Лекція 4 - Маса, вага, щільність і тиск pt
У цій лекції ми почнемо розглядати, як атмосферні характеристики, такі як температура повітря, тиск повітря та щільність повітря змінюються з висотою. У випадку з тиском повітря, якщо ми спочатку зрозуміємо, що таке тиск, буде легко визначити, як він змінюється при вертикальному переміщенні по атмосфері.
У лекційній версії цього класу на початку цієї теми в класі зазвичай проходять 52-дюймовий залізний пруток розміром 1 дюйм на 1 дюйм. Учням пропонується вгадати вагу бруска (вони зазвичай переоцінюють його справжню вагу). Ми повернемось до цього пізніше на лекції.
У деяких підручниках ви знайдете масу, визначену як "кількість речей" або "кількість певного матеріалу". Інші книги визначатимуть масу як інерцію або як опір змінам у русі (це випливає з другого закону руху Ньютона, про що ми розповімо пізніше в семестрі). Наступне зображення ілюструє обидва ці визначення. Cadillac та volkswagen зупинилися на перехресті. Обидва автомобілі виготовлені зі сталі. Cadillac більший і має більше сталі, більше матеріалу, більшої маси. Cadillac буде важче рухатись, ніж VW, він має більшу інерцію (Cadillac також буде важче загальмувати, коли він рухається, ніж Volkswagen).
На землі, де сила тяжіння ніколи не змінюється, будь-які три об’єкти, що мають однакову масу (навіть якщо вони мають різний об’єм і виготовлені з різних матеріалів), завжди матимуть однакову вагу. У терміні гравітаційного прискорення приховано досить багато інформації. Натисніть тут, щоб отримати докладнішу інформацію.
Об'єкт, який переноситься із Землі на Місяць, матиме однакову масу. Однак гравітаційне тяжіння між об'єктом і Місяцем менше, ніж на землі. Отже, об’єкт важить на Місяці менше, ніж на землі.
Щільність повітря в цьому класі буде часто виникати. Щільність визначається як маса, поділена на об’єм.
Повітря, яке оточує землю, має масу. Гравітація тягне вниз атмосферу, надаючи їй ваги. Галілей провів (у 1600-х роках) простий експеримент, щоб довести, що повітря має вагу.
Тиск визначається як сила, поділена на площу. Тиск повітря - це вага атмосфери над головою, поділена на площу, на якій відпочиває повітря. Атмосферний тиск визначається і говорить вам щось про вагу повітря над головою. Це один із способів, свого роду широкомасштабне представлення, розуміння тиску повітря.
У звичайних умовах стовп повітря розміром 1 дюйм на 1 дюйм, що тягнеться від рівня моря до вершини атмосфери, важить 14,7 фунта. Нормальний атмосферний тиск на рівні моря становить 14,7 фунта на квадратний дюйм (фунтів на квадратний дюйм, одиниці виміру, які ви використовуєте, коли ви наповнюєте автомобіль або велосипед шинами повітрям).
Зараз ось де заходить сталевий пруток. Сталевий пруток також важить рівно 14,7 фунта. Сталь набагато щільніший за повітря, тому сталевий пруток повинен мати висоту лише 52 дюйма, щоб мати таку ж вагу, як повітряна колонка, що становить 100 миль або більш високий. Оскільки основа штанги має розміри 1 "x 1" (1 квадратний дюйм), тиск на дно штанги становить 14,7 psi. Стоса цегли з дев'яносто чотирьох 5 фунтів цегли важила б 470 фунтів. Купа цегли набагато важча, але вона також сидить на значно більшій площі. Тиск біля основи цегляної палі склав би 470 фунтів, розділених на 32 квадратних дюйма (сторона цегли має розміри приблизно 4 х 8 дюймів) або близько 14,7 фунтів на квадратний дюйм.
Ось деякі інші часто використовувані одиниці тиску.
Типовий тиск на рівні моря становить 14,7 фунт/кв. Дюйм або близько 1000 мілібар (одиниці вимірювання, що використовуються метеорологами, і одиниці, які ми будемо використовувати в цьому класі більшу частину часу), або близько 30 дюймів ртуті (відноситься до показань на ртутному барометрі).
Кожна цегла важить 5 фунтів. На дні купи з 5 цеглин заввишки ви міряли б вагу 25 фунтів. Якщо ви підняли цеглу вгору, ви б виміряли вагу 20 фунтів, вага чотирьох цегл все ще вище. Щоб отримати тиск, вам потрібно буде розділити його на площу. Повинно бути ясно, що вага і тиск зменшаться у міру просування вгору по купі.
В атмосфері тиск на будь-якому рівні визначається вагою повітря, що все ще знаходиться над головою. Тиск зменшується із збільшенням висоти, оскільки над головою залишається все менше і менше повітря.
На висоті рівня моря, в точці 1, тиск зазвичай становить близько 1000 мб. Це визначається вагою всього (100%) повітря в атмосфері.
Деякі частини Тусона, в точці 2, знаходяться на висоті 3000 футів над рівнем моря (більша частина долини трохи нижче цієї, приблизно 2500 футів). На відстані 3000 футів близько 10% повітря знаходиться нижче, 90% все ще над головою. Саме вага 90%, що все ще перевищує, визначає атмосферний тиск у Тусоні. Якщо 100% атмосфери створює тиск 1000 мб, то 90% створює тиск 900 мб.