Fizikos pradžiamokslis. Atmosferos slėgis
Originally published at Konstanta-42. Please leave any comments there.
Keičiantis orams, keičiasi ir žmonių nuotaika - šitą faktą žino kiekvienas. Ne visiems poveikis yra vienodas: vieni nušvinta kartu su pasirodančia Saule, kiti slepiasi nuo to bjauraus veido danguje. Tai nenuostabu, nes didele dalimi oro sąlygų poveikis yra susijęs su psichologija. Bet vienas poveikis yra ir grynai fizikinis, toks paprastas, kad greičiausiai apie jį net nesusimąstome. Turiu omeny atmosferos slėgį ir jo pokyčius.
Apie atmosferos slėgį girdime gana dažnai; kiek atsimenu, seniau per visas orų prognozes būdavo pranešamas ir atmosferos slėgis. Pastaruoju metu, atrodo, tokių pranešimų sumažėjo, tačiau laikraščiuose dar pasitaiko atmosferos žemėlapių su izobaromis (vienodo slėgio linijomis). Bet šiuos skaičius suvokti yra sudėtinga, nes jie paprastai pateikiami naudojant neįprastus matavimo vienetus - gyvsidabrio stulpelio aukštį milimetrais. Fizikai slėgį matuoja paskaliais; vienas paskalis yra toks slėgis, kurį sukuria vieno niutono jėga, veikianti vieno kvadratinio metro plotą. Taip jau yra, kad į cilindrinį indą įpylus skysčio, slėgis į indo dugną priklauso tik nuo skysčio tankio bei stulpelio aukščio, taigi slėgį galima išreikšti ir ilgio (gal tiksliau būtų sakyti „aukščio“) vienetais. Tai yra ypač praktiška matuojant įvairių dujų slėgį - prijungus dujas prie indo su skysčiu, pagal skysčio poslinkį galima nustatyti ir dujų slėgį. Tokiu principu veikia kai kurie slėgio matuokliai barometrai bei iš jų išvesti prietaisai. Geriausiai pažįstamas skystis - vanduo - nėra praktiškas, nes atmosferos slėgis atitinka daugiau nei dešimties metrų vandens stulpo slėgį*. Taigi tradiciniai skysčių barometrai yra užpildyti gyvsidabriu, kuris už vandenį gerokai tankesnis, todėl standartinis atmosferos slėgis atitinka 760 milimetrų gyvsidabrio.
Senoviniai barometrai
Grįžtant prie paties atmosferos slėgio, standartiniais vienetais jis yra truputį didesnis, nei 100 kilopaskalių. Tai reiškia, kad kiekvieną kvadratinį metrą atmosfera slegia 100 tūkstančių niutonų jėga; tokią sunkio jėgą sukelia dešimties tonų masės objektas. Dabar pagalvokime apie žmogaus skerspjūvio plotą, žiūrint iš viršaus. Pečių plotis - koks pusmetris, gal kiek daugiau, storis nuo krūtinės iki nugaros - gal 20 centimetrų. Dešimtadalis kvadratinio metro tikrai yra. Taigi kiekvieno mūsų pečius atmosfera yra užgulusi taip, kaip vienos tonos masės krovinys. Nemenka našta kasdieniam gyvenimui, ar ne? Savaime suprantama, mūsų organizmai prie šito yra prisitaikę; jei staiga slėgis pranyktų, išsprogtų akys ir kraujagyslės. Taip pat slėgis mums padeda ir tuo, kad laiko daiktus prispaustus prie žemės; tornadų centruose slėgis nukrenta keliomis dešimtimis procentų, ir dėl to atsilupa namų stogai, negalintys atlaikyti staiga atsiradusio milžiniško spaudimo iš vidaus.
Tačiau atmosferos slėgis kinta laikui bėgant dėl paprasčiausių oro sąlygų pokyčių. Oro masės juda iš vienos vietos į kitą, ir slėgis vienoje vietoje gali kisti keletu procentų. Aukštas slėgis, sukeliantis anticiklonus, ant mūsų pečių užmeta papildomas kelias dešimtis kilogramų, o žemas slėgis kartu su ciklonais juos nuima. Slėgio pokyčiai atsiliepia žmonėms, patyrusiems traumų - dėl aplinkos sąlygų pasikeitimo gali užskausti senas žaizdas; dar vienas dažnas fiziologinis efektas yra ausų užgulimas dėl pakitusio balanso tarp vidinės ir išorinės ausies. Taip pat tai gali būti susiję ir su nuotaika ir paaiškinti, kodėl kai kuriems žmonėms patinka debesuotas (cikloninis) oras: tiesiog tuo metu juos mažiau slegia gyvenimo našta.
Taip pat atmosferos slėgis priklauso nuo aukščio. Kylant aukštyn, slėgis mažėja eksponentiškai: pakilus vienu mastelio aukščiu (scale height) į viršų, slėgis sumažėja beveik trigubai. Mastelio aukštis priklauso nuo temperatūros, dujų rūšies (dalelių masės) ir planetos masės, o Žemės atmosferai yra maždaug 8 kilometrai. Kuo aukščiau pakyli, tuo sunkiau darosi kvėpuoti; taip yra ne tik dėl absoliutaus slėgio sumažėjimo (kvėpuojame krūtinės raumenų pagalba; esant žemesniam slėgiui, krūtinę išplėsti darosi lengviau, taigi įkvėpti tokį patį oro kiekį neturėtų būti gerokai sunkiau), tačiau ir dėl santykinio deguonies trūkumo. Deguonis yra truputį sunkesnis už gausiausias atmosferos dujas azotą, todėl deguonies mastelio aukštis yra mažesnis. Vadinasi kylant aukščiau, deguonies slėgis (kartu ir tankis) mažėja sparčiau, nei azoto, ir pakilus į keleto kilometrų aukštį deguonies dalis sumažėja nuo 21 iki 19 procentų. Skirtumas atrodytų nedidelis, bet žmogui juntamas.
Taigi, kai kitą kartą gyvenimas atrodys labai sunkus, pagalvokite, jog ant pečių nešate visą toną oro, kaip koks titanas Atlantas. Gal žemiškos problemos pasirodys truputį lengvesnės :)
Laiqualasse
TAISA/papildymas: * - esu girdėjęs tokią istoriją, tik nežinau, kiek ji teisinga. Viduramžiais buvo manoma, jog "gamta nemėgsta tuštumos", taigi kažko yra visur. Vienas iš šio dėsnio pritaikymų būtų keliant vandenį siurbliu aukštyn - į žemai esantį ežerą įstatai ilgą vamzdį, kažkur viršuje prijungi pompą ir keli vandenį į viršų. Tačiau pabandžius tą padaryti praktiškai, paaiškėjo, jog vanduo pakyla tik į ~10 metrų aukštį, o toliau - nebe, nesvarbu, kaip gerai dirba darbininkai prie pompos ir kaip tvarkingai viskas uždaryta, kad oras nepakliūtų į vamzdį. Taip ir buvo atrastas vakuumas.