Półkule magdeburskie - Centrum Nauki Kopernik

Eksperymentuj!
Półkule magdeburskie
Powietrze wydaje się czymś lekkim i delikatnym.
Ale nie dajmy się zwieść – na każdy centymetr kwadratowy naszego ciała naciska jeden kilogram powietrza.
Czy to dużo? Wystarczy prosty eksperyment: składamy
dwie wydrążone półkule wielkości grejpfruta, wypompowujemy spomiędzy nich powietrze i… gratulacje
dla tego, kto je rozerwie! Powietrze pozostałe na zewnątrz półkul ściska je z ogromną siłą.
CENTRUM NAUKI
KOPERNIK
Trochę teorii
iemię otacza atmosfera, czyli warstwa powietrza. To właśnie nacisk
powietrza znajdującego się nad nami
odczuwamy jako ciśnienie atmosferyczne. Wartość tego ciśnienia wynosi około 1000 hPa. Czy to dużo,
czy mało? Aby odpowiedzieć na to
pytanie, wystarczy samodzielnie przeprowadzić doświadczenie z półkulami
magdeburskimi.
Siła, z jaką powietrze z zewnątrz
naciska na półkule, jest równoważona przez siłę działającą na półkule
od wewnątrz. Dlatego bez problemu
możemy je rozdzielić. A co się stanie,
jeżeli ze środka półkul wypompujemy powietrze? Siły zewnętrzna i wewnętrzna nie będą się równoważyć.
Ciśnienie atmosferyczne z zewnątrz
dalej będzie naciskać na złożone półkule, ale nic nie będzie równoważyć
tego nacisku od środka, bo nie będzie
tam powietrza. To właśnie ciśnienie
atmosferyczne sprawia, że nie można
rozerwać tak zassanych półkul.
Jak obliczyć wartość ciśnienia? Można to zrobić, dzieląc siłę nacisku działającą na daną powierzchnię przez
wielkość tej powierzchni. Jednostką
ciśnienia jest Pascal (Pa). Jeden Pascal
odpowiada sile jednego Newtona, który naciska na jeden metr kwadratowy
(1 Pa=1N/m2). Na przykład: stojąc na
poziomej podłodze, wywieramy na nią
siłę nacisku równą naszemu ciężarowi,
a powierzchnia, na którą działamy, to
powierzchnia naszych butów.
Wartość ciśnienia atmosferycznego
możemy też wyrazić inaczej. Wartość
ta odpowiada postawieniu jednego kilograma masy na każdym centymetrze
kwadratowym poziomej powierzchni
(10 N/0,0001m2=100 000 Pa). Dla
wygody, aby nie posługiwać się dużymi liczbami ciśnienie atmosferyczne
wyrażamy w hPa (1 hPa=100 Pa).
Dlaczego nie odczuwamy działania
ciśnienia atmosferycznego na nasze
ciało? Dzieje się tak, ponieważ jego
działanie jest równoważone przez
ciśnienie wewnętrzne, jakie wywiera płyn znajdujący się w komórkach
tkanek naszego ciała. Bardzo groźne
dla naszych organizmów byłoby usunięcie zewnętrznego ciśnienia atmosferycznego – ciśnienie wewnętrzne
rozerwałoby nasze ciało od środka.
Dlatego astronauci opuszczający statek
kosmiczny muszą być ubrani w kombinezony zapewniające im między
innymi odpowiednie ciśnienie zewnętrzne.
Niebezpieczne dla naszych organizmów jest także ciśnienie wyższe od
atmosferycznego, a szczególnie jego
szybkie zmiany. Zabójczy jest zwłaszcza szybki wrost ciśnienia. Z taką sytuacją można spotkać się w trakcie
nurkowania. Jeżeli nurek pracujący
przez dłuższy czas na znacznej głębokości zbyt szybko wynurzy się na
powierzchnię, szybkie zmniejszenie
się ciśnienia spowoduje uwalnienie
się gazów rozpuszczonych we krwi
i w tkankach (zwłaszcza azotu z uwagi
na jego dużą zawartość w powietrzu).
Dzieje się tak dlatego, że wraz ze spadkiem ciśnienia maleje rozpuszczalność
gazów w cieczach.
Ciśnienie atmosferyczne zmienia
się wraz z pogodą i wysokością nad
poziomem morza. Wyże i niże na mapach pogody to nic innego jak obszary
odpowiednio wysokiego i niskiego
ciśnienia. Codziennie jego wartość
dla danego obszaru podawana jest
w komunikatach meteorologicznych.
Ekstremalnie niskie ciśnienie atmosferyczne zanotowano w oku cyklonu „Wilma” w 2005 roku – 882 hPa,
a najwyższe 1084 hPa zmierzono
31 grudnia 1968 roku w obrębie wyżu syberyjskiego w miejscowości Agata
położonej w północnej Syberii. Polski
rekord wysokości ciśnienia – 1054 hPa
padł w Suwałkach w 1997 roku.
Wiele osób reaguje na zmiany ciśnienia pogorszeniem samopoczucia. Przyjmuje się, że zmiany ciśnienia
do 4 hPa są niewyczuwalne lub słabo wyczuwalne przez ludzi. Dopiero
zmiana od 4 do 8 hPa może wpływać
niekorzystnie na nasze samopoczucie.
Zdarza się jednak, że ciśnienie waha
się nawet o ponad 15 hPa. Takie zmiany dla szczególnie wrażliwych osób
mogą być niebezpieczne – wpływają
na układ krążenia i mogą być nawet
przyczyną zawału serca.
Wraz z oddalaniem się od powierzchni Ziemi ciśnienie atmosferyczne maleje. W temperaturze 0°C i przy
ciśnieniu 1000 hPa spadek ten wynosi
1 hPa na 8 m wysokości. Trzeba jednak
pamiętać, że im wyższe ciśnienie, tym
spadek szybszy.
Największy wodny barometr na świecie mierzy 12 m wysokości i można go obejrzeć
w Australii. Rekord jest potwierdzony wpisem do Księgi rekordów Guinnessa
Fot. Bert Bolle, East News, www.airprofi.pl
Eksperymentuj!
Z
O historii
N
azwa półkul pochodzi od miasta
Magdeburg, którego burmistrz,
a jednocześnie fizyk i wynalazca Otto von
Guericke w 1654 roku przeprowadził
słynne doświadczenie. W historycznym
eksperymencie średnica półkul wynosiła
około 40 cm. Do rozerwania zassanych
półkul użyto aż ośmiu par koni.
Pierwszy barometr – przyrząd mierzący ciśnienie wynalazł włoski uczony
Torricelli w połowie XVII wieku. Była to
zamknięta z jednej strony rurka zanurzona otwartym końcem w naczyniu
wypełnionym rtęcią. Wysokość słupa rtęci – około 76 cm – była miarą
ciśnienia atmosferycznego. „Żyjemy
zanurzeni na dnie oceanu powietrza”
stwierdził Torricelli.
Francuski uczony Blaise Pascal (1623-1662) wyszedł z założenia, że jeśli Torricelli ma rację, przyrównując powietrze
do oceanu i jeśli powietrze ma ciężar, to
ciśnienie powinno maleć z wysokością.
Najprostszym sposobem zweryfikowania tego przypuszczenia było wniesienie
barometru na szczyt góry. Eksperyment
przeprowadzono w 1648 roku, wchodząc na wierzchołek góry Puy-de-Dome
wznoszącej się 1467 m n.p.m. W ten
sposób hipoteza postawiona przez Pascala została potwierdzona.
Doświadczenie przeprowadzone przez Ottona von Guericke udowodniło, że
powietrze wywiera nacisk na wszystko, co znajduje sie na Ziemi, i naocznie
pokazało, jak wielka jest to siła
Dziś potrafimy określić ciśnienie atmosferyczne nie tylko na naszej planecie. W Układzie Słonecznym wśród
planet skalistych największym ciśnieniem atmosferycznym może pochwalić
się Wenus. Na powierzchni tej planety jest ono ok. 100 razy większe od
ziemskiego. Podobne warunki można
spotkać w naszych oceanach na głębokości 900 m.
Współczesne zastosowania
B
arometr rtęciowy wynaleziony
przez Torricellego wyszedł już
z użycia podobnie jak jego wodny
kuzyn. W domach posługujemy się
dziś najczęściej barometrami metalowymi. Czujnikiem ciśnienia jest w nich
metalowa puszka, w której znajduje
się nieznacznie rozrzedzone powietrze.
Do ścianki puszki (zwanej też aneroidem) jest przymocowana wskazówka. Odkształcająca się sprężyście pod
wpływem zmian ciśnienia zewnętrznego ścianka puszki wywołuje ruch
wskazówki.
W najnowocześniejszych urządzeniach czujnikiem ciśnienia jest półprzewodnikowy element piezorezystancyjny. Jego działanie oparte jest
na zmianie oporu elektrycznego pod
wpływem zmian zewnętrznego ciśnienia atmosferycznego.
W meteorologii do pomiarów ciśnienia używa się barografów. Jest
to rodzaj barometru, który w sposób
ciągły rejestruje wykonane pomiary.
Dane są zapisywane na papierowej taśmie (barogramie) przymocowanej do
obracającego się bębna. Czas pełnego
obrotu bębna reguluje się według potrzeb – może to być 12 godzin, tydzień
lub nawet miesiąc. Dzisiaj mechaniczne
barografy są wypierane przez dokładniejsze urządzenia komputerowe, które
mogą zapisywać dokonane pomiary
przez znacznie dłuższy czas.
Mierzenie zmian ciśnienia przydaje
się także pilotom samolotów. Dzięki
statoskopowi, który rejestruje małe jego
wahania, można wychwycić zmiany wysokości lotu maszyny. Sercem statoskopu podobnie jak w przypadku starszego
typu barometrów jest aneroid.
W nowoczesnych samolotach raczej nie
spotkamy już mechanicznego wysokościomierza. Został wyparty przez
dokładniejsze urządzenie elektroniczne
C
iśnienie atmosferyczne wykorzystujemy w codziennym życiu.
Dzięki niemu działa choćby ręczna
pompa, której można użyć do podlewania ogródka. Woda znajdująca się
na dnie studni podnosi się za tłokiem
pompy coraz wyżej i jest „wciskana”
na powierzchnię właśnie przez ciśnienie atmosferyczne.
Dzięki różnicy ciśnień działają zamknięcia pojemników do przechowywania żywności. Jeśli w pojemniku lub
słoiku typu „twist” wytworzymy podciśnienie, czyli ciśnienie niższe od zewnętrznego, różnica ciśnień spowoduje
szczelne zamknięcie. Na podobnej zasadzie działają także rozmaite „przyssawki” i uchwyty, którymi można podnosić
np. duże, nieporęczne tafle szklane lub
małe, delikatne przedmioty.
Także balony napełnione lekkim gazem wznoszą się zgodnie z prawem
Archimedesa dla gazów. Wypadkowa
siła powodująca wznoszenie się balonu wynika z różnicy wartości ciśnienia
atmosferycznego na poziomie górnej
i dolnej jego części.
Więcej doświadczeń
Fot. Centrum Nauki Kopernik, Corbis; rys. Małgorzata Świentczak
W internecie
1. Napełnij szklankę wodą aż po
wierzch („z czubem”), przykryj ją sztywnym, lekkim i nieprzemakalnym kartonikiem. Trzymając kartonik przyciśnięty
do brzegu szklanki, odwróć naczynie
do góry nogami. Teraz puść kartonik.
Trzyma się? Dlaczego? Zastanów się
także, jaka jest rola kartki.
2. W wieczku niedużego słoika zrób
dziurkę i włóż w nią rurkę do napojów,
uszczelnij to miejsce płynną stearyną ze
świeczki. Wlej trochę wody do słoika,
zakręć wieczko i spróbuj ssać wodę
przez słomkę. Uda się to tylko wtedy, gdy wieczko będzie poluzowane.
Dlaczego?
3. Domowy barometr: Butelkę napełnij
częściowo wodą. Zatykając butelkę palcem, odwróć ją dnem do góry i wstaw
CENTRUM NAUKI
KOPERNIK
do miseczki z wodą. Do wody dolej
trochę oleju, aby rozpłynął się po powierzchni, chroniąc wodę przed parowaniem. Zmiany ciśnienia atmosferycznego
będą powodowały wahania poziomu
wody w butelce. Można je zaznaczać na
pasku papieru przymocowanym do butelki. Zauważ, że odczyty zależą również
od temperatury powietrza znajdującego
się wewnątrz butelki.
Stacja meteorologiczna Instytutu
Fizyki PW
www.if.pw.edu.pl/~meteo
Numeryczna prognoza pogody
http://weather.icm.edu.pl
Jak zmierzyć ciśnienie?
www.srh.weather.gov/jetstream/
atmos/ll_pressure.htm
Historia wynalezienia barometru
www.islandnet.com/~see/weather/
history/barometerhistory1.htm
www.kopernik.org.pl
Eksperymentuj!
A to ciekawe