§ 43. Барометр-анероид. Атмосферное давление на различных высотах

отрицательная частица, nēros — влажный, жидкий, то есть «безжидкостный») — компактный портативный механический прибор для измерения атмосферного давления без использования жидкости, изобретенный в Германии в 1760 году (усовершенствован Люсьеном Види в 1844 г.).

• 1. Преимущества перед жидкостными барометрами — отсутствие токсичной, летучей ртути и хрупких метровых стеклянных трубок, герметичность, прочность, малые габариты и безопасность при транспортировке на борту судов, самолетов и в экспедициях.
• 2. Двухшкальная градуировка — шкала анероида размечается по показаниям эталонного ртутного барометра Торричелли сразу в двух системах единиц: во внесистемных миллиметрах ртутного столба ($\text{мм рт. ст.}$) и в международных единицах СИ — гектопаскалях ($\text{гПа}$) или килопаскалях ($\text{кПа}$). Для отслеживания динамики прибор снабжается контрольной подвижной стрелкой.

основной чувствительный датчик барометра-анероида, представляющий собой герметичную круглую металлическую капсулу с волнистыми (гофрированными) основаниями, из которой откачан воздух.

• 1. Гофрированная поверхность мембраны — круговые концентрические волны увеличивают эффективную гибкую площадь мембраны без раздувания габаритов прибора, обеспечивая высокую упругую податливость и чуткую механическую реакцию даже на малейшие колебания внешнего давления (по аналогии с длиной гибкой линейки).
• 2. Силовая компенсация — чтобы глубокий вакуум внутри коробки не привел к ее сплющиванию и раздавливанию внешней атмосферой, центр верхней крышки оттягивается мощной плоской пружиной, сила упругости которой уравновешивает силу атмосферного сжатия: $F_{\text{упр}} = F_{\text{атм}} = p_{\text{атм}} S$.

система кинематических рычагов, шарниров и микроскопической цепочки (механизм 3 на рис. 138), соединяющая деформирующуюся плоскую пружину с центральной осью стрелки-указателя.

• 1. Прямой ход (рост давления) — при увеличении атмосферного давления наружный воздух вдавливает крышку коробки глубже; мембрана натягивает пружину, рычажная передача мультиплицирует микроперемещение в сотни раз и поворачивает стрелку по шкале вправо в сторону больших давлений.
• 2. Обратный ход (падение давления) — при снижении атмосферного давления сила упругости пружины распрямляет мембрану, и стрелка отклоняется влево, сигнализируя о падении давления и возможном приближении циклона.

международный физический эталон давления атмосферы на уровне Мирового океана при температуре $0^\circ\text{C}$, соответствующий высоте столба ртути $760\text{ мм рт. ст.}$:

• 1. Соотношение основных единиц:

$$p_0 = 760\text{ мм рт. ст.} = 101\,300\text{ Па} = 1013\text{ гПа} = 101{,}3\text{ кПа}.$$

• 2. Энергетический и силовой эквивалент — нормальное давление создает силу около $101{,}3\text{ кН}$ на каждый квадратный метр поверхности (эквивалент веса груза массой свыше 10 тонн).

физическая закономерность нелинейного падения атмосферного давления по мере подъема над уровнем моря.

• 1. Величина градиента в приземном слое — при небольших высотах подъема (до $2000\text{ м}$) атмосферное давление падает в среднем на $1\text{ мм рт. ст.}$ (или на $133{,}3\text{ Па}$) на каждые $10{,}5\text{ м}$ высоты (примерно $1\text{ гПа}$ на каждые $8\text{ м}$).
• 2. Нелинейность разрежения — с увеличением высоты уменьшается не только толщина вышележащего воздушного столба, но и плотность воздуха (газ легко сжимаем, нижние слои спрессованы сильнее верхних). Поэтому выше $2000\text{ м}$ темп падения давления замедляется (на вершине Эвереста высотой $8848\text{ м}$ давление падает до $31\,500\text{ Па} \approx 236\text{ мм рт. ст.}$, то есть почти в 3 раза ниже нормы).

специализированный барометр-анероид, шкала которого проградуирована не в единицах давления (паскалях или мм рт. ст.), а непосредственно в метрах или футах высоты над уровнем моря.

• 1. Принцип действия — однозначное соответствие между падением барометрического давления и ростом геометрической высоты полета.
• 2. Сфера применения — авиация (высотомеры пилотажно-навигационных комплексов), парашютный спорт, альпинизм, геодезия и метеорология.

Французский физик, математик, механик и философ, один из основоположников гидростатики и исследователей атмосферного давления. Экспериментально доказал уменьшение атмосферного давления с высотой и создал первый водяной барометр, а в его честь названа единица давления в СИ — паскаль.

• Установил фундаментальную зависимость атмосферного давления от высоты над уровнем моря, доказав, что с подъёмом вверх толщина и плотность воздушного столба уменьшаются, вследствие чего давление падает.
• В 1646 году сконструировал знаменитый водяной барометр со стеклянной трубкой длиной свыше 10 метров, наглядно показав, что нормальное атмосферное давление удерживает столб воды высотой около 10,3 метра.
• Открытая им зависимость давления от высоты легла в основу создания барометрических высотомеров (альтиметров), а имя учёного увековечено в названии международной единицы давления — паскаль (Па).

1. Устройство барометра-анероида:

• Основной рабочий узел — герметичная металлическая коробочка (камера) с тонкими гофрированными основаниями (1), из которой глубоко откачан воздух.
• Внешняя упругая плоская пружина (2), механически прикрепленная к центру крышки коробки и предотвращающая ее сплющивание внешней атмосферой.
• Передаточный рычажный механизм (3), усиливающий микроскопические линейные деформации мембраны и пружины.
• Стрелка-указатель (4), вращающаяся вокруг оси над круговой градуированной шкалой прибора.
• Защитный корпус со стеклом и установочной контрольной стрелкой.

2. Принцип действия:

• Действие прибора основано на упругой деформации мембранной коробки под воздействием перепада давлений.
• При увеличении атмосферного давления наружный воздух сильнее сжимает коробку: гофрированная крышка прогибается внутрь и натягивает плоскую пружину. Передаточный механизм преобразует это движение во вращение стрелки вправо (в сторону больших значений шкалы).
• При уменьшении атмосферного давления сила сжатия ослабевает, плоская пружина распрямляется за счет накопленной силы упругости и вытягивает крышку коробки наружу. Передаточный механизм смещает стрелку влево (в сторону меньших значений шкалы).

Шкалы барометра-анероида градуируют по эталонному ртутному барометру одновременно в двух единицах измерения:

• В миллиметрах ртутного столба ($\text{мм рт. ст.}$) — традиционная внесистемная единица, исторически наглядная для метеорологических наблюдений (диапазон обычно от $700$ до $800\text{ мм рт. ст.}$).
• В гектопаскалях ($\text{гПа}$) или килопаскалях ($\text{кПа}$) — единицы Международной системы единиц (СИ), общепринятые в современной фундаментальной науке и метеорологии ($1\text{ гПа} = 100\text{ Па}$, диапазон шкалы обычно от $960$ до $1060\text{ гПа}$).

Уменьшение атмосферного давления с высотой обусловлено двумя фундаментальными физическими причинами:

• Уменьшение высоты столба воздуха: давление атмосферы создается силой тяжести вышележащих слоев газовой оболочки. Чем выше над уровнем моря поднимается наблюдатель или прибор, тем меньшая толщина воздушного столба остается над ним, следовательно, тем меньший суммарный вес воздуха давит на единичную площадку.
• Уменьшение плотности воздуха: воздух представляет собой сжимаемый газ. Под действием колоссального веса всей толщи атмосферы нижние приземные слои воздуха сжаты сильнее всего и обладают максимальной плотностью ($\rho \approx 1{,}29\text{ кг/м}^3$). С увеличением высоты внешнее сжатие ослабевает, слои воздуха становятся всё более разреженными, а их плотность непрерывно падает.

Сочетание убывающей высоты воздушного столба и падающей плотности приводит к закономерному нелинейному снижению атмосферного давления с высотой.

Нормальным атмосферным давлением называют атмосферное давление, равное давлению столба жидкой ртути высотой строго $760\text{ мм}$ при температуре $0^\circ\text{C}$ на уровне моря.

• В Международной системе единиц (СИ) нормальное атмосферное давление строго равно:

$$p_0 = 760\text{ мм рт. ст.} = 101\,300\text{ Па} = 1013\text{ гПа} = 101{,}3\text{ кПа}.$$

Высотомер (альтиметр) — это специализированный навигационный прибор, предназначенный для измерения высоты подъема над земной поверхностью или уровнем моря, созданный на основе конструкции барометра-анероида.

• Физическая основа: прибор использует прямую зависимость атмосферного давления от высоты над уровнем моря. Шкала высотомера непосредственно проградуирована в метрах (или футах) высоты вместо единиц давления, что позволяет экипажам воздушных судов, альпинистам и исследователям мгновенно определять свою текущую высоту.