ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ ΤΟΡΙΚΕΛΙ

ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ ΤΟΡΙΚΕΛΙ

ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ ΤΟΡΙΚΕΛΙ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Είναι γνωστό ότι η γη περιβάλλεται από ένα στρώμα αέρα που λέγεται ατμόσφαιρα.Η ατμόσφαιρα αποτελείται από ένα μείγμα αερίων που ονομάζεται ατμοσφαιρικός αέρας.

Ατμόσφαιρα ονομάζεται ένα λεπτό στρώμα αερίων που περιβάλλει περιβάλλει τη Γη

 Ατμόσφαιρα ονομάζεται ένα λεπτό στρώμα αερίων που περιβάλλει περιβάλλει τη Γη.Εάν η Γη είχε μέγεθος μπάλας μπάσκετ, η ατμόσφαιρα θα είχε πάχος ενός φύλλου χαρτιού.

 Η σύνθεση της ατμόσφαιρας είναι:

Άζωτο  (78%), 

Οξυγόνο (21%), 

Άλλα αέρια (1%)  

 Ο αέρας είναι διαφανής.Έχει μάζα και από τη γη ασκείται σε αυτόν η δύναμη του βάρους. Επομένως, όπως συμβαίνει με όλα τα ρευστά σώματα,ασκεί πίεση σε κάθε επιφάνεια που βρίσκεται μέσα σ' αυτόν.Όπως ακριβώς η υδροστατική πίεση μιας κατακόρυφης στήλης νερού οφείλεται στο βάρος της,έτσι και η ατμοσφαιρική πίεση οφείλεται στο βάρος του αέρα.

Η σύνθεση της ατμόσφαιρας

 Ο αέρας,όπως και κάθε άλλο σώμα,έλκεται από τη γη,και η έλξη αυτή συγκρατεί τα μόρια του και δεν τα αφήνει να φύγουν προς το διάστημα.Εξαιτίας της γήινης έλξεως ο αέρας έχει βάρος,το οποίο προκαλεί πίεση στην επιφάνεια της γης,αλλά και σε κάθε άλλη επιφάνεια που βρίσκεται σε επαφή με τον αέρα.Η πίεση αυτή ονομάζεται ατμοσφαιρική πίεση.

ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ

 Ατμοσφαιρική πίεση ονομάζεται η πίεση που δημιουργείται από την ατμόσφαιρα.
 Η τιμή της ατμοσφαιρικής πίεσης εξαρτάται από το ύψος από την επιφάνεια της θάλασσας.Όσο μεγαλύτερο είναι το υψόμετρο στο οποίο βρισκόμαστε τόσο μικρότερη είναι η ατμοσφαιρική πίεση γιατί είναι λιγότερη η ποσότητα του αέρα που βρίσκεται πάνω από εμάς και μας πιέζει με το βάρος της.

Η τιμή της ατμοσφαιρικής πίεσης εξαρτάται από το ύψος από την επιφάνεια της θάλασσας.Όσο μεγαλύτερο είναι το υψόμετρο στο οποίο βρισκόμαστε τόσο μικρότερη είναι η ατμοσφαιρική πίεση

 Τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας πιέζουν,λόγω του βάρους τους,τα κατώτερα με αποτέλεσμα η τιμή της πίεσης να είναι μεγαλύτερη στην επιφάνεια της θάλασσας.Αντιλαμβανόμαστε την ατμοσφαιρική πίεση μόνο όταν υπάρχει διαφορά πίεσης.

Πίεση μιας ατμόσφαιρας (1 atm) ονομάζεται τιμή της ατμοσφαιρικής πίεσης στην επιφάνεια της θάλασσας

 Πίεση μιας ατμόσφαιρας (1 atm) ονομάζεται τιμή της ατμοσφαιρικής πίεσης στην επιφάνεια της θάλασσας.
 Η τιμή αυτή σημαίνει ότι σε κάθε τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας ασκείται δύναμη 100000 Ν!Η επιφάνεια του σώματος μας είναι περίπου ένα με δύο τετραγωνικά μέτρα και άρα και το σώμα μας δέχεται από τον ατμοσφαιρικό αέρα μια τόσο μεγάλη δύναμη η οποία κανονικά έπρεπε να μας συνθλίψει.Το σώμα μας όμως είναι φτιαγμένο ώστε να έχει την ίδια πίεση στο εσωτερικό του και έτσι να αντισταθμίζεται και να εξουδετερώνεται η επίδραση της ατμοσφαιρικής πίεσης που ασκείται εξωτερικά. 

ΕΞΗΓΗΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΠΙΕΣΗΣ

 Ένα απλό πείραμα που αποδεικνύει την ύπαρξη της ατμοσφαιρικής πίεσης είναι αυτό με τον ελαστικό δίσκο,την γνωστή μας βεντούζα.Αν εφαρμόσουμε τον ελαστικό δίσκο σε κάποια λεία επιφάνεια,για παράδειγμα στο τζάμι,και επιχειρήσουμε να τον αποκολλήσουμε τραβώντας τον άγκιστρο,θα συναντήσουμε μεγάλη δυσκολία.Αν όμως ανασηκώσουμε λίγο τα χείλη του,ώστε να περάσει αέρας ανάμεσα στο δίσκο και στο τζάμι,η αποκόλληση γίνεται χωρίς προσπάθεια.

Η βεντούζα με άγκιστρο

 Το φαινόμενο εξηγείται ως εξής:
 Όταν δεν υπάρχει αέρας ανάμεσα στο δίσκο και το τζάμι,ο δίσκος πιέζεται μόνο από την έξω επιφάνεια του και κολλάει στο τζάμι.Όταν όμως μπαίνει αέρας ανάμεσα στο δίσκο και το τζάμι,αναπτύσσεται πιεστική δύναμη και στη μέσα επιφάνεια του δίσκου και ο δίσκος αποχωρίζεται εύκολα.

 Ένα άλλο πείραμα που φανερώνει την ύπαρξη της ατμοσφαιρικής πιέσεως είναι και το ακόλουθο.

Προσαρμόζουμε μία ελαστική μεμβράνη στο μεγάλο στόμιο ενός χωνιού και μετά ρουφάμε τον αέρα από το χωνί

 Προσαρμόζουμε μία ελαστική μεμβράνη στο μεγάλο στόμιο ενός χωνιού και μετά ρουφάμε τον αέρα από το χωνί.Το γεγονός αυτό φανερώνει ότι κάποια δύναμη ενεργεί πάνω στην εξωτερική επιφάνεια της μεμβράνης και τη σπρώχνει προς τα μέσα.Φυσικά η δύναμη αυτή δεν εμφανίζεται τη στιγμή που αφαιρούμε τον αέρα από το χωνί,αλλά υπάρχει από πριν,αν και δε γίνεται αντιληπτοί στην αρχή,γιατί η επιφάνεια πιέζεται εξίσου και από τις δύο όψεις (F'=F).

 Αφαιρώντας τον αέρα μικραίνει η εσωτερική πίεση,άρα και η πιεστική δύναμη F',καταστρέφεται η ισορροπία και η μεμβράνα ωθείται προς τα μέσα,ώσπου βρίσκει άλλη θέση ισορροπίας.

ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΠΙΕΣΗΣ

 Η ατμοσφαιρική πίεση μετρήθηκε για πρώτη φορά το 1643 από το μαθητή του Γαλιλαίου,τον Ιταλό μαθηματικό και φυσικό Εβαγγελίστα Τορικέλι.Ο Τορικέλι για να μετρήσει την ατμοσφαιρική πίεση έκανε ένα πείραμα,που έγινε γνωστό ως πείραμα του Τορικέλι.

Ο Ιταλός μαθηματικός και φυσικός Εβαγγελίστα Τορικέλι (1608-1647)

 Γεμίζουμε με υδράργυρο ένα γυάλινο σωλήνα που έχει μήκος 1 m περίπου,κλείνουμε το στόμιο του με το δάκτυλό μας και το αναποδογυρίζουμε σε μία μικρή λεκάνη με υδράργυρο,φροντίζοντας να φέρουμε το στόμιο του κάτω από την επιφάνεια του υδραργύρου.

Γεμίζουμε με υδράργυρο ένα γυάλινο σωλήνα που έχει μήκος 1 m περίπου,κλείνουμε το στόμιο του με το δάκτυλό μας και το αναποδογυρίζουμε σε μία μικρή λεκάνη με υδράργυρο

 Μετά αποσύρουμε το δάκτυλό μας και παρατηρούμε ότι ο υδράργυρος κατεβαίνει και σταθεροποιείται σε ορισμένη στάθμη που βρίσκεται σε ύψος h πάνω από την επιφάνεια του υδραργύρου της λεκάνης.Γέρνουμε λίγο το σωλήνα και παρατηρούμε ότι η στάθμη παραμένει διαρκώς στο ίδιο ύψος h.

Γέρνουμε λίγο το σωλήνα και παρατηρούμε ότι η στάθμη παραμένει διαρκώς στο ίδιο ύψος h

 Το πείραμα αυτό αποτελείται μία ακόμη απόδειξη για την ύπαρξη ατμοσφαιρικής πίεσης.Ο γύρω αέρας πιέζει την επιφάνεια του υδραργύρου της λεκάνης και συγκρατεί τον υδράργυρο μέσα στο σωλήνα σε κάποιο ύψος h.Αν το πείραμα γίνεται στην επιφάνεια της θάλασσας το ύψος h βρίσκεται ότι είναι 76 cm.

Το πείραμα του Τορικέλι

 Το υγρό μέσα στο σωλήνα και τη λεκάνη ισορροπεί,άρα σύμφωνα με την αρχή των συγκοινωνούντων δοχείων θα ισχύει:

                                                                                           PA=PΒ

διότι τα Β,Α είναι σημεία του ίδιου υγρού και βρίσκονται στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο.
 Η πίεση στο Α ισούται με την ατμοσφαιρική πίεση:

                                                                                           PA=Patm 

 Επομένως,η στήλη του υδραργύρου συγκρατείται από τη δύναμη που ασκείται,λόγω της ατμοσφαιρικής πίεσης,στην ελεύθερη επιφάνεια του υδραργύρου της λεκάνης.Μέσα στο σωλήνα πάνω από τη στήλη του υδραργύρου δημιουργήθηκε κενό.

Η πίεση στο Α είναι ίση με την πίεση στο Β

 Η πίεση στην επιφάνεια της στήλης είναι ίση με το μηδέν και συνεπώς η πίεση στο Β ισούται με την υδροστατική πίεση της στήλης του υδραργύρου:

                                                                                           ΡΒ=Ρυδρ

 Συγκρίνουμε τις τελευταίες σχέσεις και  συμπεραίνουμε ότι η ατμοσφαιρική πίεση είναι ίση με την πίεση που ασκεί στη βάση της στήλη υδραργύρου ύψους h.Σύμφωνα με την ισορροπία δυνάμεων όπου η συνολική δύναμη που δέχεται ο υδράργυρος από την ατμόσφαιρα ισούται με το βάρος του υδραργύρου που βρίσκεται πάνω από την επιφάνεια του υδραργύρου την λεκάνη στον δοκιμαστικό σωλήνα.Έτσι,απέδειξε ότι υπάρχει ατμοσφαιρική πίεση.Όταν h=76 cm ή 760 mm,λέμε ότι η ατμοσφαιρική πίεση ισούται με 760 mmHg. 

Τη στήλη υδραργύρου ύψους 1mm την ονομάζουμε 1 Torr προς τιμή του Τορικέλι

 Την υδροστατική πίεση που ασκεί στήλη υδραργύρου ύψους 1mm την ονομάζουμε 1 Torr προς τιμή του Τορικέλι.Επομένως μπορούμε να πούμε ότι η ατμοσφαιρική πίεση είναι 760 Torr.

 Με το πείραμα του ο Τορικέλι όχι μόνο απέδειξε την ύπαρξη της ατμοσφαιρικής πίεσης αλλά και την υπολόγισε κιόλας.Σημειώνουμε εδώ ότι στο χώρο πάνω από την επιφάνεια του υδραργύρου μέσα στο σωλήνα δεν υπάρχει αέρας,ο χώρος είναι κενός και επομένως η πίεση στο χώρο αυτό είναι μηδενική.

Βαρόμετρο είναι ειδικό όργανο μέτρησης της ατμοσφαιρικής πίεσης  

 Τα όργανα που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της ατμοσφαιρικής πίεσης ονομάζονται βαρόμετρα.Το πρώτο βαρόμετρο κατασκευάστηκε από τον Τορικέλι.
 Βαρόμετρο είναι ειδικό όργανο μέτρησης της ατμοσφαιρικής πίεσης.