Atmosférický tlak
Roku 1654 předvedl Otto von Guericke jeden z nejslavnějších fyzikálních pokusů. Ze dvou přiložených měděných polokoulí odčerpal vzduch. Ani dvě spřežení koní je potom nedokázala od sebe odtrhnout — přestože polokoule nebyly slepené ani sešroubované. Jakmile Guericke vpustil vzduch zpět dovnitř, oddělily se snadno.
Stejný atmosférický tlak, který držel polokoule u sebe, působí také na každého z nás. Nad každým čtverečním metrem zemského povrchu se nachází vzduch o hmotnosti přibližně deset tun. Proč tedy atmosféra pevně sevřela kovové polokoule, ale nás nerozdrtí?
Magdeburské polokoule: síla neviditelného vzduchu
Když je uvnitř spojených polokoulí vzduch, tlačí na jejich stěny zevnitř i zvenku a tlakové síly se téměř vyrovnávají. Po odčerpání vzduchu zůstane uvnitř mnohem menší tlak. Vnější atmosférický tlak proto přitlačuje obě polokoule k sobě.
Jak velká mohla být tlaková síla?
Při průměru polokoulí přibližně 0,5 m a téměř nulovém tlaku uvnitř vychází ze vztahu F = ΔpS síla řádově 20 kN. To odpovídá tíze přibližně dvoutunového tělesa.
Kolik váží vzduch ve třídě?
Odhad pro skutečnou místnost
Nejprve odhadněte a potom změřte délku, šířku a výšku místnosti, ve které se právě nacházíte. Vypočítejte objem místnosti a hmotnost vzduchu v ní. Kolika lidem o hmotnosti 70 kg přibližně odpovídá? Hustota vzduchu závisí na teplotě, tlaku a vlhkosti; pro orientační odhad použijte hodnotu 1,2 kg·m−3.
Nápověda
Objem místnosti vypočítejte jako délka × šířka × výška. Hmotnost vzduchu potom určete ze vztahu m = ρV. Nakonec vydělte hmotnost vzduchu hmotností jednoho člověka.
Kontrola výsledku
Co způsobuje atmosférický tlak?
Zemská gravitace přitahuje molekuly vzduchu. Spodní vrstvy atmosféry proto nesou tíhu vzduchu nad sebou. Molekuly se současně neuspořádaně pohybují a při nárazech na povrchy vytvářejí tlak.
Atmosféra nemá ostrý horní okraj a její hustota se s výškou výrazně mění. Proto nelze pro celou atmosféru jednoduše použít vztah p = hρg s jedinou konstantní hustotou, jako u vody v nádobě.
Jak poznáme, že vzduch opravdu tlačí?
Sklenice, voda a papír
- Sklenici naplňte až po okraj vodou.
- Přiložte pevný papír a přidržte jej.
- Sklenici otočte a teprve potom papír pusťte.
Vzduch zvenku tlačí na papír vzhůru. Tlak uvnitř sklenice je menší a papír s vodou zůstane na místě.
Přísavka
Přitlačením vytlačíme část vzduchu z prostoru pod přísavkou. Po uvolnění vznikne uvnitř nižší tlak než v okolí. Výsledná tlaková síla přitlačí přísavku k podkladu.
Předpověď: bude držet přísavka na drsném nebo netěsném povrchu?
Bezpečnost pokusu se sklenicí
Pokus provádějte nad umyvadlem nebo tácem. Vhodnější je plastový kelímek než těžká sklenice. Papír musí překrývat celý okraj a nádoba se při otáčení drží svisle.
Jak velká síla působí na list A4?
Síla, kterou bychom možná nečekali
Určete velikost síly, kterou působí atmosférický tlak 100 kPa na jednu stranu listu A4. Jaké hmotnosti by přibližně odpovídala stejná tíhová síla?
Nápověda
Tlaková síla na plochu S má velikost F = pS. List A4 má rozměry 0,210 m × 0,297 m, tedy plochu přibližně 0,0624 m². Převeďte tlak z kilopascalů na pascaly a použijte vztah F = pS. Odpovídající hmotnost určete ze vztahu m = F/g.
Kontrola výsledku
List se neroztrhne, protože vzduch působí téměř stejným tlakem z obou stran a tlak působí také uvnitř našeho těla. Velké jednotlivé síly se většinou vyrovnávají; rozhodující je rozdíl tlaků.
Proč nás atmosféra nerozdrtí?
Atmosférický tlak je velký, ale na tělo nepůsobí pouze shora. Vzduch tlačí ze všech směrů a kapaliny i plyny uvnitř těla vytvářejí tlak působící opačně. Za běžných podmínek se proto většina tlakových sil vyrovná a tělesné tkáně nemusí „nést“ celou sílu odpovídající atmosférickému tlaku.
Rozdíl poznáme tam, kde se tlak nestačí rychle vyrovnat. Při jízdě výtahem, v letadle nebo při potápění můžeme cítit tlak v uších: na obou stranách bubínku je dočasně jiný tlak. Polknutí nebo zívnutí pomůže otevřít Eustachovu trubici a tlaky vyrovnat.
Atmosférický tlak a dýchání – biologická souvislost
Plíce samy vzduch aktivně „nenasávají“. Při nádechu se stáhne bránice a zvětší se objem hrudníku. Tím se tlak v plicních sklípcích nepatrně sníží pod tlak okolní atmosféry a vzduch proudí dovnitř. Při výdechu se objem hrudníku zmenší, tlak v plicích se naopak mírně zvýší a vzduch proudí ven.
K proudění stačí velmi malý rozdíl tlaků ve srovnání s celkovým atmosférickým tlakem. Také zde tedy není podstatné, že tlak má hodnotu přibližně 100 kPa, ale že mezi okolním vzduchem a plícemi na krátkou dobu vznikne malý tlakový rozdíl.
Co dělá pohrudniční tlak?
Plíce jsou pružné a mají tendenci se smršťovat. V úzkém prostoru mezi poplicnicí a pohrudnicí je za běžných podmínek tlak nižší než v plicích a v okolí; díky tomu zůstávají plíce přitisknuté k hrudní stěně a při jejím pohybu se rozpínají. Při porušení tohoto prostoru může plíce částečně nebo úplně zkolabovat — vzniká pneumotorax.
Torricelliho pokus: jak atmosférický tlak změřit?
Evangelista Torricelli roku 1644 naplnil dlouhou skleněnou trubici rtutí, uzavřel ji, obrátil a otevřený konec ponořil do nádoby se rtutí. Část rtuti vytekla, ale v trubici zůstal přibližně 76 cm vysoký sloupec. Nad ním vzniklo téměř vzduchoprázdno, dnes označované jako Torricelliho vakuum.
pa = hρHggJaký tlak ukazuje rtuťový barometr?
Sloupec rtuti má výšku 0,760 m. Určete atmosférický tlak, je-li hustota rtuti 13 600 kg·m−3.
Nápověda
Tlak rtuťového sloupce určete ze vztahu p = hρg. Pohlídejte si, že výška je v metrech; výsledek v pascalech potom převeďte na kilopascaly.
Kontrola výsledku
Proč Torricelli nepoužil vodu?
Voda má přibližně 13,6krát menší hustotu než rtuť. Stejný atmosférický tlak by proto udržel vodní sloupec vysoký asi 10,3 m. Rtuťový barometr je mnohem kompaktnější.
Tlak s výškou klesá
Čím výše vystoupíme, tím menší množství vzduchu zůstává nad námi. Atmosférický tlak proto klesá. V malé výškové změně poblíž zemského povrchu můžeme hustotu vzduchu považovat za téměř stálou:
Δp ≈ −ρvzduchugΔhPři hustotě vzduchu 1,2 kg·m−3 klesne tlak přibližně o 12 Pa na každý metr výšky, tedy asi o 1 hPa na 8 metrů. Pro velké výškové rozdíly už tato lineární aproximace nestačí.
Kolik pater vyjel výtah?
Barometr v telefonu zaznamenal během jízdy pokles tlaku o 48 Pa. Odhadněte výškový rozdíl a počet pater, jestliže jedno patro měří 3,0 m.
Nápověda
Ze vztahu |Δp| ≈ ρgΔh nejprve vyjádřete Δh. Počet pater pak získáte vydělením výškového rozdílu výškou jednoho patra.
Kontrola výsledku
Barometr, počasí a telefon
Kapalinový barometr
Určuje tlak z výšky kapalinového sloupce. Rtuťový barometr je přesný, ale rtuť je toxická a přístroj musí zůstat téměř svislý.
Aneroid
Obsahuje tenkostěnnou uzavřenou kovovou krabičku s nízkým tlakem uvnitř. Změny okolního tlaku ji deformují a mechanismus pohybuje ručičkou.
Počasí
Změny tlaku souvisejí s pohybem tlakových útvarů. Samotný okamžitý tlak nestačí: pro předpověď je důležitý také trend, poloha tlakových níží a výší a další meteorologická data.
Telefon a phyphox
Některé telefony mají barometr. Experiment „Tlak“ ukazuje surová data; experiment „Výtah“ z tlakových změn odhaduje výšku a rychlost pohybu.
Proč telefony ve stejné místnosti nemusí ukázat totéž?
Senzory mohou mít různý stálý posun a rozdílné rozlišení. Pro měření změny výšky je často důležitější rozdíl tlaku během jednoho měření než přesná absolutní hodnota. Telefon také nesmí být utěsněn v neprodyšném obalu.
Historická souvislost: lze vytvořit vakuum?
Torricelliho pokus ukázal nejen existenci atmosférického tlaku, ale také to, že prostor nad rtutí nemusí být vyplněn běžným vzduchem. Torricelli napsal, že žijeme „na dně oceánu vzduchu“. Roku 1648 nechal Blaise Pascal porovnat výšku rtuťového sloupce u paty a na vrcholu Puy de Dôme. Nahoře byl sloupec nižší, což podpořilo vysvětlení, že barometr udržuje tlak atmosféry.
Procvičení
1. Proč se přísavka po čase odlepí, když pod ni pomalu proniká vzduch?
2. Co se stane s výškou rtuťového sloupce při výstupu na horu?
3. Proč nás atmosférický tlak nerozdrtí?
Časté omyly
„Vzduch nic neváží.“
Vzduch má nenulovou hustotu, a tedy i hmotnost. Jeden metr krychlový vzduchu má za běžných podmínek hmotnost přibližně 1,2 kg.
„Atmosférický tlak působí jen dolů.“
Tlak v tekutině působí všemi směry. Směr výsledné tlakové síly závisí na orientaci plochy.
„Přísavku drží podtlak, který ji přitahuje.“
Nižší tlak pod přísavkou ji sám „netáhne“. Přitlačuje ji větší tlak okolního vzduchu.
„Barometr přímo měří nadmořskou výšku.“
Barometr měří tlak. Výšku z něj lze odhadnout pomocí modelu atmosféry; výsledek ovlivňuje také počasí.
Česko-anglický slovníček
- atmosférický tlak
- atmospheric pressure
- atmosféra
- atmosphere
- barometr
- barometer
- rtuť
- mercury
- vakuum
- vacuum
- tlaková síla
- pressure force
- přísavka
- suction cup
- tlaková níže
- low-pressure system
- tlaková výše
- high-pressure system
- nadmořská výška
- altitude