Cursul 4 - Masă, greutate, densitate și presiune pt
În această prelegere vom începe să analizăm modul în care caracteristicile atmosferice, cum ar fi temperatura aerului, presiunea aerului și densitatea aerului se schimbă cu altitudinea. În cazul presiunii aerului, dacă înțelegem mai întâi ce este presiunea, va fi ușor să determinăm cum se schimbă pe măsură ce vă deplasați vertical prin atmosferă.
În versiunea de curs a acestei clase, o bară de fier de 52 inch lungime, 1 inch pe 1 inch este de obicei trecută în clasă la începutul acestui subiect. Elevii sunt rugați să ghicească greutatea barei (în general, supraestimează adevărata sa greutate). Vom reveni la acest lucru mai târziu în curs.
În unele manuale veți găsi masa definită ca „cantitate de lucruri” sau „cantitate dintr-un anumit material”. Alte cărți vor defini masa ca inerție sau ca rezistență la schimbarea mișcării (aceasta provine din a doua lege a mișcării lui Newton, ceva ce vom acoperi mai târziu în semestru). Imaginea următoare ilustrează ambele definiții. Un Cadillac și un Volkswagen s-au blocat amândoi într-o intersecție. Ambele mașini sunt fabricate din oțel. Cadillac este mai mare și are mai mult oțel, mai multe lucruri, mai multă masă. Cadillac se va mișca mai greu decât VW, are o inerție mai mare (Cadillac ar fi, de asemenea, mai greu de încetinit, odată ce se mișcă, decât Volkswagen).
Pe pământul unde atracția gravitației nu se schimbă niciodată, orice trei obiecte care au toate aceeași masă (chiar dacă au volume diferite și sunt realizate din materiale diferite) ar avea întotdeauna aceeași greutate. Există destul de puține informații ascunse în termenul de accelerație gravitațională. Faceți clic aici pentru mai multe detalii.
Un obiect transportat de pe pământ pe lună va avea aceeași masă. Cu toate acestea, atracția gravitațională dintre obiect și lună este mai mică decât pe pământ. Deci obiectul cântărește mai puțin pe lună decât pe pământ.
Densitatea aerului va crește frecvent în această clasă. Densitatea este definită ca masa împărțită la volum.
Aerul care înconjoară pământul are masă. Gravitația trage în jos atmosfera dându-i greutate. Galileo a efectuat (în anii 1600) un experiment simplu pentru a demonstra că aerul are greutate.
Presiunea este definită ca forța împărțită la suprafață. Presiunea aerului este greutatea atmosferei aeriene împărțită la aria pe care se sprijină aerul. Presiunea atmosferică este determinată de și vă spune ceva despre greutatea aerului deasupra capului. Aceasta este o modalitate, un fel de reprezentare la scară largă, de a înțelege presiunea aerului.
În condiții normale, o coloană de aer de 1 inch cu 1 inch care se întinde de la nivelul mării până la vârful atmosferei va cântări 14,7 kilograme. Presiunea atmosferică normală la nivelul mării este de 14,7 lire pe inch pătrat (psi, unitățile pe care le folosiți atunci când vă umpleți anvelopele pentru mașină sau bicicletă cu aer).
Iată unde intră bara de oțel. Bara de oțel cântărește exact 14,7 kg Oțelul este mult mai dens decât aerul, așa că o bară de oțel trebuie să aibă o înălțime de doar 52 de centimetri pentru a avea aceeași greutate ca o coloană de aer care este de 100 mile sau mai mare. Deoarece baza barei are dimensiuni de 1 "x 1" (1 inch pătrat), presiunea din partea de jos a barei este de 14,7 psi. Un teanc de nouăzeci și patru de cărămizi de 5 lire ar cântări 470 de lire sterline. Grămada de cărămizi este mult mai grea, dar este așezată și pe o zonă mult mai mare. Presiunea la baza grămezii de cărămidă ar fi de 470 de lire sterline împărțită la 32 de inci pătrate (latura unei cărămizi are dimensiuni de aproximativ 4 x 8 inci) sau aproximativ 14,7 psi.
Iată câteva dintre celelalte unități de presiune utilizate în mod obișnuit.
Presiunea tipică a nivelului mării este de 14,7 psi sau aproximativ 1000 de milibari (unitățile utilizate de meteorologi și unitățile pe care le vom folosi în această clasă de cele mai multe ori) sau aproximativ 30 de centimetri de mercur (se referă la citirea pe un barometru de mercur).
Fiecare cărămidă cântărește 5 kilograme. În partea de jos a teancului înalt de 5 cărămizi ai măsura o greutate de 25 de lire sterline. Dacă mutați o cărămidă în sus, ați măsura o greutate de 20 de lire sterline, greutatea celor patru cărămizi aflate încă deasupra. Pentru a obține presiunea, ar trebui să împărțiți la zonă. Ar trebui să fie clar că greutatea și presiunea vor scădea pe măsură ce urcați grămada.
În atmosferă, presiunea la orice nivel este determinată de greutatea aerului încă deasupra capului. Presiunea scade odată cu creșterea altitudinii, deoarece rămâne din ce în ce mai puțin aer peste cap.
La altitudinea nivelului mării, la punctul 1, presiunea este în mod normal de aproximativ 1000 mb. Aceasta este determinată de greutatea tuturor (100%) aerului din atmosferă.
Unele părți din Tucson, la punctul 2, sunt la 3000 de picioare deasupra nivelului mării (cea mai mare parte a văii este puțin mai mică decât aceasta, în jur de 2500 de picioare). La 3000 ft. aproximativ 10% din aer este sub, 90% este încă deasupra capului. Greutatea celor 90% care este încă deasupra determină presiunea atmosferică în Tucson. Dacă 100% din atmosferă produce o presiune de 1000 mb, atunci 90% va produce o presiune de 900 mb.