TORRICELLIHO EXPERIMENT: MĚŘENÍ ATMOSFÉRICKÉHO TLAKU, VÝZNAM - FYZICKÝ - 2025

Experiment Torricelli bylo provedeno fyzikální a italský matematik Evangelisty Torricelli v roce 1644 a vyústil v prvním měření atmosférického tlaku.

Tento experiment vyvstal z potřeby zlepšit zásobování vodou ve městech. Evangelista Torricelli (1608-1647), soudní matematik velkovévody Toskánské Ferdinandy II, studoval hydraulické jevy společně s Galileem.

Obrázek 1. Torricelliho experiment, ve kterém rtuťová kolona stoupá v důsledku atmosférického tlaku o 760 mm. Zdroj: F. Zapata.

Pokus

V 1644, Torricelli dělal následující experiment:

- Zavedl rtuť do zkumavky dlouhé 1 m, otevřenou na jednom konci a uzavřenou na druhém.

- Když byla zkumavka zcela plná, převrátil ji a hodil ji do nádoby, která obsahovala také rtuť.

- Torricelli pozoroval, že sloupec klesl a zastavil se ve výšce asi 76 cm.

- Všiml si také, že v prostoru, který byl volný, i když není dokonalý, bylo vytvořeno vakuum.

Torricelli experiment opakoval s použitím různých zkumavek. Dokonce udělal malou variaci: do kbelíku přidal vodu, která byla lehčí a vznášela se na rtuti. Potom pomalu zvedl zkumavku obsahující rtuť na hladinu vody.

Potom rtuť klesla a voda stoupla. Získané vakuum, jak jsme již řekli, nebylo dokonalé, protože vždy existovaly zbytky rtuti nebo vody.

Měření atmosférického tlaku

Atmosféra je směsí plynů, v nichž převládá dusík a kyslík, se stopami dalších plynů, jako je argon, oxid uhličitý, vodík, methan, oxid uhelnatý, vodní pára a ozon.

Gravitační přitažlivost Země je zodpovědná za udržování celého okolního planety.

Složení samozřejmě není jednotné a ani hustota, protože závisí na teplotě. V blízkosti povrchu se nachází velké množství prachu, písku a znečišťujících látek z přírodních událostí a také z lidské činnosti. Těžší molekuly jsou blíže k zemi.

Protože existuje tolik proměnlivosti, je nutné zvolit referenční nadmořskou výšku pro atmosférický tlak, která byla pro pohodlí považována za hladinu moře.

Zde nejde jen o žádnou hladinu moře, protože to také způsobuje výkyvy. Úroveň nebo vztažný bod se volí pomocí nějakého geodetického referenčního systému stanoveného na základě společné dohody mezi odborníky.

Jaký je atmosférický tlak v blízkosti země? Torricelli našel jeho hodnotu, když změřil výšku sloupce: 760 mm rtuti.

Torometrelliho barometr

V horní části trubice je tlak 0, protože tam bylo vytvořeno vakuum. Mezitím na povrchu rtuťové vany je tlak P ₁ atmosférický tlak.

Vyberme počátek referenčního rámu na volném povrchu rtuti, v horní části zkumavky. Odtud na povrch rtuti v nádobě, změřte H, výšku sloupce.

Obrázek 2. Barometr Torricelli. Zdroj: Obecná fyzika pro inženýry. J. Lay. USACH.

Tlak v bodě označeném červeně v hloubce y ₁ je:

Kde ρ _Hg je hustota rtuti. Protože y ₁ = H a Po = 0:

Protože hustota rtuti je konstantní a gravitace konstantní, ukazuje se, že výška kolony rtuti je úměrná P ₁ , což je atmosférický tlak. Nahrazování známých hodnot:

Jednotkou tlaku v mezinárodním systému je pascal, zkráceně Pa. Podle Torricelliho experimentu je atmosférický tlak 101,3 kPa.

Význam atmosférického tlaku pro klima

Torricelli pozoroval, že hladina rtuti ve zkumavce prošla každý den nepatrnými změnami, a tak usoudil, že se musí změnit také atmosférický tlak.

Atmosférický tlak je zodpovědný za velkou část klimatu, avšak jeho denní variace zůstávají bez povšimnutí. Je to například proto, že nejsou tak znatelné jako bouře nebo zima.

Tyto změny atmosférického tlaku jsou však zodpovědné za větry, které zase ovlivňují srážky, teplotu a relativní vlhkost. Když se zem zahřeje, vzduch se roztahuje a má tendenci stoupat, což způsobuje pokles tlaku.

Kdykoli barometr ukazuje vysoké tlaky, lze očekávat dobré počasí, zatímco při nízkých tlacích existuje možnost bouřek. Pro přesné předpovědi počasí však potřebujete více informací o dalších faktorech.

On

Ačkoli to zní zvláštně, protože tlak je definován jako síla na jednotku plochy, v meteorologii je platné vyjádřit atmosférický tlak v milimetrech rtuti, jak stanovil Torricelli.

Důvodem je, že rtuťový barometr se od té doby nadále používá s malou variabilitou, takže na počest Torricelliho se 760 mm Hg rovná 1 torru. Jinými slovy:

Kdyby Torricelli použil vodu místo rtuti, výška sloupce by byla 10,3 m. Rtuťový barometr je praktičtější, protože je kompaktnější.

Dalšími rozšířenými jednotkami jsou tyče a milibary. Jeden milibar se rovná jedné hectopascal nebo 10 ² Pa.

Výškoměry

Výškoměr je přístroj, který udává výšku místa, srovnávající atmosférický tlak v této výšce s tlakem na zemi nebo na jiném referenčním místě.

Pokud výška není příliš velká, můžeme v zásadě předpokládat, že hustota vzduchu zůstává konstantní. Je to však přibližné, protože víme, že hustota atmosféry se s výškou snižuje.

Při použití výše uvedené rovnice se použije hustota vzduchu místo hustoty rtuti:

V tomto výrazu P _o je vzat jako atmosférický tlak na úrovni země a P1 je to místo, jehož nadmořská výška má být stanovena:

Výšková rovnice ukazuje, že tlak exponenciálně klesá s výškou: pro H = 0, P ₁ = P _nebo a pokud H → ∞, pak P ₁ = 0.

Reference

1. Figueroa, D. 2005. Série: Fyzika pro vědy a inženýrství. Svazek 5. Tekutiny a termodynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohled na svět. 6. zkrácené vydání. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. General Physics for Engineers. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4. Edice. Pearsonovo vzdělávání.
5. Strangeways, I. 2003. Měření přírodního prostředí. 2. Edice. Cambridge University Press.