Presiunea atmosferică este un fenomen natural pe care îl resimțim zilnic, chiar dacă de multe ori nu îl conștientizăm. Ea reprezintă forța exercitată de aerul din atmosferă asupra suprafețelor cu care acesta intră în contact. Fără această presiune, multe dintre procesele vitale de pe Pământ nu ar fi posibile, de la respirație până la circulația apei în natură.
De exemplu, când folosim o ventuză pentru a ridica un obiect sau când un avion se ridică de la sol, presiunea atmosferică joacă un rol esențial. În plus, schimbările de presiune sunt legate direct de fenomenele meteorologice, ajutând meteorologii să prevadă vremea.
Importanța presiunii atmosferice
- În viața cotidiană, influențează fenomene precum fierberea apei la altitudini mari sau funcționarea plămânilor.
- În aviație, determină modul de zbor al avioanelor și funcționarea corectă a instrumentelor de bord.
- În meteorologie, variațiile presiunii ajută la anticiparea schimbărilor de vreme.
Definiția presiunii atmosferice
Presiunea atmosferică este forța pe care aerul din atmosferă o exercită asupra unei unități de suprafață aflată la nivelul solului sau la o anumită altitudine. Ea apare datorită greutății coloanei de aer care se află deasupra suprafeței respective.
• Ce este coloana de aer?
Atmosfera Pământului este alcătuită din straturi de aer, iar fiecare strat apasă asupra celui inferior prin greutatea sa. În consecință, toate suprafețele de pe Pământ, inclusiv cele ale corpurilor noastre, sunt supuse unei presiuni constante din partea acestui aer.
• Cum se definește matematic presiunea?
Presiunea (P) este definită ca raportul dintre forța (F) exercitată perpendicular pe o suprafață și aria (A) acelei suprafețe:
P = F / A
- P = presiunea (Pa – pascali)
- F = forța exercitată (N – newtoni)
- A = aria suprafeței (m²)
Exemplu intuitiv
La nivelul mării, o coloană de aer cu secțiunea de 1 m² și înălțimea egală cu grosimea atmosferei are o greutate de aproximativ 101.325 N. Aceasta exercită o presiune de 101.325 Pa, cunoscută ca presiunea atmosferică standard.
Diferența dintre presiune absolută și presiune relativă
- Presiunea absolută: presiunea totală, inclusiv presiunea atmosferică.
- Presiunea relativă (gauge): presiunea măsurată față de presiunea atmosferică (ex.: la manometre).
Cum se manifestă presiunea atmosferică
Deși invizibilă, presiunea atmosferică are efecte foarte ușor de observat în viața de zi cu zi. Ea influențează nu doar fenomenele naturale, ci și multe activități practice.
• Exemple din viața reală
Ventuzele
Când aplicăm o ventuză pe o suprafață netedă și eliminăm aerul din interior, presiunea exterioară a aerului o ține lipită de suprafață.
Paharul inversat cu apă
Dacă acoperim gura unui pahar plin cu apă cu o hârtie și îl întoarcem invers, apa nu curge. Presiunea atmosferică exterioară susține hârtia și împiedică scurgerea apei.
Respirația
Inspirăm deoarece mușchii toracelui măresc volumul plămânilor, scăzând presiunea din interiorul lor sub presiunea atmosferică. Aerul pătrunde pentru a egaliza diferența de presiune.
Ambalaje vidate
Pungile vidate sunt strâns lipite de produse deoarece presiunea atmosferică exterioară nu mai este contrabalansată de aerul din interior.
• Variația presiunii cu altitudinea
La altitudini mari, presiunea atmosferică scade deoarece există mai puțin aer deasupra.
- La nivelul mării: presiunea standard este 101.325 Pa (1 atm).
- La 5.000 m altitudine: presiunea scade aproape la jumătate.
Exemplu practic:
Apa fierbe la temperaturi mai scăzute pe munte, deoarece presiunea atmosferică este mai mică.
Unități de măsură pentru presiunea atmosferică
Presiunea atmosferică poate fi exprimată în mai multe unități, în funcție de contextul științific sau practic. În sistemul internațional (SI), unitatea standard este pascalul (Pa), dar sunt utilizate frecvent și alte unități tradiționale.
• Unități principale
1. Pascal (Pa)
- 1 Pa = 1 N/m² (un newton pe metru pătrat).
- Este unitatea oficială în SI.
2. Atmosfera standard (atm)
- 1 atm = presiunea atmosferică la nivelul mării.
- 1 atm = 101.325 Pa
3. Bar
- Folosit adesea în meteorologie și tehnică.
- 1 bar = 100.000 Pa = 0,9869 atm
4. Milimetri coloană de mercur (mmHg)
- Tradițional folosită în barometre și în medicină.
- 1 atm = 760 mmHg
5. Torr
- 1 torr = 1 mmHg
- 1 atm = 760 torr
Exemplu practic de conversie
Instrumente pentru măsurarea presiunii atmosferice
Pentru a determina presiunea atmosferică, oamenii au inventat de-a lungul timpului diferite dispozitive, de la cele simple, bazate pe lichide, până la cele moderne, digitale și extrem de precise.
• 1. Barometrul cu mercur (Torricelli)
Cum funcționează:
- Inventat în 1643 de Evangelista Torricelli.
- Este format dintr-un tub de sticlă umplut cu mercur, inversat într-un vas cu mercur.
- Presiunea aerului împinge asupra suprafeței vasului și susține coloana de mercur în tub.
Măsurare:
- Înălțimea coloanei de mercur indică presiunea atmosferică în mmHg.
- La nivelul mării: coloana atinge 760 mmHg (1 atm).
• 2. Barometrul aneroid
Cum funcționează:
- Nu folosește lichide.
- Conține o capsulă metalică vidată, care se comprimă sau se dilată în funcție de presiunea exterioară.
- Deformările capsulei sunt transmise la un ac indicator printr-un mecanism cu pârghii.
Avantaje:
- Portabil și ușor de folosit.
- Utilizat frecvent în aviație, meteorologie și navigație.
• 3. Barometre digitale (moderne)
Cum funcționează:
- Utilizează senzori electronici pentru a detecta variațiile de presiune.
- Afișează valorile direct pe un ecran în diverse unități (Pa, bar, mmHg).
Avantaje:
- Precizie ridicată.
- Conectivitate cu alte dispozitive pentru monitorizare continuă.
- Frecvent integrate în smartphone-uri, stații meteo portabile și smartwatch-uri.
Exemplu de aplicație:
Un smartwatch cu senzor barometric poate detecta schimbările de presiune pentru a estima altitudinea sau a avertiza asupra modificărilor de vreme.
Metode experimentale de măsurare
Măsurarea presiunii atmosferice poate fi realizată prin metode clasice, folosite încă din secolul XVII, dar și prin tehnici moderne, bazate pe senzori electronici de mare precizie.
• 1. Experimentul lui Torricelli
Cum a fost realizat:
- Evangelista Torricelli (1643) a umplut un tub de sticlă lung cu mercur, l-a închis la un capăt și apoi l-a întors cu capătul deschis într-un vas cu mercur.
- Nivelul mercurului din tub a scăzut până la o înălțime constantă de aproximativ 760 mm la nivelul mării.
Ce demonstrează:
- Aerul exercită o presiune asupra suprafeței vasului cu mercur, suficientă pentru a susține coloana din tub.
- Spațiul rămas deasupra coloanei este aproape un vid (vid Torricellian).
Concluzie:
Această înălțime (760 mmHg) corespunde presiunii atmosferice standard.
• 2. Metode moderne de măsurare
Senzori piezoelectrici
- Detectează variațiile de presiune prin modificări ale unui cristal piezoelectric.
- Folosiți în smartphone-uri și ceasuri inteligente pentru estimarea altitudinii.
Senzori capacitiv-electronici
- Se bazează pe deformarea unei membrane sub presiune, care modifică o capacitate electrică măsurată de un circuit.
- Sunt extrem de sensibili și preciși.
• Experimente simple de observare a presiunii
Paharul cu apă întors:
- Umple un pahar cu apă, acoperă-l cu o coală rigidă și întoarce-l invers. Apa rămâne susținută datorită presiunii atmosferice.
Cutia de conserve zdrobită:
- Fierbe apă într-o cutie de aluminiu, apoi închide-o și răcește-o brusc cu apă rece. Cutia se deformează pentru că presiunea atmosferică exterioară nu mai este contrabalansată de cea interioară.
Importanța presiunii atmosferice
Presiunea atmosferică influențează direct fenomenele naturale, funcționarea organismului uman și numeroase domenii tehnologice. Înțelegerea ei este esențială pentru a explica multe procese din jurul nostru.
• În meteorologie
Previziunile meteo
- Zonele cu presiune scăzută sunt asociate cu vreme instabilă, ploi și vânturi puternice (ciclon).
- Zonele cu presiune ridicată sunt legate de vreme stabilă și cer senin (anticiclon).
Barometrele
- Meteorologii folosesc barometre pentru a detecta variațiile presiunii și a anticipa schimbările de vreme.
• În aviație
Altitudine și presiune
- Pe măsură ce aeronava urcă, presiunea aerului scade. Pilotii și instrumentele de bord trebuie să țină cont de această variație pentru siguranța zborului.
Cabine presurizate
- În avioane, cabinele sunt presurizate pentru a menține o presiune confortabilă și a permite respirația normală la altitudini mari.
• În scufundări și sănătate
Scufundările subacvatice
- Pe măsură ce un scafandru coboară, presiunea crește cu aproximativ 1 atm la fiecare 10 m de apă. Adaptarea corectă este crucială pentru a evita barotraumele.
Funcționarea organismului
- Presiunea atmosferică influențează respirația, circulația sângelui și punctul de fierbere al lichidelor din corp.
• În tehnologie
Ambalaje vidate și conserve
- Presiunea atmosferică joacă un rol în păstrarea produselor alimentare în siguranță.
Motoare și sisteme hidraulice
- Unele sisteme tehnice folosesc diferențele de presiune pentru a funcționa.
Factorii care influențează presiunea atmosferică
Presiunea atmosferică nu este constantă; ea variază în funcție de mai mulți factori legați de poziția geografică, starea aerului și condițiile meteorologice. Înțelegerea acestor variații este esențială în meteorologie, aviație și științele naturii.
• Altitudinea
Efectul altitudinii:
- Presiunea atmosferică scade odată cu creșterea altitudinii, deoarece coloana de aer de deasupra devine mai scurtă și mai ușoară.
Exemplu practic:
- La nivelul mării: 101.325 Pa (1 atm)
- La 2.000 m altitudine: aproximativ 80.000 Pa
- La 8.848 m (vârful Everest): aproximativ 33.000 Pa
• Temperatura aerului
Aer cald:
- Este mai puțin dens și tinde să se ridice, determinând o scădere a presiunii la nivelul solului.
Aer rece:
- Este mai dens și apasă mai puternic asupra suprafeței, ducând la o creștere a presiunii.
• Umiditatea aerului
Aerul umed:
- Vaporii de apă sunt mai ușori decât moleculele de oxigen și azot, astfel încât aerul umed este mai puțin dens decât aerul uscat.
- Rezultatul: presiunea scade în condiții de umiditate ridicată.
Aerul uscat:
- Este mai dens și determină o presiune atmosferică mai mare.
• Condițiile meteorologice
Ciclon (presiune scăzută):
- Asociat cu nori, ploi și vânturi.
Anticiclon (presiune ridicată):
- Asociat cu cer senin și vreme calmă.
Exemple practice și exerciții
Exemplul 1 – Presiunea la altitudine
Determinați presiunea atmosferică aproximativă la o altitudine de 2.500 m, dacă la nivelul mării presiunea este 101.325 Pa. Se consideră că presiunea scade cu 12 Pa pentru fiecare metru de urcare.
✔️ Rezolvare:
Răspuns: Presiunea la 2.500 m este aproximativ 71.325 Pa.
Exemplul 2 – Conversie între unități
Convertiți o presiune de 750 mmHg în pascali (Pa).
✔️ Rezolvare:
Relație de conversie:
1 mmHg = 133,3 Pa
Exemplu:
750 mmHg × 133,3 Pa/mmHg = 99.975 Pa
Răspuns: 750 mmHg = 99.975 Pa
Exemplul 3 – Efectul presiunii asupra punctului de fierbere
La o altitudine unde presiunea atmosferică este 80.000 Pa, apa va fierbe la o temperatură mai mică decât 100°C.
Exerciții propuse
1. Calculați presiunea atmosferică la o altitudine de 1.200 m, dacă presiunea la nivelul mării este 101.325 Pa și scade cu 11,3 Pa pentru fiecare metru.
2. Un barometru aneroid indică o presiune de 0,95 atm. Convertiți această valoare în mmHg și Pa.
3. Explicați de ce sacii vidati pentru alimente rămân strâns lipiți de conținutul lor după eliminarea aerului.
4. La un ciclon tropical, presiunea atmosferică scade la 950 hPa. Convertiți această valoare în atm și Pa.
Leave a Reply