Ciśnienie atmosferyczne

Wstęp — czy powietrze coś waży?

Wyobraź sobie, że nabierasz do płuc dużo powietrza. Nic nie ważysz więcej, prawda? A jednak powietrze ma masę i naciska na wszystko dookoła — także na Ciebie, przez cały czas!

Nad Twoją głową znajduje się gruba warstwa powietrza, wysoka na kilkadziesiąt kilometrów. Nazywamy ją atmosferą. To całe powietrze jest przyciągane przez Ziemię i swoim ciężarem naciska na wszystko, co jest niżej.

W tej lekcji dowiesz się:

• czym jest ciśnienie i jak je obliczamy,
• dlaczego powietrze naciska na nas ze wszystkich stron,
• ile właściwie wynosi ciśnienie atmosferyczne,
• dlaczego bolą uszy w górach i w samolocie.

Co to jest ciśnienie?

Zacznijmy od prostego doświadczenia. Naciśnij palcem na stół — nic się nie dzieje. A teraz naciśnij tym samym palcem na ostro zatemperowany ołówek. Aj! Boli, choć siła jest podobna.

Różnica jest w powierzchni. Ta sama siła rozłożona na maleńkim czubku ołówka działa dużo mocniej niż rozłożona na szerokiej opuszce palca.

Ciśnienie mówi, jak mocno siła naciska na jednostkę powierzchni. Im mniejsza powierzchnia, tym większe ciśnienie.

Zapisujemy to wzorem:

$$p = \frac{F}{S}$$

Objaśnijmy każdy symbol:

Jednostkę ciśnienia nazywamy paskalem (skrót $\text{Pa}$) — na cześć uczonego Blaise'a Pascala. Jeden paskal to bardzo małe ciśnienie: to siła 1 niutona rozłożona na całym metrze kwadratowym:

$$1 \ \text{Pa} = 1 \ \frac{\text{N}}{\text{m}^2}$$

Rys. 1. Ta sama siła na małej powierzchni daje duże ciśnienie, a na dużej powierzchni — małe.

Skąd bierze się ciśnienie atmosferyczne?

Powietrze to mieszanina gazów. Choć wydaje się „niczym", ma masę. Słup powietrza nad każdym metrem kwadratowym ziemi waży tyle, ile duży samochód ciężarowy!

Cała atmosfera jest przyciągana przez Ziemię i swoim ciężarem naciska na wszystko pod sobą. To naciskanie nazywamy ciśnieniem atmosferycznym.

Ciśnienie atmosferyczne to ciśnienie, jakie wywiera na nas słup powietrza sięgający od powierzchni Ziemi aż po granicę atmosfery.

Co ważne — powietrze naciska ze wszystkich stron naraz: z góry, z dołu i z boków. Dlatego nas nie zgniata: naciskamy „od środka" tak samo mocno, jak powietrze naciska na nas z zewnątrz.

Rys. 2. Nad każdym z nas wznosi się słup powietrza. Naciska on ze wszystkich stron jednocześnie.

Ile wynosi ciśnienie atmosferyczne?

Na poziomie morza ciśnienie atmosferyczne wynosi około:

$$p_0 \approx 1000 \ \text{hPa} = 100\,000 \ \text{Pa}$$

Skrót $\text{hPa}$ oznacza hektopaskal, czyli 100 paskali (właśnie w hektopaskalach podaje ciśnienie prognoza pogody!). Zapamiętaj:

$$1 \ \text{hPa} = 100 \ \text{Pa}$$

To ogromny nacisk: na każdy centymetr kwadratowy Twojej skóry powietrze naciska z siłą około 10 niutonów — czyli tak, jakby na paznokciu leżał kilogramowy ciężarek. Na całe ciało powietrze naciska z siłą kilkunastu ton! Nie czujemy tego tylko dlatego, że nasze ciało napiera z równą siłą na zewnątrz.

Doświadczenie: szklanka z kartką

Oto klasyczny pokaz, że powietrze naciska także do góry:

1. Napełnij szklankę wodą po brzegi.
2. Przykryj ją sztywną kartką papieru.
3. Przytrzymaj kartkę dłonią i odwróć szklankę do góry dnem.
4. Zabierz dłoń.

Woda nie wylewa się! Kartka trzyma się szklanki, choć ciągnie ją w dół i woda, i siła ciężkości. Dlaczego? Bo powietrze naciska na kartkę od dołu do góry mocniej, niż woda naciska w dół.

Rys. 3. Ciśnienie atmosferyczne naciska kartkę od dołu i nie pozwala wodzie się wylać.

Jak ciśnienie zmienia się z wysokością?

Im wyżej się wznosimy, tym mniej powietrza jest nad nami — słup powietrza staje się krótszy i lżejszy. Dlatego wysoko w górach albo w samolocie ciśnienie jest mniejsze niż na dole.

To dlatego w górach i podczas startu samolotu czasem zatykają się uszy: ciśnienie na zewnątrz spada szybciej niż w środku ucha, więc bębenek jest wypychany na zewnątrz. Gdy przełkniemy ślinę lub ziewniemy, ciśnienia się wyrównują i słyszymy „strzyknięcie".

Zadania krok po kroku

Zadanie 1

Klocek naciska na podłogę siłą 20 N. Jego dolna ścianka ma pole powierzchni 0,5 m². Jakie ciśnienie wywiera klocek na podłogę?

Krok 1. Wypisujemy dane:

• siła nacisku: $F = 20 \ \text{N}$
• pole powierzchni: $S = 0{,}5 \ \text{m}^2$

Krok 2. Zapisujemy wzór:

$$p = \frac{F}{S}$$

Krok 3. Podstawiamy liczby:

$$p = \frac{20}{0{,}5} = 40 \ \text{Pa}$$

Odpowiedź: Klocek wywiera ciśnienie $40 \ \text{Pa}$.

Zadanie 2

Prognoza pogody podaje ciśnienie 1013 hPa. Ile to paskali?

Krok 1. Pamiętamy, że $1 \ \text{hPa} = 100 \ \text{Pa}$.

Krok 2. Mnożymy przez 100:

$$1013 \cdot 100 = 101\,300 \ \text{Pa}$$

Odpowiedź: To $101\,300 \ \text{Pa}$.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Powietrze nic nie waży." Nieprawda! Powietrze ma masę — 1 metr sześcienny powietrza waży około 1,3 kg. Cała atmosfera naciska na nas z ogromną siłą.
2. „Ciśnienie atmosferyczne działa tylko z góry." Nieprawda! Powietrze naciska ze wszystkich stron jednocześnie — także z boków i od dołu.
3. „Im wyżej, tym większe ciśnienie." Odwrotnie! Im wyżej, tym mniej powietrza nad nami, więc ciśnienie maleje.
4. „Ciśnienie to to samo co siła." Nie. Ciśnienie mówi, jak siła rozkłada się na powierzchni. Ta sama siła może dać duże albo małe ciśnienie — zależnie od pola powierzchni.

Podsumowanie

• Ciśnienie to siła nacisku przypadająca na jednostkę powierzchni: $p = \frac{F}{S}$.
• Jednostką ciśnienia jest paskal ($1 \ \text{Pa} = 1 \ \frac{\text{N}}{\text{m}^2}$); pogodę podaje się w hektopaskalach ($1 \ \text{hPa} = 100 \ \text{Pa}$).
• Ciśnienie atmosferyczne to nacisk słupa powietrza; na poziomie morza wynosi około 1000 hPa.
• Powietrze naciska ze wszystkich stron, dlatego nas nie zgniata.
• Im wyżej, tym ciśnienie mniejsze — stąd zatykanie uszu w górach i samolocie.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i przekonaj się, ile zapamiętałeś — wzór $p = \frac{F}{S}$, zamiana hektopaskali na paskale oraz nacisk powietrza ze wszystkich stron i spadek ciśnienia z wysokością: Ciśnienie atmosferyczne — sprawdź się.

Dalsza lektura

• Ciśnienie cieczy — dlaczego nurek czuje nacisk wody?
• Prawo Pascala — jak jednym palcem podnieść samochód?
• Siła ciężkości — dlaczego powietrze w ogóle naciska w dół?