Barometr - Barometer

Barometr

Barometr jest instrumentem naukowym, który jest używany do pomiaru ciśnienia powietrza w określonym środowisku. Tendencja presji może prognozować krótkoterminowe zmiany pogody. Wiele pomiarów ciśnienia powietrza jest wykorzystywanych w analizie pogody na powierzchni, aby pomóc w znalezieniu zagłębień powierzchniowych , systemów ciśnieniowych i granic czołowych .

Barometry i wysokościomierze ciśnieniowe (najbardziej podstawowy i powszechny typ wysokościomierza) to zasadniczo ten sam przyrząd, ale używany do różnych celów. Wysokościomierz ma być używany na różnych poziomach, dopasowując odpowiednie ciśnienie atmosferyczne do wysokości , podczas gdy barometr jest utrzymywany na tym samym poziomie i mierzy subtelne zmiany ciśnienia spowodowane pogodą i elementami pogody. Średnie ciśnienie atmosferyczne na powierzchni ziemi waha się od 940 do 1040 hPa (mbar). Średnie ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza wynosi 1013 hPa (mbar).

Etymologia

Słowo „ barometr ” pochodzi od starogreckiego : βάρος , romanizowanaBaros czyli „ciężar” i starogrecki : μέτρον , RomanizedMetron czyli „środka”.

Historia

Chociaż powszechnie przypisuje się, że Evangelista Torricelli wynalazł barometr w 1643 roku, dokumentacja historyczna sugeruje również, że Gasparo Berti , włoski matematyk i astronom, nieumyślnie zbudował barometr wodny w latach 1640-1643. Francuski naukowiec i filozof René Descartes opisał projekt eksperymentu określić ciśnienie atmosferyczne już w 1631 roku, ale nie ma dowodów na to, że zbudował w tym czasie działający barometr.

27 lipca 1630 Giovanni Battista Baliani napisał list do Galileo Galilei, wyjaśniając eksperyment, którego przeprowadził, w którym nie zadziałał syfon , prowadzony przez wzgórze o wysokości około dwudziestu jeden metrów. Galileusz odpowiedział wyjaśnieniem tego zjawiska: zaproponował, że to siła próżni utrzymywała wodę, a na pewnej wysokości ilość wody po prostu stała się zbyt duża i siła nie mogła już dłużej utrzymać, jak sznur które mogą utrzymać tylko taką wagę. Było to ponowne sformułowanie teorii horror vacui („natura brzydzi się próżnią”), która pochodzi z czasów Arystotelesa , a którą Galileusz przekształcił jako Resistenza del Vacuo .

Idee Galileusza dotarły do ​​Rzymu w grudniu 1638 w jego Discorsi . Raffaele Magiotti i Gasparo Berti byli podekscytowani tymi pomysłami i postanowili poszukać lepszego sposobu na wytworzenie próżni innej niż syfon. Magiotti wymyślił taki eksperyment i gdzieś między 1639 a 1641 Berti (w obecności Magiottiego, Athanasiusa Kirchera i Niccolò Zucchi ) przeprowadził go.

Istnieją cztery relacje z eksperymentu Bertiego, ale prosty model jego eksperymentu polegał na napełnieniu wodą długiej rurki, której oba końce były zatkane, a następnie umieszczeniu rurki w misce już pełnej wody. Dolny koniec rurki został otwarty, a woda, która była w środku, wylała się do miski. Jednak tylko część wody w rurce wypłynęła, a poziom wody w rurce utrzymywał się na dokładnym poziomie, który akurat wynosił 10,3 m (34 stopy), ta sama wysokość, którą zaobserwowali Baliani i Galileo, była ograniczona. przy syfonie. Najważniejsze w tym eksperymencie było to, że obniżająca się woda pozostawiła nad sobą przestrzeń w rurze, która nie miała pośredniego kontaktu z powietrzem, aby ją napełnić. To wydawało się sugerować możliwość istnienia próżni w przestrzeni nad wodą.

Torricelli, przyjaciel i uczeń Galileusza, zinterpretował wyniki eksperymentów w nowatorski sposób. Zaproponował, że ciężar atmosfery, a nie siła przyciągania próżni, utrzymuje wodę w rurze. W liście do Michała Anioła Ricciego w 1644 r. dotyczącym eksperymentów pisał:

Wielu powiedziało, że próżnia nie istnieje, inni, że istnieje pomimo odrazy natury iz trudem; Nie znam nikogo, kto by powiedział, że istnieje bez trudności i bez oporu natury. Argumentowałem w ten sposób: Jeśli można znaleźć oczywistą przyczynę, z której można wyprowadzić opór odczuwany, gdy próbujemy stworzyć próżnię, wydaje mi się niemądre, aby próbować przypisać próżnię te operacje, które ewidentnie wynikają z jakiejś innej przyczyny ; tak więc, dokonując kilku bardzo łatwych obliczeń, stwierdziłem, że wyznaczona przeze mnie przyczyna (tj. ciężar atmosfery) powinna sama w sobie stawiać większy opór niż wtedy, gdy próbujemy wytworzyć próżnię.

Tradycyjnie uważano (zwłaszcza Arystotelesów), że powietrze nie ma ciężaru: to znaczy, że kilometry powietrza nad powierzchnią nie wywierają żadnego ciężaru na ciała pod nim. Nawet Galileusz przyjął nieważkość powietrza jako prostą prawdę. Torricelli zakwestionował to założenie i zamiast tego stwierdził, że powietrze ma wagę i że to drugie (a nie siła przyciągania próżni) utrzymywało (a raczej pchało) kolumnę wody. Uważał, że poziom, na którym utrzymywała się woda (ok. 10,3 m), odzwierciedlał siłę napierającego na nią ciężaru powietrza (a konkretnie pchania wody w niecce, a tym samym ograniczenia ilości wody, jaką może w nią wpaść z rurki). ). Innymi słowy, postrzegał barometr jako wagę, narzędzie do pomiaru (w przeciwieństwie do bycia jedynie narzędziem do tworzenia próżni), a ponieważ był pierwszym, który zobaczył go w ten sposób, tradycyjnie uważa się go za wynalazcę barometr (w znaczeniu, w jakim teraz używamy tego terminu).

Z powodu plotek krążących po plotkarskiej włoskiej dzielnicy Torricelli, która mówiła, że ​​był zaangażowany w jakąś formę czarów lub czarów, Torricelli zdał sobie sprawę, że musi zachować swój eksperyment w tajemnicy, aby uniknąć ryzyka aresztowania. Musiał użyć płynu cięższego od wody, a z jego wcześniejszych skojarzeń i sugestii Galileusza wywnioskował, że używając rtęci można użyć krótszej rurki. Z rtęcią, która jest około 14 razy gęstsza od wody, potrzebna była teraz rurka tylko 80 cm, a nie 10,5 m.

W 1646 roku Blaise Pascal wraz z Pierre'em Petitem powtórzyli i udoskonalili eksperyment Torricelli'ego po usłyszeniu o nim od Marina Mersenne'a , któremu Torricelli sam go pokazał pod koniec 1644 roku. to opary cieczy wypełniały przestrzeń w barometrze. W swoim eksperymencie porównywał wodę z winem, a ponieważ to drugie uważano za bardziej „duchowe”, Arystotelesi oczekiwali, że wino będzie stać niżej (ponieważ więcej oparów oznaczałoby większe naciskanie na kolumnę cieczy). Pascal przeprowadził eksperyment publicznie, zapraszając Arystotelesów do wcześniejszego przewidzenia wyniku. Arystotelesi przewidzieli, że wino stanie niżej. To nie mialo miejsca.

Jednak Pascal poszedł jeszcze dalej, aby przetestować teorię mechaniczną. Gdyby, jak podejrzewali filozofowie mechaniczni, tacy jak Torricelli i Pascal, powietrze miało wagę, ciśnienie byłoby mniejsze na większych wysokościach. Dlatego Pascal napisał do swojego szwagra Florina Periera, który mieszkał w pobliżu góry zwanej Puy de Dôme , prosząc go o przeprowadzenie kluczowego eksperymentu. Perier miał wziąć barometr w górę Puy de Dôme i dokonać pomiarów po drodze wysokości słupa rtęci. Miał następnie porównać to z pomiarami wykonanymi u podnóża góry, aby sprawdzić, czy te pomiary wykonane wyżej były rzeczywiście mniejsze. We wrześniu 1648 Perier ostrożnie i skrupulatnie przeprowadził eksperyment i stwierdził, że przewidywania Pascala były poprawne. Barometr rtęciowy był niższy, im wyższy był.

Rodzaje

Barometry wodne

Urządzenie Goethego

Koncepcja, zgodnie z którą obniżające się ciśnienie atmosferyczne przewiduje burzliwą pogodę, postulowana przez Luciena Vidi , dostarcza teoretycznej podstawy dla urządzenia prognozującego pogodę zwanego „szkłem pogodowym” lub „barometrem Goethego” (od nazwiska Johanna Wolfganga von Goethego , znanego niemieckiego pisarza i erudyty). którzy opracowali prosty, ale skuteczny barometr z kulkami pogodowymi, korzystając z zasad opracowanych przez Torricelli ). Francuska nazwa, le barometre Liegeois , jest używany przez niektórych mówców angielskiego. Nazwa ta odzwierciedla pochodzenie wielu szkieł pogodowych – dmuchaw szkła z Liège w Belgii .

Barometr z kulą pogodową składa się ze szklanego pojemnika z zamkniętym korpusem, wypełnionego do połowy wodą. Wąska wylewka łączy się z ciałem poniżej poziomu wody i wznosi się ponad poziom wody. Wąska wylewka jest otwarta na atmosferę. Gdy ciśnienie powietrza jest niższe niż w momencie uszczelniania korpusu, poziom wody w dziobku podniesie się powyżej poziomu wody w korpusie; gdy ciśnienie powietrza jest wyższe, poziom wody w dziobku spadnie poniżej poziomu wody w ciele. Odmianę tego typu barometru można łatwo wykonać w domu.

Barometry rtęciowe

Rtęci Ciśnienie jest przyrząd do pomiaru ciśnienia atmosferycznego w określonym miejscu i ma pionową rurę szklaną zamknięty na górze siedzi w otwartym basenie wypełnionym rtęci u dołu. Rtęć w rurze dostosowuje się, aż jej ciężar zrównoważy siłę atmosferyczną wywieraną na zbiornik. Wysokie ciśnienie atmosferyczne wywiera większą siłę na zbiornik, wymuszając rtęć wyżej w kolumnie. Niskie ciśnienie umożliwia opadnięcie rtęci na niższy poziom w kolumnie poprzez obniżenie siły działającej na zbiornik. Ponieważ wyższe poziomy temperatury wokół przyrządu zmniejszą gęstość rtęci, skala do odczytu wysokości rtęci jest dostosowywana w celu skompensowania tego efektu. Rura musi być co najmniej tak długa, jak ilość zanurzona w rtęci + przestrzeń nad zawartością + maksymalna długość kolumny.

Schematyczny rysunek prostego barometru rtęciowego z pionową kolumną rtęci i zbiornikiem u podstawy

Torricelli udokumentował, że wysokość słupa rtęci w barometrze zmieniała się nieznacznie każdego dnia i doszedł do wniosku, że jest to spowodowane zmieniającym się ciśnieniem w atmosferze . Pisał: „Żyjemy zanurzeni na dnie oceanu elementarnego powietrza, o którym niepodważalne eksperymenty wiadomo, że ma wagę”. Zainspirowany Torricellim, Otto von Guericke 5 grudnia 1660 r. stwierdził, że ciśnienie powietrza jest niezwykle niskie i przewidział burzę, która nastąpiła następnego dnia.

Barometr Fortina

Konstrukcja barometru rtęciowego umożliwia wyrażenie ciśnienia atmosferycznego w calach lub milimetrach słupa rtęci (mmHg). Tor został zdefiniowany jako 1 mm Hg. Ciśnienie jest podawane jako poziom wysokości rtęci w kolumnie pionowej. Zazwyczaj ciśnienie atmosferyczne jest mierzone między 26,5 cala (670 mm) a 31,5 cala (800 mm) Hg. Jedna atmosfera (1 atm) odpowiada 29,92 cala (760 mm) słupa rtęci.

Zbiornik barometru Fortina

Zmiany konstrukcyjne, aby instrument był bardziej czuły, prostszy do odczytu i łatwiejszy w transporcie, zaowocowały odmianami, takimi jak umywalka, syfon, koło, spłuczka, Fortin, wielokrotnie składane, stereometryczne i równoważące barometry.

W 2007 roku uchwalono dyrektywę Unii Europejskiej ograniczającą stosowanie rtęci w nowych przyrządach pomiarowych przeznaczonych dla ogółu społeczeństwa, skutecznie kończąc produkcję nowych barometrów rtęciowych w Europie. Naprawa i handel antykami (wyprodukowanymi przed końcem 1957 r.) pozostawał nieograniczony.

Barometr Fitzroya

Barometry Fitzroy łączą standardowy barometr rtęciowy z termometrem, a także stanowią przewodnik, jak interpretować zmiany ciśnienia.

Sympiezometr wpisany na dole Ulepszony sympiezometr i na górze AR Easton , 53 Marischal Street, Aberdeen. Własność potomków rodziny Aberdeen Shipbuilding Hall .

Barometr Fortina

Barometry Fortina wykorzystują zbiornik rtęciowy o zmiennym wydatku, zwykle skonstruowany ze śrubą radełkowaną dociskającą skórzane dno membrany (V na schemacie). Kompensuje to przemieszczenie rtęci w kolumnie przy zmiennym ciśnieniu. Aby użyć barometru Fortina, poziom rtęci jest ustawiony na zero, za pomocą śruby radełkowanej, aby wskaźnik z kości słoniowej (O na schemacie) po prostu dotknąć powierzchni rtęci. Ciśnienie jest następnie odczytywane na kolumnie poprzez ustawienie skali noniusza tak, aby rtęć dotykała linii wzroku w punkcie Z. Niektóre modele wykorzystują również zawór do zamykania cysterny, co umożliwia wypchnięcie kolumny rtęci na górę kolumny w celu transportu . Zapobiega to uszkodzeniom kolumny podczas uderzenia hydraulicznego.

Sympiezometr

Sympiesometer to kompaktowy i lekki barometr, który był powszechnie stosowany na statkach na początku 19 wieku. Czułość tego barometru została również wykorzystana do pomiaru wysokości.

Sympiesometry składają się z dwóch części. Jednym z nich jest tradycyjny termometr rtęciowy, który jest potrzebny do obliczenia rozszerzania lub kurczenia się płynu w barometrze. Drugi to barometr, składający się z rurki w kształcie litery J otwartej na dolnym końcu i zamkniętej u góry, z małymi zbiornikami na obu końcach rurki.

Barometry kołowe

Barometr kołowy wykorzystuje rurkę „J” zamkniętą w górnej części dłuższej kończyny. Krótsze ramię jest otwarte na atmosferę, a na powierzchni rtęci unosi się mały szklany pływak. Do pływaka przymocowana jest cienka jedwabna nić, która przechodzi przez koło, a następnie wraca do przeciwwagi (zazwyczaj chronionej w innej tubie). Koło obraca punkt z przodu barometru. Wraz ze wzrostem ciśnienia atmosferycznego rtęć przemieszcza się z krótkiej do długiej kończyny, pływak opada, a wskaźnik porusza się. Gdy ciśnienie wzrasta, rtęć cofa się, podnosząc pływak i obracając tarczę w drugą stronę.

Około 1810 r. barometr kołowy, który można było odczytać z dużej odległości, stał się pierwszym praktycznym i komercyjnym instrumentem preferowanym przez rolników i klasy wykształcone w Wielkiej Brytanii. Tarcza barometru była okrągła z prostą tarczą wskazującą na czytelną skalę: „Deszcz – Zmiana – Suchy” z „Zmianą” w górnej środkowej części tarczy. Późniejsze modele dodały skalę barometryczną z drobniejszymi podziałkami „Burza (28 cali słupa rtęci), Dużo deszczu (28,5), Deszcz (29), Zmiana (29,5), Prawidłowy (30), Dobry set (30,5), bardzo suchy (31) ”.

Natalo Aiano jest uznawany za jednego z najlepszych twórców barometrów kołowych, pioniera fali rzemieślniczych włoskich producentów instrumentów i barometrów, którzy zostali zachęceni do emigracji do Wielkiej Brytanii. Wymieniony jako pracujący w Holborn w Londynie ok. 1785-1805. Od 1770 roku wielu Włochów przybyło do Anglii, ponieważ byli znakomitymi dmuchaczami szkła lub twórcami instrumentów. Do 1840 roku można było śmiało powiedzieć, że Włosi zdominowali przemysł w Anglii.

Barometr oleju pompy próżniowej

Używanie oleju do pomp próżniowych jako płynu roboczego w barometrze doprowadziło do stworzenia nowego „Najwyższego na świecie barometru” w lutym 2013 roku. Barometr na Uniwersytecie Stanowym w Portland (PSU) wykorzystuje podwójnie destylowany olej do pomp próżniowych i ma nominalną wysokość około 12,4 m dla wysokości słupa oleju; przewidywane wypadki wahają się w granicach ±0,4 m w ciągu roku. Olej do pomp próżniowych ma bardzo niską prężność pary i jest dostępny w różnych gęstościach; Dla barometru zasilacza wybrano olej próżniowy o najniższej gęstości, aby zmaksymalizować wysokość kolumny olejowej.

Barometry aneroidowe

Barometr aneroidowy

Barometr aneroidowy to przyrząd używany do pomiaru ciśnienia powietrza jako metoda, która nie obejmuje cieczy . Wynalezione 1844 francuskiego naukowca Lucien Vidi The Aneroid Ciśnienie wykorzystuje niewielki, elastyczną metalową skrzynkę nazywaną Aneroid komórek (kapsułki), która jest wykonana z stopu z berylu i miedzi . Opróżniona kapsuła (lub zwykle kilka kapsuł ułożonych w stos, aby zsumować ich ruchy) jest zabezpieczona przed zapadnięciem się przez silną sprężynę. Niewielkie zmiany ciśnienia powietrza zewnętrznego powodują rozszerzanie się lub kurczenie komórki. To rozszerzanie i kurczenie napędza mechaniczne dźwignie tak, że drobne ruchy kapsułki są wzmacniane i wyświetlane na powierzchni barometru aneroidowego. Wiele modeli zawiera ręcznie ustawianą igłę, która służy do oznaczania bieżącego pomiaru, aby można było zobaczyć zmianę. Ten typ barometru jest powszechny w domach i na łodziach rekreacyjnych . Wykorzystywany jest również w meteorologii , głównie w barografach oraz jako przyrząd ciśnieniowy w radiosondach .

Barografy

Barograf to rejestrujący barometr aneroidowy, w którym zmiany ciśnienia atmosferycznego są rejestrowane na wykresie papierowym.

Zasada działania barografu jest taka sama jak barometru aneroidowego. Podczas gdy barometr wyświetla nacisk na tarczę, barograf wykorzystuje niewielkie ruchy pudełka, aby za pomocą systemu dźwigni przekazywać dane do ramienia rejestrującego, które ma na swoim krańcu rysik lub długopis. Skryba zapisuje na wędzonej folii, podczas gdy pióro zapisuje na papierze atramentem trzymanym w stalówce. Materiał rejestrujący jest osadzony na cylindrycznym bębnie, który jest powoli obracany przez zegar. Zwykle bęben wykonuje jeden obrót dziennie, tygodniowo lub miesięcznie, a częstość obrotów może być wybrana przez użytkownika.

Barometry MEMS

Galaxy Nexus ma wbudowany barometr

Systemy mikroelektromechaniczne (lub MEMS) barometry to niezwykle małe urządzenia o wielkości od 1 do 100 mikrometrów (0,001 do 0,1 mm). Powstają metodą fotolitografii lub obróbki fotochemicznej . Typowe zastosowania to miniaturowe stacje pogodowe, elektroniczne barometry i wysokościomierze.

Barometr można również znaleźć w smartfonach takich jak Samsung Galaxy Nexus , Samsung Galaxy S3-S6, Motorola Xoom, Apple iPhone 6 i nowszych iPhone'ach oraz smartwatch Timex Expedition WS4 , oparty na technologiach MEMS i piezorezystywnych czujników ciśnienia . Włączenie barometrów na smartfony pierwotnie miało zapewnić szybszą blokadę GPS . Jednak badacze zewnętrzni nie byli w stanie potwierdzić dodatkowej dokładności GPS lub prędkości blokady ze względu na odczyty barometryczne. Badacze sugerują, że zastosowanie barometrów w smartfonach może stanowić rozwiązanie pozwalające określić wysokość użytkownika, ale jednocześnie sugerują, że najpierw trzeba pokonać kilka pułapek.

Bardziej niezwykłe barometry

Timex Expedition WS4 w trybie wykresu barometrycznego z funkcją prognozy pogody

Istnieje wiele innych, bardziej nietypowych rodzajów barometrów. Od wariacji na temat barometru burzowego, takich jak Barometr Stołowy Patentowy Collinsa, po bardziej tradycyjne projekty, takie jak Otheometer Hooke'a i Sympiesometr Rossa. Niektóre, takie jak barometr Shark Oil, działają tylko w określonym zakresie temperatur, osiąganym w cieplejszym klimacie.

Aplikacje

Cyfrowy barometr graficzny.
Zapis analogowy Barograf wykorzystujący pięć ułożonych na sobie komórek barometru aneroidowego.

Ciśnienie barometryczne i tendencja ciśnieniowa (zmiana ciśnienia w czasie) są wykorzystywane w prognozowaniu pogody od końca XIX wieku. W połączeniu z obserwacjami wiatru można sporządzać dość dokładne prognozy krótkoterminowe. Jednoczesne odczyty barometryczne z całej sieci stacji pogodowych umożliwiają tworzenie map ciśnienia powietrza, które były pierwszą formą współczesnej mapy pogodowej , która powstała w XIX wieku. Izobary , linie równego ciśnienia, narysowane na takiej mapie dają mapę konturową pokazującą obszary wysokiego i niskiego ciśnienia. Zlokalizowane wysokie ciśnienie atmosferyczne działa jak bariera dla zbliżających się systemów pogodowych, zmieniając ich kurs. Podnoszenie atmosferyczne spowodowane niskimi wiatrami zbieżnymi do powierzchni powoduje chmury, a czasami opady . Im większa zmiana ciśnienia, zwłaszcza jeśli przekracza 3,5 hPa (0,1 inHg), tym większą zmianę pogody można się spodziewać. Jeśli spadek ciśnienia jest szybki, zbliża się system niskiego ciśnienia i istnieje większa szansa na deszcz. Gwałtowny wzrost ciśnienia , na przykład w wyniku zimnego frontu , wiąże się z poprawą warunków pogodowych, takich jak przejaśnienie nieba.

Przy spadającym ciśnieniu powietrza gazy uwięzione w węglu w głębokich kopalniach mogą swobodniej się ulatniać. Tak więc niskie ciśnienie zwiększa ryzyko gromadzenia się pary wodnej . Kopalnie zatem śledzą ciśnienie. W przypadku katastrofy w kopalni Trimdon Grange z 1882 r. inspektor kopalni zwrócił uwagę na zapisy iw raporcie stwierdził, że „można uznać, że warunki atmosfery i temperatury osiągnęły niebezpieczny punkt”.

W nurkowaniu stosuje się barometry aneroidowe . Głębinowy manometr służy do śledzenia zawartości zbiornika powietrza nurka. Inny miernik służy do pomiaru ciśnienia hydrostatycznego, zwykle wyrażanego jako głębokość wody morskiej. Jeden lub oba wskaźniki można zastąpić wariantami elektronicznymi lub komputerem nurkowym.

Odszkodowania

Temperatura

Gęstość rtęci będzie się zmieniać wraz ze wzrostem lub spadkiem temperatury, dlatego odczyt należy dostosować do temperatury przyrządu. W tym celu na przyrządzie zwykle montowany jest termometr rtęciowy . Kompensacja temperatury barometru aneroidowego jest realizowana przez włączenie elementu bimetalicznego w połączenia mechaniczne. Barometry aneroidowe sprzedawane do użytku domowego zazwyczaj nie mają kompensacji przy założeniu, że będą używane w kontrolowanym zakresie temperatury pokojowej.

Wysokość

Barometr cyfrowy z wyświetlanym ustawieniem wysokościomierza (do korekty)

Ponieważ ciśnienie powietrza spada na wysokości nad poziomem morza (i wzrasta poniżej poziomu morza), nieskorygowany odczyt barometru będzie zależał od jego lokalizacji. Odczyt jest następnie dostosowywany do równoważnego ciśnienia na poziomie morza do celów raportowania. Na przykład, jeśli barometr umieszczony na poziomie morza i przy dobrej pogodzie zostanie przeniesiony na wysokość 1000 stóp (305 m), do odczytu należy dodać około 1 cala rtęci (~35 hPa). Odczyty barometru w tych dwóch lokalizacjach powinny być takie same, jeśli występują nieznaczne zmiany w czasie, odległości poziomej i temperaturze. Gdyby tego nie zrobiono, na wyższych wysokościach byłoby fałszywe wskazanie zbliżającej się burzy.

Barometry aneroidowe mają mechaniczną regulację, która umożliwia bezpośredni odczyt równoważnego ciśnienia na poziomie morza i bez dalszej regulacji, jeśli instrument nie zostanie przeniesiony na inną wysokość. Ustawianie barometru aneroidowego jest podobne do resetowania zegara analogowego, który nie wskazuje właściwej godziny. Jego tarcza jest obracana tak, że wyświetlane jest aktualne ciśnienie atmosferyczne ze znanego dokładnego i pobliskiego barometru (takiego jak lokalna stacja pogodowa ). Żadne obliczenia nie są potrzebne, ponieważ odczyt barometru źródłowego został już przekonwertowany na równoważne ciśnienie na poziomie morza, które jest przenoszone do ustawionego barometru — niezależnie od jego wysokości. Chociaż jest to dość rzadkie, kilka barometrów aneroidowych przeznaczonych do monitorowania pogody jest skalibrowanych w celu ręcznego dostosowania wysokości. W tym przypadku, znając albo wysokość lub aktualnego ciśnienia atmosferycznego byłby wystarczający dla przyszłych dokładnych odczytów.

Poniższa tabela przedstawia przykłady dla trzech lokalizacji w mieście San Francisco w Kalifornii . Należy zauważyć, że skorygowane odczyty barometru są identyczne i oparte na równoważnym ciśnieniu na poziomie morza. (Przyjmij temperaturę 15 °C.)

Lokalizacja Wysokość
(w stopach)
Nieskorygowana P atm
(cale Hg)
Skorygowana P atm
(cale Hg)
Wysokość
(metry)
Nieskorygowana P atm
(hPa)
Skorygowana P atm
(hPa)
Miasto Marina Poziom morza (0) 29,92 29,92 0 mln 1013 hPa 1013 hPa
Nob Hill 348 29.55 29,92 106 m² 1001 hPa 1013 hPa
Góra Davidson 928 28,94 29,92 283 m² 980 hPa 1013 hPa

W 1787 roku, podczas ekspedycji naukowej na Mont Blanc , De Saussure podjął się badań i eksperymentów fizycznych dotyczących temperatury wrzenia wody na różnych wysokościach. Obliczył wysokość w każdym ze swoich eksperymentów, mierząc, ile czasu zajęło zagotowanie wody w palniku alkoholowym, iw ten sposób określił wysokość góry na 4775 metrów. (Później okazało się to o 32 metry mniej niż rzeczywista wysokość 4807 metrów). Do tych eksperymentów De Saussure przywiózł specjalny sprzęt naukowy, taki jak barometr i termometr . Jego obliczona temperatura wrzenia wody na szczycie góry była dość dokładna, tylko o 0,1 kelwina.

W oparciu o jego odkrycia, wysokościomierz mógłby zostać opracowany jako specyficzne zastosowanie barometru. W połowie XIX wieku tę metodę stosowali odkrywcy.

Równanie

Kiedy ciśnienie atmosferyczne jest mierzone przez barometr, ciśnienie jest również określane jako „ciśnienie barometryczne”. Załóżmy barometr o polu przekroju A , wysokości h , wypełniony rtęcią od dołu w punkcie B do góry w punkcie C. Ciśnienie na dole barometru, w punkcie B, jest równe ciśnieniu atmosferycznemu. Ciśnienie na samej górze, w punkcie C, można przyjąć jako zero, ponieważ powyżej tego punktu znajdują się tylko pary rtęci, a ich ciśnienie jest bardzo niskie w stosunku do ciśnienia atmosferycznego. Dlatego ciśnienie atmosferyczne można znaleźć za pomocą barometru i tego równania:

P atm = ρgh

gdzie ρ jest gęstością rtęci, g jest przyspieszeniem grawitacyjnym, a h jest wysokością słupa rtęci nad swobodną powierzchnią. Fizyczne wymiary (długość rurki i pole przekroju rurki) samego barometru nie mają wpływu na wysokość słupa płynu w rurce.

W obliczeniach termodynamicznych powszechnie stosowaną jednostką ciśnienia jest „atmosfera standardowa”. Jest to ciśnienie wynikające z kolumny rtęci o wysokości 760 mm w temperaturze 0 °C. Dla gęstości rtęci należy użyć ρ Hg = 13 595 kg/m 3 , a dla przyspieszenia grawitacyjnego g = 9,807 m/s 2 .

W przypadku użycia wody (zamiast rtęci) w celu spełnienia standardowego ciśnienia atmosferycznego potrzebna byłaby kolumna wody o wysokości około 10,3 m (33,8 stóp).

Standardowe ciśnienie atmosferyczne w funkcji wysokości:

Uwaga: 1 torr = 133,3 Pa = 0,03937 inHg

P atm / kPa Wysokość P atm / inHg Wysokość
101,325 Poziom morza (0m) 29,92 Poziom morza (0 stóp)
97,71 305 m² 28,86 1000 stóp
94,21 610 m² 27,82 2000 stóp
89,88 1000 m² 26,55 3281 stóp
84,31 1524 m² 24,90 5000 stóp
79,50 2000 m² 23.48 6562 stóp
69,68 3048 m² 20,58 10 000 stóp
54.05 5000 m² 15,96 16 404 stóp
46,56 6096 m² 13.75 20 000 stóp
37,65 7620 m² 11.12 25 000 stóp
32,77 8 848 m* 9.68 29 029 stóp*
26.44 10 000 m² 7,81 32 808 stóp
11,65 15 240 m² 3,44 50 000 stóp
5,53 20 000 m² 1,63 65 617 stóp

Patenty

Tablica Pneumatyków, Cyklopaedia 1728
  • US 2194624 , GA Titterington, Jr, „Membranowy manometr ze środkami kompensującymi temperaturę”, wydany 1940-03-26, przypisany do Bendix Aviat Corp 
  • Patent USA 2,472,735  : CJ Ulrich: „ Przyrząd barometryczny
  • Patent USA 2 691 305  : HJ Frank : " Wysokościomierz barometryczny "
  • Patent USA 3,273,398  : DCWT Sharp: „ Barometr aneroidowy”
  • Patent USA 3,397,578  : HA Klumb: „ Mechanizm wzmacniający ruch dla ruchu instrumentu reagującego na nacisk
  • Patent US 3 643 510  : F. Lissau : " Manometry wyporności płynu "
  • Patent USA 4 106 342  : OS Sormunen : " Przyrząd do pomiaru ciśnienia "
  • Patent USA 4,238,958  : H. Dostmann : " Barometr "
  • Patent USA 4,327,583  : T. Fijimoto: „ Urządzenie prognozujące pogodę”

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki