Πώς μετράμε την ατμοσφαιρική πίεση 🌡️

Ο αέρας γύρω μας ασκεί πίεση. Αλλά πώς μπορούμε να τη μετρήσουμε; Χρειαζόμαστε ένα όργανο και κάποιες μονάδες μέτρησης. Σε αυτή την ενότητα θα δεις πώς ένας επιστήμονας μέτρησε πρώτος την ατμοσφαιρική πίεση, και πώς εκφράζουμε τη μέτρηση αυτή σε διαφορετικές μονάδες.

Το βαρόμετρο

Το όργανο που μετρά την ατμοσφαιρική πίεση λέγεται βαρόμετρο. Υπάρχουν τρία είδη βαρομέτρων:

Βαρόμετρα υδραργύρου
Βαρόμετρα νερού
Βαρόμετρα αέρα

Το πρώτο βαρόμετρο το έφτιαξε ο Ιταλός επιστήμονας Evangelista Torricelli το 1643.

Το πείραμα του Torricelli

Ένας μαθητής του Γαλιλαίου

Ο Evangelista Torricelli (1608–1647) ήταν μαθητής του Γαλιλαίου. Το πείραμά του, το 1643, ήταν ο πρώτος τρόπος που βρήκε ο άνθρωπος για να μετρήσει την ατμοσφαιρική πίεση.

Ο Torricelli πήρε έναν γυάλινο σωλήνα μήκους ενός μέτρου, κλειστό στο ένα άκρο, και τον γέμισε εντελώς με υδράργυρο (ένα βαρύ υγρό μέταλλο). Μετά, με το ανοιχτό άκρο προς τα κάτω, αναποδογύρισε τον σωλήνα μέσα σε ένα δοχείο που είχε επίσης υδράργυρο.

Αυτό που παρατήρησε ήταν εντυπωσιακό: η στήλη υδραργύρου μέσα στον σωλήνα κατέβηκε λίγο, αλλά δεν άδειασε μέχρι το δοχείο. Σταθεροποιήθηκε σε ύψος 76 εκατοστά πάνω από την επιφάνεια του υδραργύρου στο δοχείο, αφήνοντας κενό στο πάνω μέρος του σωλήνα.

Γιατί συμβαίνει αυτό

Ο Torricelli κατάλαβε ότι κάτι έξω από τον σωλήνα κρατούσε τη στήλη ψηλά: η ατμοσφαιρική πίεση, που πιέζει την ελεύθερη επιφάνεια του υδραργύρου μέσα στο δοχείο. Η πίεση αυτή εξισορροπεί ακριβώς την υδροστατική πίεση που δημιουργεί η στήλη των 76 cm υδραργύρου. Αν η ατμοσφαιρική πίεση ήταν μικρότερη, η στήλη θα κατέβαινε πιο χαμηλά· αν ήταν μεγαλύτερη, θα ανέβαινε πιο ψηλά.

Δηλαδή:

P_{ατμ} = 76\ cm\ Hg

Το κενό στην κορυφή του σωλήνα

Πολλοί μαθητές νομίζουν ότι κάτι σπρώχνει τον υδράργυρο από πάνω. Στην πραγματικότητα, στο πάνω μέρος του σωλήνα δεν υπάρχει σχεδόν τίποτα (κενό). Αυτό που κρατά τη στήλη ψηλά είναι η ατμοσφαιρική πίεση που πιέζει το υγρό στο δοχείο από κάτω, όχι κάτι που πιέζει από πάνω.

Η ατμοσφαιρική πίεση σε Pascal

Μπορούμε να μετατρέψουμε τα 76 cm υδραργύρου σε Pascal, χρησιμοποιώντας τον γνωστό τύπο της υδροστατικής πίεσης:

P = ρ \cdot g \cdot h

Η πυκνότητα του υδραργύρου είναι $ρ_{Hg} = 13\ 590\ kg/m^3$ . Χρησιμοποιώντας $g = 10\ m/s^2$ και $h = 76\ cm = 0{,}76\ m$ (πρέπει πάντα να μετατρέπουμε το ύψος σε μέτρα):

P_{ατμ} = 13\ 590 \cdot 10 \cdot 0{,}76 \approx 103\ 284\ Pa

Δηλαδή:

P_{ατμ} \approx 103{,}3\ kPa

Πρόσεξε τις μονάδες

Ο τύπος $P = ρgh$ δουλεύει σωστά μόνο όταν όλα τα μεγέθη είναι σε μονάδες SI: η πυκνότητα σε $kg/m^3$ , το ύψος σε $m$ και η επιτάχυνση σε $m/s^2$ . Τότε το αποτέλεσμα βγαίνει αυτόματα σε $Pa$ .

Οι μονάδες μέτρησης της πίεσης

Επειδή η ατμοσφαιρική πίεση χρησιμοποιείται σε πολλούς τομείς (πρόγνωση καιρού, ιατρική, μηχανική), υπάρχουν αρκετές διαφορετικές μονάδες για να την εκφράσουμε. Οι πιο σημαντικές είναι:

Pascal (Pa) — η επίσημη μονάδα του Διεθνούς Συστήματος. Ισχύει $1\ Pa = 1\ N/m^2$ .
Χιλιοστόμετρα υδραργύρου (mmHg) — το ύψος της στήλης υδραργύρου σε ένα βαρόμετρο, μετρημένο σε χιλιοστά.
Bar — μονάδα που χρησιμοποιείται συχνά σε τεχνικές εφαρμογές.
Ατμόσφαιρα (atm) — ορίζεται ως η μέση ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της θάλασσας.

Η αντιστοιχία ανάμεσα σε αυτές τις μονάδες φαίνεται στον παρακάτω πίνακα:

Μονάδα	Ισοδύναμο σε Pa	Άλλες ισοδυναμίες
$1\ Pa$	$1\ N/m^2$	—
$1\ bar$	$100\ 000\ Pa$	—
$1\ atm$	$101\ 284\ Pa$	$760\ mmHg = 76\ cm\ Hg$
$1\ mmHg$	$\approx 133\ Pa$	$\frac{1}{10}\ cm\ Hg$

Σχεδόν 1 bar!

Η ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της θάλασσας είναι περίπου 1 bar (πιο ακριβώς 1,013 bar). Γι' αυτό στις προγνώσεις καιρού συχνά ακούμε την πίεση σε hPa (εκατοστόμπαρ): $1\ atm \approx 1013\ hPa$ .

Έτσι, όταν λύνουμε ασκήσεις με πίεση, μπορούμε να συναντήσουμε την ίδια τιμή γραμμένη σε Pa, σε cm Hg, σε mmHg, σε bar ή σε atm — και πρέπει να ξέρουμε να περνάμε από τη μία μονάδα στην άλλη.