TORRICELLI-EXPERIMENT: METINGEN VAN ATMOSFERISCHE DRUK, BELANG - FYSIEK - 2026

Het experiment Torricelli werd in 1644 uitgevoerd door de fysische en Italiaanse wiskundige Evangelista Torricelli en resulteerde in de eerste meting van de atmosferische druk.

Dit experiment is ontstaan ​​vanuit de behoefte om de watervoorziening in steden te verbeteren. Evangelista Torricelli (1608-1647), hofwiskundige van de groothertog van Toscane Ferdinand II, had samen met Galileo hydraulische verschijnselen bestudeerd.

Figuur 1. Torricelli's experiment, waarbij de kwikkolom onder invloed van atmosferische druk 760 mm stijgt. Bron: F. Zapata.

Het experiment

In 1644 deed Torricelli het volgende experiment:

- Hij bracht kwik in een buis van 1 m lang, aan het ene uiteinde open en aan het andere gesloten.

- Toen de buis helemaal vol was, draaide hij hem om en gooide hem in een container die ook kwik bevatte.

- Torricelli merkte op dat de kolom daalde en stopte op een hoogte van ongeveer 76 cm.

- Hij merkte ook dat er een vacuüm was ontstaan ​​in de ruimte die vrij was, hoewel niet perfect.

Torricelli herhaalde het experiment met verschillende buisjes. Hij maakte zelfs een kleine variatie: hij voegde water toe aan de emmer, die, omdat hij lichter was, op het kwik dreef. Daarna hief hij langzaam de buis met kwik naar de oppervlakte van het water.

Toen ging het kwik naar beneden en ging het water omhoog. Het verkregen vacuüm was, zoals we al zeiden, niet perfect, omdat er altijd restanten van kwikdamp of water waren.

Het meten van atmosferische druk

De atmosfeer is een mengsel van gassen waarin stikstof en zuurstof de boventoon voeren, met sporen van andere gassen zoals argon, kooldioxide, waterstof, methaan, koolmonoxide, waterdamp en ozon.

De zwaartekracht die door de aarde wordt uitgeoefend, is verantwoordelijk voor het behoud van de hele planeet rond de planeet.

De samenstelling is natuurlijk niet uniform en de dichtheid evenmin, aangezien deze afhangt van de temperatuur. Nabij het oppervlak is er een goede hoeveelheid stof, zand en verontreinigende stoffen door natuurlijke gebeurtenissen en ook door menselijke activiteit. De zwaardere moleculen staan ​​dichter bij de grond.

Omdat er zoveel variabiliteit is, is het noodzakelijk om een ​​referentiehoogte te kiezen voor atmosferische druk, die gemakshalve als zeeniveau is genomen.

Hier is het niet zomaar een zeeniveau, want dat vertoont ook schommelingen. Het niveau of datum wordt gekozen met behulp van een of ander geodetisch referentiesysteem dat in onderlinge overeenstemming tussen de experts is vastgesteld.

Wat is de atmosferische druk nabij de grond waard? Torricelli vond zijn waarde toen hij de hoogte van de kolom mat: 760 mm kwik.

De Torricelli-barometer

Aan de bovenzijde van de buis is de druk 0, aangezien daar een vacuüm is ontstaan. Ondertussen, op het oppervlak van het kwik vat de druk P ₁ atmosferische druk.

Laten we de oorsprong van het referentieframe kiezen op het vrije oppervlak van het kwik, bovenaan de buis. Van daar naar het oppervlak van het kwik in de container, meet H, de hoogte van de kolom.

Figuur 2. De Torricelli-barometer. Bron: General Physics for Engineers. J. Lay. USACH.

De druk op het rood gemarkeerde punt, op diepte y ₁ is:

Waar ρ _Hg de dichtheid van kwik is. Omdat y ₁ = H en Po = 0:

Omdat de dichtheid van kwik constant is en de zwaartekracht constant, blijkt dat de hoogte van de kwikkolom evenredig is met P _{1 ,} wat de atmosferische druk is. Bekende waarden vervangen:

De eenheid voor druk in het internationale systeem is de pascal, afgekort Pa. Volgens Torricelli's experiment is de atmosferische druk 101,3 kPa.

Belang van atmosferische druk voor het klimaat

Torricelli merkte op dat het kwikniveau in de buis elke dag kleine variaties onderging, dus hij concludeerde dat de atmosferische druk ook moet veranderen.

Atmosferische druk is verantwoordelijk voor een groot deel van het klimaat, maar de dagelijkse variaties blijven onopgemerkt. Het is omdat ze niet zo opvallen als bijvoorbeeld stormen of kou.

Deze variaties in atmosferische druk zijn echter verantwoordelijk voor de winden, die op hun beurt de regenval, temperatuur en relatieve vochtigheid beïnvloeden. Wanneer de grond opwarmt, zet de lucht uit en neigt deze te stijgen, waardoor de druk afneemt.

Telkens wanneer de barometer hoge drukken aangeeft, kan goed weer worden verwacht, terwijl bij lage drukken kans op stormen bestaat. Om nauwkeurige weersvoorspellingen te doen, heeft u echter meer informatie over andere factoren nodig.

Hij

Hoewel het vreemd klinkt, aangezien druk wordt gedefinieerd als kracht per oppervlakte-eenheid, is het in de meteorologie geldig om de atmosferische druk uit te drukken in millimeters kwik, zoals vastgesteld door Torricelli.

Dit komt omdat de kwikbarometer vandaag de dag nog steeds met weinig variatie wordt gebruikt sinds die tijd, zodat ter ere van Torricelli 760 mm Hg gelijk is aan 1 torr. Met andere woorden:

Als Torricelli water had gebruikt in plaats van kwik, zou de hoogte van de kolom 10,3 m zijn. De kwikbarometer is praktischer omdat hij compacter is.

Andere eenheden die veel worden gebruikt, zijn staven en millibar. Een millibar is gelijk aan een hectopascal of 10 ² pascal.

Hoogtemeters

Een hoogtemeter is een instrument dat de hoogte van een plaats aangeeft door de atmosferische druk op die hoogte te vergelijken met die op de grond of een andere referentieplaats.

Als de hoogte niet erg groot is, kunnen we in principe aannemen dat de dichtheid van de lucht constant blijft. Maar dit is een benadering, aangezien we weten dat de dichtheid van de atmosfeer afneemt met de hoogte.

Met behulp van de bovenstaande vergelijking wordt de dichtheid van lucht gebruikt in plaats van die van kwik:

In deze uitdrukking wordt P _o genomen als de atmosferische druk op grondniveau en P1 is die van de plaats waarvan de hoogte moet worden bepaald:

De altimetrische vergelijking laat zien dat de druk exponentieel afneemt met de hoogte: voor H = 0, P ₁ = P _of en als H → ∞, dan P ₁ = 0.

Referenties

1. Figueroa, D. 2005. Serie: Physics for Sciences and Engineering. Deel 5. Vloeistoffen en thermodynamica. Bewerkt door Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Natuurkunde: een blik op de wereld. 6e verkorte editie. Cengage leren.
3. Lay, J. 2004. Algemene fysica voor ingenieurs. USACH.
4. Mott, R. 2006. Vloeistofmechanica. 4e. Editie. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Het meten van de natuurlijke omgeving. 2e. Editie. Cambridge University Press.