Барометр

Механический барометр

Баро́метр (греч. baros — тяжесть + греч. metreo — измерять) — устройство, предназначенное для измерения давления воздуха в атмосфере. Кроме своего основного метеорологического использования, барометры также находят применение в области экологии (например, при оценке условий на рабочих местах) и в авиации (для расчёта высоты полёта относительно уровня моря).

История

Иcтория барометра берёт своё начало в 1643 году, когда итальянский учёный Эванджелиста Торричелли, ученик всеми известного Галилея, провёл важный эксперимент, который стал базой для понимания атмосферного давления. Он наполнил длинную стеклянную трубку ртутью и перевернул её в чашу, также заполненную ртутью. В процессе эксперимента Торричелли заметил, что уровень ртути в трубке опускается, оставляя пустое пространство в верхней части. Это пустое пространство позже получило название «торричеллиева пустота».

Торричелли сделал революционное открытие: высота столба ртути в трубке изменяется в зависимости от атмосферного давления. Это открытие стало первым количественным измерением атмосферного давления и положило начало метеорологии как науки. С помощью барометра Торричелли смог предсказать изменения погоды, что было значительным шагом вперёд в понимании климатических явлений.

В 1660-х годах два других выдающихся учёных — Блез Паскаль и Пьер Пети — продолжили исследования атмосферного давления. Они провели эксперименты на различных высотах, что позволило им установить зависимость давления от высоты. Эти исследования привели к разработке барометрической формулы, которая описывает, как атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты. Это открытие стало основой для дальнейших метеорологических исследований и дало учёным возможность более точно прогнозировать погодные условия.

С течением времени барометры претерпели множество изменений и усовершенствований. В XIX веке были созданы анероидные барометры, которые использовали металлическую коробку, чувствительную к изменениям давления, вместо ртутного столба. Эти устройства были более удобными и безопасными в использовании, что сделало их популярными среди путешественников и исследователей. Анероидные барометры работали на основе изменения формы металлической мембраны при изменении давления, что позволяло легко считывать показания.

Современные технологии привели к созданию электронных барометров, которые используют различные датчики для измерения атмосферного давления. Пьезорезистивные и ёмкостные датчики позволяют получать более точные и быстрые измерения, что делает электронные барометры незаменимыми инструментами в метеорологии, авиации и других областях. Они используются в метеостанциях, самолётах и даже в некоторых бытовых приборах.

Виды барометров

Барометры по принципу действия бывают:

• жидкостный барометр;
• ртутный барометр;
• барометр-анероид;
• электронный барометр;
• барограф.

Принцип работы

Барометр служит для определения атмосферного давления, которое коррелирует с количеством и плотностью молекул, присутствующих в воздухе. Это давление оказывает влияние на земную поверхность и на все предметы, находящиеся на ней, формируя вес столба воздуха, высота которого достигает границ атмосферы.

Ртутный барометр

Принцип действия основан на уравновешивании давления атмосферы и давления столба ртути в герметичной трубке. Один конец трубки открыт и погружён в резервуар с ртутью. Атмосферное давление «давит» на поверхность ртути в резервуаре, поднимая её в трубке на определённую высоту. Чем выше давление, тем выше поднимается ртуть. Показания измеряются в миллиметрах ртутного столба или в более современной единице — гектопаскалях. Несмотря на свою точность, ртутные барометры требуют осторожного обращения из-за токсичности ртути и достаточно громоздки.

Анероидный барометр

В основе его работы лежит чувствительная металлическая мембрана — тонкая, гофрированная коробочка, из которой откачан воздух. Изменение атмосферного давления вызывает её сжатие или расширение. Эти микроскопические движения, через систему рычагов и пружин, преобразуются в перемещение стрелки по циферблату, отображая текущее давление. Отсутствие ртути делает анероидные барометры портативными и удобными для использования в различных условиях — от полевых исследований до домашнего использования.

Электронные барометры

Преобразуют механическое воздействие атмосферного давления в электрический сигнал. Этот сигнал обрабатывается микропроцессором, обеспечивающим высокую точность измерения и дополнительные функции, такие как отображение температуры, высоты над уровнем моря и прогнозирование погоды. Электронные барометры широко применяются в автоматизированных метеостанциях, в навигационных приборах, смартфонах и других современных гаджетах, обеспечивая непрерывный мониторинг атмосферного давления.

Барограф

Представляет собой систему, в которой несколько анероидных ячеек объединены для повышения чувствительности. Их совместное движение передаётся на пишущее перо, которое оставляет след на вращающемся барабане с диаграммой. Часовой механизм обеспечивает равномерное вращение барабана, позволяя получать график изменения давления за определённый период — от нескольких часов до нескольких дней. 

Применение

Барометры находят применение в следующих сферах:

• Метеорология. Барометр является важнейшим прибором в области метеорологии, так как колебания атмосферного давления прямо связаны с изменением погоды. Увеличение давления зачастую предвещает ясные и хорошие погодные условия, в то время как его падение обычно сигнализирует о возможности осадков и ухудшении ситуации. Метеорологи применяют данные, полученные от барометров, для составления прогнозов на короткие и длительные сроки, а также для предупреждения о возможных штормах и циклонах.
• Альпинизм и спорт. Для альпинистов и туристов барометр также представляет собой важный инструмент, так как на высоте давление атмосферы снижается. Определяя высоту, спортсмены могут более эффективно планировать свои маршруты и следить за самочувствием. В некоторых случаях барометры интегрированы в спортивные гаджеты, что позволяет следить за изменениями давления и предсказывать изменения погоды.
• Морское и авиационное дело. На борту кораблей и самолётов барометры играют важную роль, помогая капитанам и пилотам избежать неблагоприятных метеорологических условий. Знание текущего атмосферного давления позволяет скорректировать маршрут, определить высоту полёта, а в авиации также поддерживать давление в кабине.
• Медицина. Барометры полезны и в области медицины, поскольку колебания давления могут сказываться на здоровье человека. Некоторые медицинские приборы используют информацию о давлении для функционирования и исследований, а также для предупреждения людей, чувствительных к изменениям давления.
• Научные исследования. Учёные применяют барометры для анализа атмосферного давления в различных условиях и регионах. Это содействует пониманию климатических изменений и процессов в атмосфере.
• Промышленность. В ряде промышленных процессов, например, в нефтегазовой отрасли, барометры служат для мониторинга давления в резервуарах и системах.
• Повседневная жизнь. Люди используют барометры в домашних условиях или в устройствах, таких как смартфоны и погодные станции, для оценки текущей погоды.