ATMOSFERISCHE DRUK: NORMALE WAARDE, HOE DEZE TE METEN, VOORBEELDEN - FYSIEK - 2026

De atmosferische druk wordt veroorzaakt door het gewicht van de gassen die de atmosfeer boven de aarde vormen. Er wordt geschat dat de massa van de atmosfeer ongeveer 5 x 10 ¹⁸ kg is en dat alle levende wezens onderhevig zijn aan de druk die deze massa uitoefent.

De eerste die het heeft gemeten, was de Italiaanse wetenschapper Evangelista Torricelli (1608-1647). Hij voerde in 1644 een eenvoudig maar zeer ingenieus experiment uit: hij vulde een glazen buis die aan een kant was afgesloten met kwik, keerde hem om en goot hem in een container die ook kwik bevatte.

Figuur 1. Aneroïde barometer om de atmosferische druk te meten, in tegenstelling tot de kwikbarometer, bevat deze geen vloeistof. Bron: Wikimedia Commons.

Torricelli merkte op dat de buis niet helemaal leegliep, maar met kwik gevuld was tot een hoogte van 76 cm. Verbaasd deed hij veel tests met buizen van verschillende vorm, waarbij hij altijd hetzelfde resultaat kreeg.

Op deze manier realiseerde Torricelli zich dat de atmosferische druk de kwikkolom in de buis verhoogde en op een hoogte van 760 mm hield. Op deze manier wordt de gemiddelde waarde van atmosferische druk vastgesteld.

Omdat druk wordt gedefinieerd als kracht per oppervlakte-eenheid, zijn de eenheden van atmosferische druk in het internationale systeem newton / meter of pascal, afgekort Pa. Dus in dit systeem heeft atmosferische druk P _{atm de} waarde van :

Dit is de normale waarde van atmosferische druk bij 0 ºC en op zeeniveau.

Atmosferische druk op zeeniveau en andere variaties

In theorie ligt de maximale waarde van atmosferische druk net op zeeniveau. Hoewel er op dit niveau zoveel variabiliteit is, moeten experts een referentiesysteem opzetten om hen te helpen de waarde ervan te bepalen.

Hier zijn de belangrijkste factoren die de waarde van atmosferische druk op een bepaalde plaats op aarde beïnvloeden:

- Hoogte : voor elke 10 meter hoogte neemt de druk af met 1 mm Hg. Maar het komt ook voor dat de dichtheid van het gas waaruit de atmosfeer bestaat niet constant is. In principe neemt de dichtheid van de lucht af naarmate de hoogte toeneemt.

Figuur 2. Hoogtemeter, een instrument dat hoogte boven zeeniveau meet op basis van drukveranderingen. Bron: Pixabay.

- Temperatuur : hoe hoger de temperatuur, hoe lager de dichtheid en hoe lager de lucht, dus hoe lager de druk.

- Breedtegraad : de atmosferische druk is lager op equatoriale breedtegraden, omdat de aarde geen perfecte bol is. De kust bij de evenaar ligt verder van het middelpunt van de aarde dan de polen en daar is ook de dichtheid van de lucht lager.

- Continentaliteit : hoe meer het zich naar het binnenland van de continenten beweegt, hoe hoger de atmosferische druk, terwijl op kustplaatsen de druk lager is.

Variatie van atmosferische druk met hoogte

De altimetrische vergelijking die de atmosferische druk P van een plaats relateert aan de hoogte z boven zeeniveau, heeft deze vorm:

Hier is P _o de druk op de begin- of referentiehoogte, die normaal gesproken wordt genomen op zeeniveau, ρ _of de dichtheid van lucht op zeeniveau, en g de waarde van de versnelling van de zwaartekracht. Later in de sectie met opgeloste oefeningen is de stapsgewijze aftrek.

Hoe wordt de atmosferische druk gemeten?

De atmosferische druk wordt gemeten met de barometer. De eenvoudigste is zoals die Torricelli heeft gebouwd, op basis van kwik. De helling van de buis of de diameter heeft geen invloed op de hoogte van de kwikkolom, tenzij de klimatologische factoren hiervoor verantwoordelijk zijn.

Er ontstaan ​​bijvoorbeeld wolken in gebieden met lage druk. Dus als de barometerwaarde zakt, is dat een teken dat er slecht weer op komst is.

Eigenlijk zouden ook andere vloeistoffen kunnen worden gebruikt in plaats van kwik, er kan bijvoorbeeld een waterbarometer worden gemaakt. Het probleem is dat de maat van de kolom 10,33 m is, erg onpraktisch om te vervoeren.

Er zijn ook instrumenten die de druk mechanisch meten - door vervormingen in buizen of spiralen -: aneroïde barometers en manometers. Ze kunnen het drukverschil tussen twee punten meten of ook een druk meten met de atmosferische druk als referentie.

Eenheden van druk

De normale drukwaarde wordt gebruikt om een ​​nieuwe drukeenheid te definiëren: de atmosfeer, afgekort atm. De atmosferische druk is 1 atm; op deze manier kunnen andere drukken worden uitgedrukt in termen van atmosferische druk, wat een zeer bekende waarde is voor iedereen:

De volgende tabel toont de eenheden die het meest worden gebruikt in wetenschap en techniek om druk te meten, en het overeenkomstige equivalent in pascal:

Eenheid	Gelijkwaardigheid in pascal
N / m 2	een
Geldautomaat	101.355
mm Hg	133,3
lb / in 2	6894.76
kroeg	1x 10 5

Hydrostatische, absolute en overdruk

Op het vrije oppervlak van een vloeistof in statisch evenwicht en open voor de atmosfeer, werkt atmosferische druk. Maar op de inwendige punten van de vloeistof werkt natuurlijk het gewicht van de vloeistofkolom.

Het gewicht van de kolom hangt af van de hoogte en de dichtheid van de vloeistof, waarvan we aannemen dat deze constant is, evenals de temperatuur. In dit geval is de druk P:

Dit is de hydrostatische druk op elk punt in een vloeistof met constante dichtheid en is rechtevenredig met de diepte z van de vloeistof.

Wat betreft de absolute druk P _abs in een fluïdum in rust, wordt deze gedefinieerd als de som van de atmosferische druk P _atm en de hydrostatische druk P:

Ten slotte is de overdruk P _man in een fluïdum in rust het verschil tussen absolute en atmosferische druk en in dit geval komt het overeen met het meten van de hydrostatische druk:

Voorbeelden

De kracht die de atmosfeer op het lichaam uitoefent

De omvang van de totale kracht die door de atmosfeer op een menselijk lichaam wordt uitgeoefend, kan worden geschat. Stel dat het lichaam ongeveer een oppervlakte heeft van 2 m ² , aangezien druk wordt gedefinieerd als kracht per oppervlakte-eenheid, kunnen we de kracht oplossen en berekenen:

Voor deze berekening gebruiken we de normale waarde van de atmosferische druk die aan het begin is vastgesteld:

Dit resultaat staat gelijk aan ongeveer 20 ton kracht, maar vormt geen probleem voor levende wezens die het aardoppervlak bewonen, die hieraan zijn aangepast, net als de vissen in de zee.

Hoewel het een vrij grote kracht is. Hoe komt het dat we niet eerder instorten?

Welnu, de druk in het lichaam is gelijk aan de druk buiten. We storten niet in omdat de innerlijke kracht wordt gecompenseerd door een andere uiterlijke kracht. Maar sommige mensen hebben last van hoogte en kunnen uit de neus bloeden bij het beklimmen van zeer hoge bergen. Het is omdat het evenwicht tussen bloeddruk en atmosferische druk is verstoord.

Drink drankjes met een rietje of rietje

Atmosferische druk maakt het mogelijk frisdrank te drinken met een rietje of rietje. De Sumeriërs en andere oude culturen hadden ontdekt dat ze bier konden drinken door holle plantstengels of riet als rietjes te gebruiken.

Veel later, aan het einde van de 19e en het begin van de 20e eeuw, werden in de Verenigde Staten verschillende modellen rietjes gepatenteerd, waaronder modellen met een accordeonvormige elleboog, die tegenwoordig veel wordt gebruikt.

Figuur 3. Bij atmosferische druk kun je een slokje drinken met een rietje. Bron: Pixabay.

Dit is hoe ze werken: naarmate de vloeistof door het rietje wordt geabsorbeerd, wordt de druk boven de vloeistof in het rietje verminderd, waardoor de druk eronder, die hoger is, de vloeistof naar boven duwt om gemakkelijk te drinken.

Om die reden is het na extractie of een tandheelkundige ingreep niet aan te raden om op deze manier vloeistoffen te drinken, omdat door de drukverlaging de wond kan openen en gaan bloeden.

Opdrachten

- Oefening 1

Leid de altimetrische vergelijking P (z) af:

-Po is de druk op het referentieniveau (zeeniveau)

-z is de hoogte

-ρ _o is de dichtheid van de vloeistof op zeeniveau

-g is de waarde van de versnelling van de zwaartekracht

Oplossing

Laat eerst dp een differentiële druk zijn, die volgens de fundamentele vergelijking van hydrostatica wordt uitgedrukt als:

Het minteken houdt rekening met het feit dat de druk afneemt met toenemende z. Lucht wordt ook als een ideaal gas beschouwd, dus druk en dichtheid zijn gerelateerd aan:

De dichtheid wordt onmiddellijk vervangen om te verkrijgen:

Als je de druk op deze manier schrijft, wordt ervan uitgegaan dat de atmosfeer is verdeeld in lagen van hoogte dz, zoiets als een stapel pannenkoeken, elk met een druk dp. Op deze manier wordt een differentiaalvergelijking verkregen die wordt opgelost door de variabelen p en z te scheiden:

Het wordt dan aan beide zijden geïntegreerd, wat overeenkomt met het optellen van de drukbijdragen van elke laag. In de integraal aan de linkerkant is het gemaakt van een druk P _of initiële tot een einddruk P. Op dezelfde manier evalueert de integraal aan de rechterkant van z _o tot z:

Het volgende is om P op te lossen met behulp van de exponentiële waarde:

Ten slotte, als zowel T als g constant worden gehouden, ρ _o = (M / RT) P _o , dan M / RT = ρ _o / P _o, en we kunnen ook z _o = 0 maken . Dit alles bij elkaar opgeteld:

- Oefening 2

Wat is de waarde van de atmosferische druk in La Paz, Bolivia, gelegen op 3640 m boven zeeniveau? Neem de gemiddelde luchtdichtheid als 1.225 kg / m ³ op zeeniveau.

Oplossing

Vervang gewoon de numerieke waarden die in de altimetrische vergelijking worden gegeven:

Kortom, het is ongeveer 66% van de normale druk.

Referenties

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science 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. De standaardatmosfeer. Hersteld van: av8n.com
4. Sevilla Universiteit. Variatie van atmosferische druk. Hersteld van: laplace.us.es.
5. Wikipedia. Hypsometrische vergelijking. Hersteld van: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Luchtdruk. Hersteld van: es.wikipedia.org.