Норма атмосферного давления для человека. Единицы измерения атмосферного давления

Атмосферный воздух имеет физическую плотность, вследствие чего притягивается к Земле и создает давление. В процессе развития планеты менялся как состав атмосферы, так и ее атмосферное давление. Живые организмы вынуждены были приспосабливаться к существующему давлению воздуха, меняя свои физиологические характеристики. Отклонения от среднего атмосферного давления вызывают изменения в самочувствии человека, при этом степень чувствительности людей к подобным изменениям разная.

Нормальное атмосферное давление

Воздух простирается от поверхности Земли до высот порядка сотен километров, за которыми начинается межпланетное пространство, при этом, чем ближе к Земле, тем более воздух сжат под действием собственного веса, соответственно атмосферное давление выше всего у земной поверхности, снижаясь с повышением высоты.

На уровне моря (от которого принято отсчитывать все высоты), при температуре +15 градусов Цельсия атмосферное давление составляет в среднем 760 миллиметров ртутного столба (мм рт. ст.). Это давление принято считать нормальным (с физической точки зрения), что вовсе не означает, что это давление комфортно для человека при любых условиях.

Атмосферное давление измеряется барометром, градуированным в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), или в иных физических единицах, например, в паскалях (Па). 760 миллиметров ртутного столба соответствуют 101 325 паскалей, но в быту измерение атмосферного давления в паскалях или производных единицах (гектопаскалях) не прижилось.

Ранее атмосферное давление измерялось также в миллибарах, вышедших из употребления и замененных на гектопаскали. Норма атмосферного давления 760 мм рт. ст. соответствует норме атмосферного давления в 1013 мбар.

Давление 760 мм рт. ст. соответствует действию на каждый квадратный сантиметр тела человека силе 1,033 килограмма. Суммарно на всю поверхность тела человека воздух давит с силой порядка 15-20 тонн.

Но человек не чувствует этого давления, поскольку оно уравновешивается растворенными в тканевых жидкостях газами воздуха. Это равновесие нарушается при изменениях атмосферного давления, что человек воспринимает как ухудшение самочувствия.

Для отдельных местностей среднее значение атмосферного давления отличается от 760 мм. рт. ст. Так, если в Москве среднее давление составляет 760 мм рт. ст., то в Санкт-Петербурге всего 748 мм рт. ст.

Ночью атмосферное давление несколько выше дневного, а на полюсах Земли колебания атмосферного давления более выражены, чем в экваториальной зоне, что только подтверждает закономерность, что полярные регионы (Арктика и Антарктика) как среда обитания враждебны человеку.

В физике выводится так называемая барометрическая формула, согласно которой при увеличении высоты на каждый километр атмосферное давление падает на 13%. Реальное распределение давления воздуха следует барометрической формуле не вполне точно, поскольку в зависимости от высоты меняется температура, состав атмосферы, концентрация водяных паров и другие показатели.

Зависит атмосферное давление и от погоды, когда воздушные массы перемещаются из одной местности в другую. На атмосферное давление реагируют также все живое на Земле. Так, рыбаки знают, что норма атмосферного давления для рыбалки пониженная, поскольку при понижении давления хищная рыба предпочитает выйти на охоту.

Влияние на здоровье человека

Метеозависимые люди, а их на планете 4 миллиарда, чутко реагируют на изменения атмосферного давления, а некоторые из них могут достаточно точно предсказывать изменения погоды, руководствуясь своим самочувствием.

Ответить на вопрос, какая норма атмосферного давления наиболее оптимальна для мест пребывания и жизни человека, достаточно затруднительно, поскольку люди адаптируются к жизни в разных климатических условиях. Обычно давление в пределах от 750 до 765 мм рт. ст. не ухудшает самочувствия человека, эти значения атмосферного давления можно считать пределами нормы.

При перепадах атмосферного давления метеозависимые люди могут ощущать:

• головную боль;
• спазмы сосудов с нарушением кровообращения;
• слабость и сонливость с повышенной утомляемостью;
• боли в суставах;
• головокружение;
• чувство онемения в конечностях;
• снижение частоты пульса;
• тошноту и кишечные расстройства;
• одышку;
• понижение остроты зрения.

На изменение давления первым делом реагируют расположенные в полостях организма, суставах и кровеносных сосудах барорецепторы.

При перемене давления у метеочувствительных людей наблюдаются нарушения в работе сердца, тяжесть в груди, боли в суставах, а при проблемах с пищеварением еще и метеоризм и кишечные расстройства. При значительном понижении давления недостаток кислорода в клетках мозга ведет к головным болям.

Также изменения давления могут вести к нарушениям психического состояния - люди ощущают тревогу, раздражение, беспокойно спят либо, вообще, не могут уснуть.

Статистика подтверждает, что при резких изменениях атмосферного давления увеличивается количество правонарушений, аварий на транспорте и производстве. Прослеживается влияние атмосферного давления на артериальное. У гипертоников повышенное атмосферное давление может вызвать гипертонический криз с головной болью и тошнотой, при том, что в этот момент устанавливается ясная солнечная погода.

На понижение атмосферного давления, напротив, острее реагируют гипотоники. Пониженная концентрация кислорода в атмосфере вызывает у них нарушение кровообращения, мигрень, одышку, тахикардию и слабость.

Метеочувствительность может явиться следствием нездорового образа жизни. Привести к метеочувствительности или усугубить степень ее проявления могут следующие факторы:

• низкая физическая активность;
• неправильное питание с сопутствующим избыточным весом;
• стрессы и постоянное нервное напряжение;
• плохое состояние внешней среды.

Устранение этих факторов снижает степень метеочувствительности. Метеозависимым людям следует:

• включить в рацион продукты с высоким содержанием витамина B6, магния и калия (овощи и фрукты, мед, молочнокислые продукты);
• ограничить употребление мяса, соленой и жареной пищи, сладостей и пряностей;
• отказаться от курения и употребления алкоголя;
• увеличить физическую активность, совершать пешеходные прогулки на свежем воздухе;
• упорядочить сон, спать не менее 7-8 часов.

Атмосферным давлением называют силу, с которой окружающий нас воздух давит на земную поверхность. Первым, кто смог его измерить, был ученик Галилео Галилея Эванжелиста Торричелли. В 1643 году вместе со своим коллегой Винченцо Вивиани он провёл простой опыт.

Опыт Торричелли

Как он смог определить атмосферное давление? Взяв метровую трубку, запаянную с одного конца, Торричелли налил в неё ртуть, закрыл пальцем отверстие и, перевернув, опустил в чашу, также наполненную ртутью. При этом часть ртути вылилась из трубки. Ртутный столбик остановился на отметке 760 мм. от уровня поверхности ртути в чаше.

Интересно, что результат опыта не зависел от диаметра, наклона и даже формы трубки - ртуть всегда останавливалась на одном уровне. Впрочем, если погода вдруг менялась (и атмосферное давление падало или повышалось), столбик ртути опускался или поднимался на несколько миллиметров.

С тех пор атмосферное давление измеряют в миллиметрах ртутного столба, а давление 760 мм. рт. ст. считают равным 1 атмосфере и называют нормальным давлением. Так был создан первый барометр - прибор для измерения атмосферного давления.

Другие способы измерения атмосферного давления

Ртуть - не единственная жидкость, которую можно использовать для измерения атмосферного давления. Многие учёные в разное время сооружали водяные барометры, но поскольку вода намного легче ртути, их трубки поднимались на высоту до 10 м. К тому же, вода уже при 0°С превращалась в лёд, что создавало определённые неудобства.

Современные ртутные барометры используют принцип Торричелли, но устроены несколько сложнее. Например, сифонный барометр представляет собой длинную стеклянную трубку, изогнутую в сифон и наполненную ртутью. Длинный конец трубки запаян, короткий открыт. На открытой поверхности ртути плавает небольшой грузик, уравновешенный противовесом. При изменении атмосферного давления ртуть движется, увлекая за собой поплавок, а тот, в свою очередь, приводит в движение противовес, связанный со стрелкой.

Ртутные барометры используются в стационарных лабораториях и на метеорологических станциях. Они очень точны, но довольно громоздки, поэтому в домашних или полевых условиях атмосферное давление измеряют с помощью безжидкостного барометра или барометра-анероида.

Как работает барометр-анероид

В безжидкостном барометре колебания атмосферного давления воспринимаются небольшой круглой металлической коробочкой с разреженным воздухом внутри. Анероидная коробка имеет тонкую гофрированную стенку-мембрану, которую оттягивает небольшая пружина. Мембрана выгибается наружу, когда атмосферное давление падает, и вдавливается внутрь, если оно растёт. Эти движения вызывают отклонения стрелки, движущейся по специальной шкале. Шкала барометра-анероида выровнена по ртутному барометру, но всё равно он считается менее точным прибором, так как с течением времени пружина и мембрана утрачивают свою упругость.

Примерно третья часть населения нашей планеты чувствительно реагирует на изменения окружающей среды. Больше всего на самочувствие человека влияет атмосферное давление – притяжение воздушных масс к Земле. Какое атмосферное давление считается нормальным для человека – это зависит от местности, в которой он пребывает подавляющую часть времени. Каждому комфортными будут казаться привычные для него условия.

Что такое атмосферное давление

Планету опоясывает воздушная масса, которая под влиянием гравитации давит на любой предмет, включая человеческое тело. Сила называется давлением атмосферы. На каждый квадратный метр давит столб воздуха весом примерно 100000 кг. Измерение атмосферного давления производится специальным прибором – барометром. Измеряется в паскалях, миллиметрах ртутного столба, миллибарах, гектопаскалях, атмосферах.

Норма атмосферного давления составляет 760 мм рт. ст., или 101 325 Па. Открытие явления принадлежит известному физику Блезу Паскалю. Ученый сформулировал закон: на одинаковом расстоянии от центра земли (не имеет значения, в воздухе, на дне водоема) абсолютное давление будет одинаковым. Он же первый предложил измерять высоты методом барометрического выравнивания.

Нормы атмосферного давления по регионам

Узнать, какое атмосферное давление считается нормальным для здорового человека, невозможно – нет однозначного ответа. По разным регионам земного шара воздействие неодинаково. В пределах относительно небольшой площади эта величина может заметно различаться. Например, в Средней Азии стандартными считаются слегка повышенные цифры (в среднем 715-730 мм рт. ст.). Для средней полосы России нормальное атмосферное давление равно 730-770 мм рт. ст.

Показатели связаны с приподнятостью поверхности над уровнем моря, направлением ветра, влажности и температуры окружающей среды. Теплый воздух весит меньше, чем холодный. Над областью с повышенной температурой или влажностью сжатие атмосферы всегда меньше. Люди, живущие в высокогорных районах, не чувствительны к таким показателям барометра. Их организм формировался в этих условиях, и все органы прошли соответствующую адаптацию.

Как давление влияет на людей

Идеальной считается величина 760 мм рт. ст. Что же ждет при колебаниях ртутного столба:

1. Изменение оптимальных показателей (до 10 мм/ч) уже приводит к ухудшению самочувствия.
2. При резком повышении, понижении (в среднем на 1 мм/ч) даже у здоровых людей отмечается значительное ухудшение самочувствия. Появляется головная боль, тошнота, потеря работоспособности.

Метеозависимость

Чувствительность человека к условиям погоды – смене ветра, геомагнитным бурям – называют метеозависимостью. Влияние атмосферного давления на до конца еще не изучено. Известно, что при смене погодных условий создаётся внутреннее напряжение внутри сосудов и полостей организма. Метеозависимость может быть выражена:

• раздражительностью;
• болями различной локализации;
• обострением хронических болезней;
• общим ухудшением самочувствия;
• проблемами с сосудами.

В большинстве случаев от метеозависимости страдают люди со следующими заболеваниями:

• болезни дыхательных путей;
• нарушения обмена веществ;
• гипо- и гипертония.

Реакция на повышенное давление

Снижение показателей барометра хотя бы на 10 единиц (770 мм рт. ст. и ниже) оказывает негативное влияние на здоровье. Особенно страдают от погодных изменений люди с давними заболеваниями сердечно-сосудистой и пищеварительной системы. Медики в такие дни рекомендуют снизить физические нагрузки, меньше бывать на улице, не злоупотреблять тяжелой пищей и алкоголем. Среди основных реакций:

• ощущение заложенности слуховых проходов;
• уменьшение количества лейкоцитов в крови;
• снижение активности перистальтики кишечника;
• нарушение функциональности сердечно-сосудистой системы;
• слабая способность к концентрации внимания.

Приборы для измерения атмосферного давления называются барометрами. Давление определяется весом столба атмосферного воздуха, давящего на данный участок поверхности Земли. Поскольку на больших высотах над уровнем моря, например, на вершине горы, слой вышележащего воздуха тоньше, атмосферное давление уменьшается с высотой. Атмосферное давление также изменяется при перемещении воздушных масс, образующих холодные и теплые атмосферные фронты. Поэтому можно предсказывать погоду по показаниям барометра.

В настоящее время применяются два основных типа барометров: ртутные и анероиды. В ртутном барометре, изобретенном в 1643 году итальянским ученым Эванжелиста Торричелли (Evangelista Torricelli), основным элементом является стеклянная трубка, заполненная ртутью, столбик которой поднимается и опускается по мере того, как атмосферное давление увеличивается или уменьшается. Барометр-анероид, похожий на тот, что показан на рисунке справа, был изобретен в 1843 году французским ученым Люсьеном Види (Lucien Vidie). Основной частью анероида является небольшая гофрированная металлическая мембранная коробка, из которой практически полностью выкачан воздух (схема внизу). При изменении атмосферного давления мембранная коробка расширяется или сжимается. Чувствительный механизм преобразует перемещение мембран в круговое движение стрелки, показывающей величину давления на шкале прибора.

Внутреннее устройство барометра-анероида

Серия рычагов внутри барометра усиливает небольшие перемещения при расширении и сжатии мембранной коробки. Большинство барометров-анероидов имеет менее 20 см в поперечнике.

(Рисунок вверху статьи)

Тонкое пишущее перо барографа осуществляет непрерывную запись атмосферного давления на вращающемся барабане.

Изменение атмосферного давления заставляет ртуть в трубках подниматься или опускаться. Высота столбиков ртути зависит только от атмосферного давления, диаметр и форма трубок значения не имеют. На уровне моря столбик ртути поднимается на 760 миллиметров.

Два простых металлических полушария демонстрируют существование атмосферного давления. После того как из полушарий выкачан весь воздух и в них образовался вакуум, атмосферное давление делает невозможным их разъединение.

Урок № 35.

Тема: Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли

Почему важно знать атмосферное давление

Атмосферное давление необходимо знать людям разных профессий: летчикам и медикам, полярникам и ученым. Атмосферное давление – это величина, которая помогает предсказывать погоду. Если атмосферное давление повышается, это говорит о том, что погода будет хорошей: зимой – морозной, а летом – жаркой. Если же атмосферное давление понижается, это может предвещать ухудшение погоды: появление облачности, выпадение осадков. Летом – это понижение температуры, а зимой – потепление.

Строение атмосферы

С 1951 года, по решению Международного геофизического союза, принято делить атмосферу на пять частей (слоев). Это тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Термосферу еще называют ионосферой. Эти слои не имеют четко выраженных границ. Их величина зависит от географической широты места наблюдения и времени (см. рис. 1).

Рис. 1. Строение атмосферы Земли

Разделение атмосферы на слои проводят, учитывая характер изменения температуры атмосферного воздуха с высотой. По мере подъема от поверхности Земли температура воздуха сначала убывает, а затем начинает возрастать (см. рис. 2).

.

Рис. 2. Распределение температуры атмосферного воздуха по высоте

Ближайший к поверхности Земли слой воздуха – тропосфера – наиболее хорошо изучен. Высота его над полярными областями – 8–12 км, над умеренными – 10–12 км, а над экваториальными – 16–18 км. В этом слое сосредоточены примерно 80% всей массы атмосферного воздуха и основная масса влаги. Слой хорошо пропускает солнечные лучи, поэтому воздух в нем нагрет от земной поверхности. Температура воздуха с высотой непрерывно понижается. Это пони­жение составляет около 6°С на каждый километр. В верхних слоях тропосферы температура воздуха достигает минус 55 градусов Цельсия. Цвет неба в этом слое голубой. В тропосфере протекают почти все явления, определяющие погоду. Именно здесь образуются грозы, ветры, облака, туманы. Именно здесь протекают процессы, приводящие к выпадению осадков в виде дождя и снега. Поэтому тропосферу называют фабрикой погоды.

Следующий слой – стратосфера. Она простирается от высоты 18 до 55 км. В ней очень мало воздуха – 20% всей массы – и почти нет влаги. В стратосфере часто возникают сильнейшие ветры. Изредка здесь образуются перламутровые облака, состоящие из кристалликов льда (см. рис. 3). Привычных для нас явлений погоды здесь не наблюдается. Цвет неба в стратосфере темно-фиолетовый, почти черный.

Рис. 3. Перламутровые облака в стратосфере

На высоте от 50 до 80 км расположена мезосфера. Воздух здесь еще более разрежен. Здесь сосредоточено приблизительно 0,3% всей его массы. В мезосфере сгорают влетающие в земную атмосферу метеоры. Здесь же образуются се­ребристые облака (см. рис. 4).

Рис. 4. Серебристые облака в мезосфере

Над мезосферой до высоты примерно 800 км находится термосфера (ионосфера). Она характеризуется еще меньшей плотностью воздуха и способностью хорошо проводить электричество и отражать радиоволны. В термосфере образуются полярные сияния (см. рис. 5).

Рис. 5. Полярное сияние в термосфере (ионосфере)

Последний слой атмосферы – экзосфера. Она простирается до высоты порядка 10000 км.

Измерение атмосферного давления

О том, что воздух имеет вес, мы часто забываем. Между тем, плотность воздуха у поверхности Земли при 0°С состав­ляет 1,29 кг/м3.

То, что воздух действительно имеет вес, было доказано Галилеем. А ученик Галилея Эванджелиста Торричелли (см. рис. 6) предположил и смог доказать, что воздух оказывает давление на все тела, находящиеся на поверхности Земли. Это давление называется атмосферным давлением.

Рассчитать атмосферное давление по формуле расчета давления столба жидкости нельзя. Ведь для этого необходимо знать плотность и высоту столба жидкости или газа. Но у атмосферы нет четкой верхней границы, а плотность атмосферного воздуха уменьшается с ростом высоты. Поэтому Торричелли предложил совершенно другой способ для нахождения атмосферного давления.

Рис. 6. Эванджелиста Торричелли (1608–1647)

Торричелли взял стеклянную трубку длиной около одного метра, запаянную с одного конца, налил в эту трубку ртуть и опустил трубку открытым концом в чашу с ртутью. Некоторое количество ртути вылилось в чашу, но большая часть ртути осталась в трубке. Изо дня в день уровень ртути в трубке незначительно колебался, то немного опускаясь, то немного поднимаясь.

Давление ртути на уровне а-а1 создается весом столба ртути в трубке, так как в верхней части трубки над ртутью воздуха нет (там вакуум, который получил название «торричеллиева пустота»). Отсюда следует, что атмосферное давление равно давлению столба ртути в трубке. Измерив высоту столба ртути, можно рассчитать давление, которое произ­водит ртуть. Оно будет равно атмосферному. Если атмосферное давление уменьшается, то столб ртути в трубке Торричелли понижается, и наоборот (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема опыта Торричелли

4. Миллиметр ртутного столба – внесистемная единица давления

На практике атмосферное давление можно измерять высотой ртутного столба. Если, например, атмосферное давле­ние равно 780 миллиметров ртутного столба (обозначается «мм рт. ст.»), то это означает, что воздух производит точно такое же давление, как столб ртути высотой 780 мм. В этом случае за единицу давления принимают 1 мм рт. ст. Найдем соотношение между этими единицами измерения и известной нам единицей измерения давления – паскалем.

Рассчитаем давление столба ртути высотой 1 мм. Это можно сделать с помощью известной нам формулы

где ρ = 13 600 кг/м3 – плотность ртути,

g = 9,8 Н/кг – ускорение свободного падения,

h = 1 мм – высота столба жидкости.

Подстановка этих числовых значений дает:

Таким образом, 1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па.

Ртутный барометр

Наблюдая ежедневно за изменением уровня столба ртути, Торричелли заметил, что он может повышаться и понижать­ся. Также Торричелли связал эти изменения с изменениями погоды. Если к трубке Торричелли прикрепить вертикаль­ную шкалу, то получится простейший прибор для измерения атмосферного давления – ртутный барометр.

Но использование ртутного барометра небезопасно, так как пары ртути ядовиты. Впоследствии были созданы другие приборы для измерения атмосферного давления, с которыми вы познакомитесь в ходе следующего урока.

Список литературы

Перышкин А. В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.

Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7–9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.

Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.

Домашнее задание

Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов №555, 556, 559, 560, 563, 569.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16