Атмосферное давление в физике – это что? Определение и формула

Метеозависимые люди при изменении погоды сталкиваются с головными болями. Часто недомогание возникает как следствие повышения либо понижения атмосферного давления. Разбираемся, что это за явление в физике, чем примечательно, как определить его величину разными способами.

Понятие атмосферного давления

Начнём с определений, что такое атмосферное давление и атмосфера в физике. Атмосферой называется газовая оболочка небесных тел, которая удерживается вокруг них за счёт силы гравитации. Она всегда вращается и передвигается с этим телом в межпланетном пространстве, образуя единую систему. 

Под атмосферным давлением подразумевают силу, с которой находящиеся в пространстве газы действуют на единицу площади. Да-да, на каждого из нас и всё окружающее «давит» воздух вследствие притяжения его молекул гравитационным полем Земли, прижимает к её поверхности. Ощущать это воздействие человек начинает, когда в окружающей среде оно изменилось, а организм не успел компенсировать возникшую разницу. 

Измеряется в паскалях – единицах, названных в честь французского учёного Паскаля, занимавшегося, в том числе, изучением «пустоты» – воздуха.

Нормальным считается давление в 101 325 Па (~100 кПа) или 760 мм ртутного столбика (мм рт. ст.) на уровне моря при температуре 0 °С. Ночью обычно наблюдается суточный максимум давления, минимум – после полудня, годовой минимум припадает на середину зимы, а максимум – на летние месяцы. С ростом высоты, например, подъёмом в горы, оно постепенно снижается, причем вертикальным «ускорением» принято пренебрегать – считается, что с высотой давление падает линейно.

Формула атмосферного давления в физике

В задачах принято считать, что при подъёме на каждые ~10,5 м (цифра разнится в разных источниках от 10 до 12 м) давление снижается на 1 мм рт. ст. Температура при этом остаётся неизменной (в идеальных условиях). Применимо решение только вблизи поверхности планеты Земля (в пределах одного километра или чуть более). На высоте около 1000 метров оно снижается до 665 мм рт. ст.

Для более точного определения разницы атмосферного давления на различных высотах применяется формула:

.

В ней:

• Δp – сила воздействия воздуха на указанной высоте;


• p₀ – давление на поверхности Земли в выбранной местности;


• h − интересуемая высота над уровнем моря;


• – густота воздуха у поверхности планеты;


• e – основание натурального логарифма, экспонента, равняется приблизительно 2,718.

Уравнение статики предлагает иной способ расчёта:

Δp​ = gp₀Δz, здесь:

• g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с²;
• Δz – толщина воздушного слоя.

Третья формула с учётом температуры воздуха:

p = p_0e , где:

• M – молярная масса воздуха, 0,029 кг/моль;


• R = 8,31 Дж/моль * К – газовая постоянная;


• T – температура воздуха в К.

Для перевода температуры в градусы Цельсия применяется формула: T = t + 273.

Задача

Найти силу, с которой на вас давит воздух в Москве при температуре 0 °C.

Решение. Известна высота расположения Москвы над уровнем моря — ~180 м. Проведём простейшие расчёты, зная о линейном снижении атмосферного давления на 1 мм рт. ст. при подъёме на 10,5 м.

1. Разделим 180 м на 10,5 м – получим разницу в значениях на уровне моря и на высоте столицы. Равняется ~17 мм рт. ст. 


2. Нормальным в физике и иных науках считается атмосферное давление 760 мм тр. ст.


3. От него отнимем разницу: 760 – 17 = ~743 мм рт. ст.

Для Москвы нормальным давлением воздушной оболочки Земли считается ~743 мм рт. ст. при нулевой температуре.