
Uruchom w komputerze pakiet oprogramowania pomiarowego.
-
Włącz interfejs „Cobra4 Wireless – Link” z dołączonym modułem pomiarowym „Cobra4 Sensor - Unit
Pogoda”. Moduł zostanie automatycznie rozpoznany i uzyska numer ID (01), który zostanie
wyświetlony przez „Cobra4 Wireless – Link”. Komunikacja między interfejsem „Cobra4 Wireless
Manager” i zewnętrznym interfejsem „Cobra4 Wireless – Link” zostanie zasygnalizowana przez
świecącą diodę Data.
-
Wczytaj doświadczenie „2.1.2.3 Właściwości ciśnienia powietrza” (Eksperyment > Otwórz
doświadczenie > 2. Fizyka). Zostaną wczytane wszystkie ustawienia, konieczne do wykonania
pomiarów.
-
Aby wykazać, że wartość ciśnienia zależy od siły działającej na określoną powierzchnię, ułóż płasko
tackę na napompowanym worku i obciążaj go różnymi odważnikami. Możesz obracać moduł
pomiarowy, otrzymując te same wyniki, lub naciskać torbę w różnych miejscach, obserwując wzrost
ciśnienia. Aby zmienić powierzchnię, na którą działa ciężar odważnik, obracaj torbę względem tacki.
Wyniki i ich analiza
-
W module pomiarowym Pogoda, znajduje się czujnik ciśnienia. Obracanie czujnika w różnych
kierunkach lub naciskanie worka w różnych miejscach, pozwala sprawdzić, że ciśnienie nie działa
kierunkowo (w przeciwieństwie do siły nacisku), jest ono identyczne w całej objętości worka. Możesz
również je zbadać ilościowo, kładąc na worek plastikową tackę i obciążając ją odważnikiem
(prawdopodobnie wcześniej, musisz wypuścić z worka, pewną ilość powietrza). Obróć moduł i powtórz
pomiary. Uzyskasz tę samą wartość, w granicach dokładności pomiaru.
-
Możesz również porównywać ciśnienia, które wytwarzane są przez różne odważniki, (Rysunek 1). Aby
to zrobić, ponownie umieścić plastikową tackę na płaskiej stronie plastikowego worka i zanotuj
wartości bez obciążenia i z obciążeniem 1 kg i 2 kg. Uzyskasz następujące przykłady (rzeczywiste
wartości są uzależnione od skalibrowania modułu i stopnia napompowania worka):
p 0  1010,3 hPa
-
p1  1012,4 hPa

p1  p 0  2,1 hPa
p 2  1014,5 hPa

p 2  p 0  4,2 hPa
Aby uzyskać wartość ciśnienia, spowodowaną obciążeniem, odejmij ciśnienie bez obciążenia od
uzyskanej wartości z obciążeniem. Zobaczysz, że ciśnienie wzrasta dwukrotnie, przy dwukrotnym
zwiększeniu ciężaru.
Możesz dodatkowo zmienić powierzchnię, na którą działa ciężar. Zrób to obracając worek, tak, aby
leżał na długim szwie i ponownie obciążaj go plastikową tacką i odważnikami, (musisz, w tej pozycji,
ostrożnie zbalansować odważnik) (Rysunek 1). Zawisz wartości. Przykład:
2
P1500460
www.phywe.de, © Wszystkie prawa zastrzeżone
Właściwości ciśnienia powietrza
2.1.2.3
p 0  1010,4 hPa
-
-
-
p1  1014,2 hPa

p1  p 0  3,8 hPa
p 2  1017,7 hPa

p 2  p0  7,3 hPa
Ciśnienie z podwojonym ciężarem, znów jest podwojone (w granicach dokładności pomiaru, błąd 4%).
Obserwujemy jednak wyraźny wzrost w ciśnienia w porównaniu z poprzednim przypadkiem (1,8 razy).
Pomiary wykazują, że: ciśnienie rozchodzi się w gazie, we wszystkich kierunkach jednakowo (to samo
obserwujemy w cieczach). Ponieważ dotyczy to również ciśnienia atmosferycznego, jest ono takie
same, na tej samej wysokości, na całym świecie. Gdyby było inaczej, tzn. gdyby ciśnienie było
skierowane tylko w dół, to na przykład, nie zaobserwowalibyśmy ciśnienia pod dachem budynku,
a podczas nurkowania pod wodą, ciśnienie nagle zniknęłoby, kiedy wpłynęlibyśmy pod wystającą
skałę.
Ciśnienie definiujemy, jako iloraz siły i powierzchni, na którą ona działa. Jak wynika z pomiarów,
ciśnienie w worku podwoiło się z podwojeniem ciężaru, ponieważ siła działająca na identyczną
powierzchnię zwiększyła się dwukrotnie. Jeżeli zmniejszymy powierzchnię, na którą działa siła (dla
tego samego ciężaru), wtedy ciśnienie wzrośnie.
F
Mamy: p 
A
Doświadczamy tego w życiu codziennym. Jeżeli dwaj ludzie o tym samym ciężarze nadepną na Twoją
stopę i jeden ma buty na obcasie, a drugi płaskie, to odczujemy silniejszy ból w przypadku butów na
obcasie (wtedy siła działa na mniejsza powierzchnię). Z tego samego powodu, twoje stopy zapadną się
w śniegu kiedy masz na sobie zwykłe buty, jednak możesz swobodnie chodzić po śniegu po założeniu
nart lub rakiet śnieżnych. Łatwiej jest również uderzyć w paznokieć (mała powierzchnia) ostrą stroną
młotka niż tępą.
Skąd pochodzi ciśnienie atmosferyczne? Powietrze jest gazem (głównie azot) i dlatego składa się
z dużej ilości cząsteczek. Ma ono, przy powierzchni Ziemi, gęstość równą ok. 1 kg/m³; masa
cząsteczkowa azotu wynosi około 14 u. Ponieważ 1 u = 1,66 * 10-27 kg. – 1 m³ powietrza zawiera
około 3 * 1026 cząsteczek.
mczasteczko wa  2  14 u  3,32  10 27 kg;
1 kg
 3  1026
 27
3,32  10 kg
Te cząsteczki nie są nieruchome, one się “wiercą“ z prędkością zbliżającą się do prędkości dźwięku,
tzn. mają średnią prędkość równą około 330 m/s. Z tego powodu, zderzają się one z sobą, jak również
z różnymi powierzchniami, działając na nie pewną niewielką siłą. Ponieważ ilość zderzeń jest bardzo
duża, siła ta rośnie, powodując powstanie ciśnienia, zwanego atmosferycznym (zobacz również
Rysunek 2).
Wewnątrz nadmuchanego plastikowego worka, jest więcej powietrza niż na zewnątrz, co powoduje
zwiększenie jego objętości. Kiedy teraz naciskamy worek ręką, zmniejszamy jego objętość,
powodując, że cząsteczki zbliżają się do siebie i do innych powierzchni, częściej się z nimi zderzając
(dotyczy to również czujnika ciśnienia). Ciśnienie rośnie. Ponieważ cząsteczki poruszają się we
wszystkich kierunkach, ciśnienie również działa niezależnie od kierunku.
Wysokie ciśnienie
Niskie ciśnienie
Rys. 2: Ilustracja w jaki sposób powstaje ciśnienie atmosferyczne
w wyniku ruchu cząsteczek powietrza.
3
www.phywe.de, © Wszystkie prawa zastrzeżone
P1500460
2.1.2.3
Właściwości ciśnienia powietrza
Miejsce na notatki
4
P1500460
www.phywe.de, © Wszystkie prawa zastrzeżone