ГДЗ по физике, 7 класс, Белага, номер 35.3: Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли

В классическом опыте Торричелли стеклянная трубка длиной около 1 м заполняется ртутью и переворачивается в чашку с той же жидкостью. Ртуть опускается до уровня примерно 760 мм, оставляя сверху вакуум (торричеллиева пустота). Это происходит потому, что сила тяжести притягивает ртуть вниз, а атмосферное давление удерживает её в трубке на определённой высоте.

Ключевым фактором здесь является наличие атмосферного давления . Без внешнего давления воздух не сможет уравновесить вес столба жидкости.

Орбитальная космическая станция находится в условиях невесомости и, что более важно для данного вопроса, в условиях вакуума за пределами корпуса станции. Внутри станции поддерживается искусственная атмосфера с давлением, близким к нормальному (101325 Па или 760 мм рт. ст.), чтобы экипаж мог дышать.

Однако опыт Торричелли обычно проводится на открытом воздухе или в лаборатории, где измеряется именно внешнее атмосферное давление. Если мы попробуем провести опыт внутри станции, то измерим внутреннее давление, которое создаётся системами жизнеобеспечения, а не естественной атмосферой планеты.

Но есть и другой аспект: в состоянии невесомости жидкость не имеет веса в привычном понимании. Гидростатическое давление P=ρgh зависит от ускорения свободного падения g. На орбите эффективная перегрузка равна нулю (g_eff→0).

Даже если предположить, что внутри станции есть нормальное атмосферное давление, проведение опыта сталкивается с проблемой невесомости. В обычных условиях ртуть под действием силы тяжести стремится вылиться из трубки, пока её вес не уравновесится давлением воздуха. В невесомости сила тяжести не прижимает ртуть к дну трубки.

Из-за отсутствия веса столбик ртути не будет опускаться. Более того, под действием сил поверхностного натяжения и адгезии ртуть может либо остаться в трубке целиком, либо образовать шарообразные капли, плавающие в пространстве, если трубка открыта. Классический механизм измерения высоты столба h, пропорциональной давлению, перестает работать, так как нет направления «вниз», относительно которого можно было бы измерять высоту.

Провести опыт Торричелли в его классическом виде на орбитальной станции невозможно по двум причинам:

• Отсутствие внешней атмосферы: За бортом станции вакуум, поэтому там нечего измерять барометром такого типа (давление равно нулю, ртуть испарится или замерзнет в зависимости от температуры).
• Невесомость: Внутри станции, даже при наличии искусственной атмосферы, отсутствие силы тяжести нарушает принцип работы барометра. Жидкость не формирует устойчивый столбик, высота которого зависела бы от давления, так как формула P=ρgh дает P=0 при g=0 для любого конечного h, либо требует бесконечной высоты для ненулевого давления, что физически нереализуемо в замкнутой системе без учета капиллярных эффектов, которые искажают результат.