Измерение давления воздуха

Давление воздуха – одна из физических величин, которая влияет на прогноз погоды, самочувствие человека, работу двигателей и даже на то, закипит ли вода на горной вершине при 100 °C или при 85 °C. При этом единицы, в которых его измеряют, отличаются в разных странах и отраслях. Рассказываем, какие приборы используются для измерения давления воздуха, в каких единицах оно выражается и как перевести одни в другие.

Что такое давление воздуха

Давление воздуха – это сила, с которой атмосфера Земли давит на единицу площади поверхности. Оно создаётся весом столба воздуха высотой более 100 км, простирающегося от поверхности до верхних слоёв атмосферы.

На уровне моря стандартное атмосферное давление составляет 101 325 Па (по ГОСТ 2939-2015). Это значение, принятое за эталон для научных и инженерных расчётов. В быту его чаще записывают как 760 мм рт. ст. или 1,013 бар.

Реальное давление воздуха непостоянно – оно колеблется в зависимости от:

• высоты над уровнем моря – с подъёмом на каждые 10–12 м давление падает примерно на 1 мм рт. ст.;
• температуры – тёплый воздух легче, поэтому в жару давление снижается;
• влажности – водяной пар легче сухого воздуха, влажный воздух создаёт меньшее давление;
• географической широты – из-за вращения Земли экваториальный воздух «отбрасывается» к полюсам, формируя зоны высокого и низкого давления.

Единицы измерения давления воздуха

В разных странах и отраслях давление выражают в разных единицах. Ниже – основные и коэффициенты перевода в Паскали.

Стандартное атмосферное давление в разных единицах:

• 101 325 Па = 1 013,25 гПа = 101,325 кПа
• 760 мм рт. ст.
• 1 013,25 мбар = 1,01325 бар
• 14,696 psi

Калькулятор выше позволяет перевести давление из одних единиц в другие – просто укажите исходное значение и выберите направление перевода.

Приборы для измерения давления воздуха

Все измерительные приборы для давления делятся на три группы: жидкостные, механические и электронные.

Жидкостные барометры

Принцип основан на уравновешивании атмосферного давления давлением столба жидкости (обычно ртути).

Ртутный барометр Торричелли – классический прибор, изобретённый в 1643 году. Стеклянная трубка, запаянная сверху и заполненная ртутью, перевёрнута в чашу с ртутью. Атмосфера давит на открытую поверхность ртути в чаше, а столб ртути в трубке давит вниз. Высота столба ртути – это и есть давление в миллиметрах ртутного столба.

Плюсы: высокая точность (±0,1 мм рт. ст.), эталонный метод. Минусы: хрупкость, токсичность ртути, сложность транспортировки.

Механические (анероидные) барометры

Изобретены Люсьеном Види в 1844 году. Внутри – герметичная металлическая коробочка (анероидная капсула) с откачанным воздухом. При повышении давления стенки капсулы вдавливаются, при понижении – выпрямляются. Это движение через рычажную систему передаётся на стрелку шкалы.

Плюсы: компактность, безопасность, не требует жидкости. Минусы: требуется периодическая калибровка, точность ниже, чем у ртутного (±1–3 мм рт. ст.).

Электронные (цифровые) барометры

Используют пьезорезистивные или ёмкостные сенсоры. Мембрана сенсора деформируется под давлением, электрический сигнал преобразуется в цифровое значение.

Плюсы: высокая точность (±0,1–0,5 гПа), возможность автоматической записи данных, компактный размер. Минусы: зависимость от источника питания, дешёвые модели могут давать уход показаний со временем.

Встроенные барометры есть во многих современных смартфонах – они используются для определения этажа в навигации и в метеоприложениях.

Манометры

Манометр измеряет избыточное давление – разность между давлением в замкнутом объёме и атмосферным. Используется для контроля давления в шинах, трубопроводах, компрессорах, котлах.

Различают:

• пружинные (трубка Бурдона) – самый распространённый тип;
• мембранные – для низких давлений;
• жидкостные (U-образные манометры) – для лабораторных измерений.

Методы измерения давления воздуха

Прямые (статические) методы

Давление определяется по высоте столба жидкости. Ртутный барометр Торричелли – классический пример. Формула:

P = ρ · g · h

где ρ – плотность ртути (13 595 кг/м³), g – ускорение свободного падения (9,80665 м/с²), h – высота столба ртути в метрах.

Косвенные (динамические) методы

Давление определяется по деформации упругого элемента – мембраны, сильфона, трубки Бурдона. Анероидные барометры и манометры работают по этому принципу.

Измерение перепада давления

U-образный манометр измеряет разность давлений между двумя точками. Один конец трубки подключается к измеряемому объекту, другой – к атмосфере или эталонному давлению.

Нормальное атмосферное давление

Стандартное (нормальное) атмосферное давление принято равным 760 мм рт. ст. при температуре 0 °C на уровне моря (по ГОСТ 2939-2015). Это эталон, используемый для калибровки приборов.

В реальности давление меняется даже в пределах одного города:

Для каждого населённого пункта существует своя «норма», которая определяется средним многолетним значением. Поэтому жители Москвы при 748 мм рт. ст. чувствуют себя нормально, тогда как для жителей Петербурга это – уже заметное отклонение.

Абсолютное и избыточное давление

В физике и технике различают два вида давления:

• Абсолютное – отсчитывается от абсолютного нуля (вакуума). Барометр измеряет именно абсолютное давление: 760 мм рт. ст. = 1 атм.
• Избыточное – отсчитывается от атмосферного. Манометр в шине показывает избыточное давление: если шкала показывает 2,2 бар, абсолютное давление внутри шины равно 3,2 бар (2,2 + 1,013).

Формула связи: Pабс = Pатм + P_изб.

Практическое применение измерения давления воздуха

Метеорология. Изменение атмосферного давления – ключевой индикатор погоды. Рост давления предвещает ясную погоду (антициклон), падение – приближение циклона и осадков. Метеорологи используют гПа и мм рт. ст.

Медицина. Артериальное давление измеряют тонометром (сфигмоманометром) в миллиметрах ртутного столба. Норма для взрослого – около 120/80 мм рт. ст. Барометрическое давление влияет на самочувствие метеозависимых людей.

Автомобили. Давление в шинах измеряют манометром в барах или psi. Недостаточное давление увеличивает расход топлива и износ шин, избыточное – ухудшает сцепление с дорогой.

Альпинизм и авиация. С ростом высоты давление падает, и вода закипает при температуре ниже 100 °C. На высоте 3 000 м вода кипит при ~90 °C. Пилоты используют давление для определения высоты полёта (барометрический высотомер).

Промышленность. Контроль давления в трубопроводах, котлах, пневматических системах. Для этого используют манометры, датчики давления, вакуумметры.

Как снять показания с барометра

Чтобы получить точное значение атмосферного давления:

1. Установите барометр на высоте примерно 1,5 м от пола, вдали от окон, отопительных приборов и сквозняков.
2. Подождите 15–20 минут, пока прибор адаптируется к условиям помещения.
3. Взгляд направьте перпендикулярно шкале – чтобы избежать параллакса (смещения показаний из-за угла обзора).
4. Для ртутного барометра: отсчитывайте по шкале высоту столба ртути по верхнему мениску с точностью до 0,5 мм.
5. Для аненоидного: зафиксируйте показание стрелки, учитывая поправку, указанную в паспорте прибора.

Точность измерения зависит от качества прибора и условий: ртутный барометр даёт погрешность ±0,1 мм рт. ст., аненоидный – ±1–3 мм рт. ст.