Presiunea atmosferică

Elevii studiază existența și efectele presiunii atmosferice, precum și instrumentele de măsurare a acesteia.

Aerul are greutate, deci apasă

Trăim pe fundul unui ocean de aer, gros de sute de kilometri, numit atmosferă. Aerul, ca orice substanță, are masă și deci greutate: un metru cub de aer, la nivelul mării, are masa de aproximativ 1,3 kg.

Întreaga coloană de aer de deasupra noastră apasă asupra tuturor corpurilor de la suprafața Pământului. Această apăsare se numește presiune atmosferică.

De ce nu o simțim? Pentru că aerul, fiind un fluid, apasă în toate direcțiile deopotrivă, iar în interiorul corpului nostru există o presiune egală, care o echilibrează din interior. O simțim doar când echilibrul se strică brusc – la urcarea rapidă cu telecabina sau la decolarea avionului, când ni se înfundă urechile.

Experimentul care a uimit Europa este cel al emisferelor de Magdeburg, realizat de Otto von Guericke: două semisfere metalice puse una peste alta, din care s-a scos aerul, nu au putut fi despărțite nici de două atelaje de cai care trăgeau în sensuri opuse. Nimic nu le lipea – doar presiunea aerului din exterior le ținea strâns una de alta.

Acasă poți repeta o variantă blândă: umple un pahar cu apă, acoperă-l cu o hârtie și întoarce-l cu grijă. Apa nu curge, pentru că presiunea atmosferică apasă hârtia de jos în sus.

Experimentul lui Torricelli și valoarea presiunii normale

Primul care a măsurat presiunea atmosferică a fost italianul Evangelista Torricelli, în anul 1643.

El a umplut cu mercur un tub de sticlă lung de aproximativ 1 m, închis la un capăt, l-a răsturnat cu gura în jos într-un vas tot cu mercur și a îndepărtat degetul. Mercurul din tub a coborât puțin, apoi s-a oprit, rămânând o coloană înaltă de aproximativ 760 mm. Deasupra ei s-a format un spațiu gol, numit și astăzi vid torricellian.

De ce s-a oprit coloana? Pentru că presiunea aerului, care apasă pe suprafața liberă a mercurului din vas, echilibrează exact presiunea hidrostatică a coloanei de mercur din tub. Măsurând coloana, măsori de fapt presiunea atmosferică.

De aici vin valorile pe care trebuie să le știi:

• presiunea atmosferică normală este presiunea măsurată la nivelul mării, la temperatura de 0 °C, și corespunde unei coloane de mercur de 760 mm;
• exprimată în unități SI, ea este de 101 325 Pa, valoare pe care în probleme o rotunjim la aproximativ 100 000 Pa, adică 1 bar.

Un detaliu de gândire care apare des în subiecte: dacă am repeta experimentul cu apă în loc de mercur, coloana ar fi de circa 10 m înălțime, pentru că apa are densitatea de aproape 14 ori mai mică. Torricelli ar fi avut nevoie de un tub cât un bloc de trei etaje – de aceea a folosit mercurul.

Barometrul

Instrumentul pentru măsurarea presiunii atmosferice se numește barometru. Numele vine din grecescul baros, care înseamnă greutate.

Există două tipuri principale:

• barometrul cu mercur, care este chiar montajul lui Torricelli, prevăzut cu o scală gradată. Este foarte precis, dar fragil, voluminos și conține mercur, o substanță toxică;
• barometrul metalic (aneroid), cel folosit astăzi în școli și în gospodării. Conține o cutie metalică subțire, din care s-a scos aerul; când presiunea exterioară crește, cutia se turtește ușor, iar mișcarea este transmisă printr-un sistem de pârghii unui ac indicator. Cuvântul aneroid înseamnă chiar „fără lichid”.

Un barometru aneroid special, cu o peniță care scrie continuu pe o hârtie înfășurată pe un cilindru rotitor, se numește barograf și înregistrează variațiile presiunii pe mai multe zile.

Atenție la o confuzie care se plătește la evaluare: barometrul măsoară presiunea atmosferică, în timp ce manometrul măsoară presiunea unui gaz sau a unui lichid închis într-un recipient – de exemplu presiunea din anvelopă sau dintr-o butelie.

Unitățile folosite în practică pentru presiunea atmosferică sunt milimetrul coloană de mercur (mm Hg), hectopascalul (hPa), cel din buletinele meteo, unde 1 hPa = 100 Pa, precum și atmosfera și barul.

Variația presiunii atmosferice

Presiunea atmosferică nu este o constantă: ea se modifică odată cu altitudinea, cu temperatura și cu vremea.

Cu altitudinea, presiunea scade. Explicația este simplă: cu cât urci mai sus, cu atât rămâne deasupra ta o coloană de aer mai scurtă, deci mai ușoară. În plus, aerul de la înălțime este mai rarefiat, adică mai puțin dens.

Ca ordin de mărime, în apropierea nivelului mării presiunea scade cu aproximativ 1 mm Hg la fiecare 10–11 m de urcare. Pe vârful Moldoveanu presiunea este vizibil mai mică decât la Constanța, iar pe vârful Everest ea reprezintă circa o treime din cea de la nivelul mării – de aceea alpiniștii urcă acolo cu butelii de oxigen.

Cu vremea, presiunea variază și de aceea barometrul este un instrument meteorologic:

• presiunea ridicată și în creștere anunță de regulă vreme frumoasă, senină și stabilă;
• presiunea scăzută și în scădere rapidă anunță nori, vânt, ploaie sau furtună.

Zonele din atmosferă cu presiune mai mare se numesc anticicloni, cele cu presiune mai mică se numesc cicloni (depresiuni), iar aerul se deplasează mereu dinspre presiunea mare spre cea mică – aceasta este chiar originea vântului.

O greșeală frecventă: mulți elevi cred că presiunea scade proporțional și la mari altitudini, ca la o formulă liniară. În realitate scăderea este tot mai lentă, pentru că aerul de sus este tot mai rarefiat.

Efecte și aplicații ale presiunii atmosferice

Aproape toate exemplele de mai jos funcționează după același principiu: undeva se creează o zonă cu presiune mai mică, iar presiunea atmosferică împinge din exterior.

• Băutul cu paiul. Sugând, micșorezi presiunea aerului din pai; presiunea atmosferică apasă pe suprafața sucului din pahar și îl împinge în sus, prin pai. Deci nu îl „tragi” tu, ci îl împinge atmosfera – motiv pentru care în vid nu ai putea bea cu paiul.
• Ventuza. Apăsată pe faianță, elimină aerul de sub ea; presiunea atmosferică din exterior o ține lipită de perete.
• Pipeta și seringa. Ridicând pistonul, scazi presiunea din interior, iar lichidul este împins înăuntru de presiunea atmosferică.
• Pompa de apă din fântână. Poate ridica apa prin aspirație doar până la aproximativ 10 m, exact înălțimea coloanei de apă echilibrate de presiunea atmosferică. Pentru puțuri mai adânci se folosesc pompe submersibile, care împing apa de jos în sus.
• Urechile înfundate în avion sau în telecabină apar din diferența dintre presiunea din urechea medie și cea exterioară; înghițitul sau căscatul deschid trompa lui Eustachio și egalizează presiunile.
• Fierberea la altitudine. Presiunea scăzută face apa să fiarbă sub 100 °C, la munte, de aceea alimentele se gătesc mai greu acolo. Invers, oala sub presiune ridică presiunea, apa fierbe la peste 100 °C, iar mâncarea se face mai repede.

Întrebarea de sinteză a capitolului: dacă atmosfera ar dispărea, ce s-ar întâmpla cu ventuza, cu paiul și cu pompa de apă? Toate ar înceta să funcționeze instantaneu, pentru că niciunul dintre ele nu se bazează pe altceva decât pe apăsarea aerului.

Test — 6 întrebări ca la examen