Барометр в телефоне и смарт-часах для «чайников». как он работает и для чего нужен?

Содержание:

Что такое давление
Что такое барометр?
Разновидности
- Ртутные
- Жидкостные
- Механические
- Цифровые
Как измерить высоту здания с помощью барометра
Настройка прибора
Как пользоваться барометром?
Атмосферное давление и его измерение
Что такое давление
Типы
Разновидности
Как используют?
Лучшие приложения-барометры
- Для Андроид
- Для Android и iOS
- Для iOS
Виды барометров
- Ртутные барометр
- Жидкостный барометр
- Механический бараметр (анероид)
- Электронный барометр
Лучшие приложения-барометры
- Для Андроид
- Для Android и iOS
- Для iOS
Развитие идеи
На что еще стоит обратить внимание
В чём измеряют давление
Устройство
Барометр-анероид
Что мы узнали?
- Почему на Земле существует атмосфера, а на Луне — нет?
Влияние атмосферного давления на поведение рыбы

Что такое давление

Земная атмосфера чрезвычайно нестатична. Потоки тёплого воздуха, поднимаясь вверх, выдавливают ближе к поверхности остывшие, более плотные, массы газов и водяного пара. Так как нагрев различных участков Земли не одинаков, поднятие в стратосферу одних воздушных масс вызывает приток на их место других, из нижних слоёв. Таким образом, над конкретной точкой земной поверхности в данный момент времени всегда находятся воздушные массы разной температуры, влажности и состава, что вызывает, естественно, и постоянное изменение атмосферного давления.

Так что же измеряет барометр-анероид и какова природа давления? Всё дело в том, что молекулы газа – весьма подвижные частицы. Они находятся в постоянном хаотическом движении (его принято называть «броуновским» по фамилии открывателя данного явления).

На рисунке показано некое ограниченное пространство, внутри которого присутствуют молекулы газа. Они не находятся в состоянии покоя. Двигаясь, отскакивая друг от друга они бомбардируют стенки и дно цилиндра, поршень. Если повысить температуру внутри цилиндра, частички газа ускорятся, их удары станут сильнее – давление возрастёт. Можно сжать газ, приложив усилие к поршню, – расстояние между молекулами станет меньше, их столкновения как друг с другом, так и о стенки цилиндра чаще – снова рост давления.

Что такое барометр?

Барометром называют прибор, измеряющий атмосферное давление. Над поверхностью Земли расположен слой атмосферы толщиной в несколько десятков километров. Смесь газов, составляющая атмосферу, хотя и отличается небольшим весом, но в таких огромных количествах все же оказывает на земную поверхность определенное давление. Мы не замечаем его, так как наши организмы к нему хорошо приспособлены, однако величину атмосферного давления можно измерить.

Первые измерения давления атмосферы выполнялись с помощью очень простого измерительного прибора – тонкой стеклянной трубки, в которую была залита ртуть. Допустим, толщина трубки – 1 миллиметр, а длина – ровно 1000 миллиметров, или 1 метр.

Если опрокинуть трубку запаянным концом вертикально вверх, а открытым книзу, то часть ртути вытечет, а некоторое количество останется внутри. Ртуть будет вытекать, пока давление внутри трубки и снаружи не уравновесится. Если измерить высоту столбика ртути в трубке, эту величину можно условно считать величиной давления атмосферы. Для нормальных погодных условий она составляет 760 миллиметров ртутного столба – это и есть показания ртутного барометра. В качестве жидкости, заполняющей трубку, можно использовать воду, спирт и т.д., но общепринятым является использование ртути.

Более удобным и точным в показаниях является так называемый барометр-анероид, или безводный барометр. Измерение давления в нем происходит с помощью запаянной коробки из тонкой жести, из которой откачана часть воздуха.

Под действием атмосферного давления стенки коробки прогибаются и растягивают или сжимают пружину, к другому краю которой прикреплена стрелка. Циферблат показывает, на какую величину изменилось давление атмосферы по сравнению с базовыми показателями.

Разновидности

Со времен изобретения первого барометра прошло более 200 лет. За это время люди изобрели несколько разновидностей этого устройства. Каждый отличается по своей конструкции и методу проведения измерений.

Ртутные

Подобные приборы не намного изменились со дня своего изобретения. В их конструкцию входит:

Стеклянная колба, заполненная ртутью. Колба длиной от 80 до 100 сантиметров.
Чаша, в которой размещается колба.

Основной особенностью конструкции является то, что для работы прибора, колба со ртутью должна помещаться в чашу дном вверх. Это позволяет вытекать жидкому металлу при повышении давления и заполнять колбу при незначительном снижении.

Ртутные модели обладают самой высокой точностью. Основным недостатком является крайняя токсичность жидкого металла и его паров.

Жидкостные

После признания ртутных моделей опасными, были придуманы жидкостные аналоги этого устройства. Прибор состоит из двух сообщающихся сосудов. В одном находится жидкость, а другой является шкалой для визуального контроля давления. При повышении параметров давления окружающей среды, жидкость расширяется, а уровень в сосуде-шкале увеличивается. При изменении в меньшую сторону, уровень уменьшается.

В качестве жидкости, для заполнения прибора, используется масло или глицерин. Основным недостатком подобных устройств является низкая точность. Предсказать погоду становится сложно, по причине влияния температуры окружающего воздуха на жидкость в сосуде.

Механические

Самый популярный и распространенный тип. Устройство представляет собой прибор, очень схожий с настенными часами. Для контроля измерений используется циферблат со стрелкой. Циферблат размечен цифровыми уровнями параметров атмосферного давления. Для простоты указаны уровни: солнечной, дождливой и облачной погоды.

Принцип действия механических моделей основан на воздействии давления на ровную поверхность. Прибор оснащен коробочкой из тонкого металла, внутри которой создан вакуум. При воздействии высокого атмосферного давления, стенка коробочки прогибается. Механизм улавливает это изменение и сдвигает стрелку циферблата на определенный градус. При снижении давления, стенка коробочки выпрямляется, что приводит к изменению положения стрелки.

Подобные барометры называют также анероидами. Они способны максимально точно измерять атмосферное давление. Единственным недостатком является хрупкость механизма.

Цифровые

Данный тип барометров можно также отнести к разновидности анероидных устройств. Отличием является наличие электронного датчика или мембраны, которая реагирует на изменение состояния стенок коробочки. Для повышения точности устройства оснащаются несколькими анероидами.

Цифровые барометры оснащаются электронным жидкокристаллическим табло для контроля результатов измерений. Владельцу нет необходимости разбираться в тонкостях параметров. Прибор выдает результаты в виде цифровых данных, а также в виде картинок или звуковых оповещений.

Подобные барометры также оснащаются термометрами, часами, календарем, оповещают о времени восхода и заката. Эти устройства не нуждаются в настройках, все измерения делаются в автоматическом режиме.

Как измерить высоту здания с помощью барометра

В известной истории рассказывается о различных способах измерения высоты здания с помощью барометра: используя его как массу для отвеса или как маятник , собственная частота которого будет измеряться, как масса для измерения времени падения, как товар. подкупить охрану здания… «Ожидаемая реакция» (измерение разницы давлений между дном и верхом) упоминается только в последнюю очередь.

Эта история была опубликована в Reader’s Digest в 1958 году и со временем превратилась в якобы реальный анекдот, приписываемый Нильсу Бору , став современной легендой . Возникает вопрос, не является ли использование этого известного человека способом превратить забавный анекдот в брошюру против «жесткости школьного образования» в противоположность «творчеству».

Настройка прибора

Чтобы настроить модель, нужно точно знать значение давления в данной местности в текущий момент времени. Его можно выяснить в ближайшей метеостанции или из погодной сводки. Еще один вариант – провести сверку с точным ртутным барометром.

При разнице показаний устройство потребуется откалибровать. Сзади нужно отыскать регулировочный винт и, закручивая или ослабляя его, установить на приборе нужные показания.

Если винта нет, калибровка выполняется поворотом циферблата по отношению к стрелкам. Заглянув в инструкцию по эксплуатации, можно найти детальные указания по регулировке прибора.

Как пользоваться барометром?

Имея дома простую модель барометра, можно легко узнать показатели атмосферного давления на текущий момент. Следует посмотреть на стрелку измерителя: на какую величину она указывает, она и будет показателем давления. Также шкала имеет дополнительные уточнения, указывающие на штормовые явления, ясную погоду, переменную облачность, дожди, сухость и т. д.

У некоторых приборов в наличии две указательные стрелки. Одна самостоятельно передвигается за счет изменения давления на связанную с ней коробочку, другая находится в неподвижном состоянии, и ею можно руководить самостоятельно. Она является неким «предсказателем» на ближайшее время. Если ее совместить с ведущей стрелкой, то через несколько минут можно понять, давление будет падать или расти. Указательная стрелка будет отклоняться вверх или вниз.

Очень важно знать, как пользоваться барометром, метеозависимым людям, так как они чувствительны к состоянию погоды. Перед изменениями климатических условий давление начинает менять показания. Отслеживая эту перемену, можно заранее подготовиться

Отслеживая эту перемену, можно заранее подготовиться.

Атмосферное давление и его измерение

Температурные условия на Земле таковы, что некоторые вещества находятся в газообразном состоянии и образуют атмосферную оболочку планеты. Земного притяжения достаточно, чтобы удерживать её от рассеивания в космическом пространстве, в отличие, скажем, от Луны. Кроме того, верхние слои атмосферы давят на нижние, это и является причиной появления атмосферного давления.

Впервые атмосферное давление было измерено Э. Торричелли в XVII в. Для этого была взята запаянная с одного конца стеклянная трубка, наполненная ртутью. Если опустить открытый конец трубки в чашку с ртутью, подняв запаянный конец вверх, ртуть в трубке опустится приблизительно до высоты 760 мм. В запаянном конце трубки над ртутью при этом появится пустота, названная торричеллиевой.

Рис. 1. Торричеллиева пустота

Из курса физики 7 класса известно, что ртуть в трубке имеет такую высоту, чтобы уравновешивать давление воздуха, следовательно, давление можно выражать в единицах высоты ртутного столба и измерять с помощью обычной линейки. Такой прибор, состоящий из трубки с ртутью и линейки, называется ртутным барометром.

Ртуть можно заменить любой другой жидкостью, в том числе водой. Однако вода в 13,5 раз легче ртути, а значит, и столб её в трубке будет во столько же раз выше и составит около 10 м. Измерять высоту такого столба неудобно, но такие барометры также существуют.

Рис. 2. Водяной барометр

Что такое давление

Так что же измеряет барометр-анероид и какова природа давления? Всё дело в том, что молекулы газа – весьма подвижные частицы. Они находятся в постоянном хаотическом движении (его принято называть “броуновским” по фамилии открывателя данного явления).

Типы

В основном мы различаем:

ртутный барометр (или «барометр с ртутной колонкой», «барометр Торричелли»): атмосферное давление уравновешивается ртутным столбиком, увенчанным замкнутым и пустым пространством. Он был изобретен Евангелистой Торричелли в 1643 году ;
водяные барометры: произведены в 1792-93 гг., они очень неточные, обычно используются в декоративных целях;
газовые барометры: созданные в 1818 году Александром Ади , они используют изменение объема определенного объема газа под действием колебаний атмосферного давления;
Барометр-анероид: созданный Люсьеном Види в 1844 году, а затем переданный Эженом Бурдоном в 1849 году , атмосферное давление действует на металлический корпус, герметично закрытый и частично лишенный воздуха. Это упруго деформируется, и механическая система усиливает движения, возникающие в результате колебаний давления, чтобы сделать их видимыми на циферблате или записать на полосе миллиметровой бумаги; он менее точен, чем ртутный барометр;
электронные барометры: они переводят деформации вакуумной капсулы в цифровые значения, избегая использования движущихся частей классического барометра-анероида.

Разновидности

Впервые этот прибор был описан в 1644 г. учёным из Италии Эванджелистом Торричелли. Этим приспособлением оказался первый барометр на ртути (жидкостный), измерения значений в котором производились в соответствии с высотой столба ртути. Схема такого приспособления очень проста. Стеклянный столб имеет запаянный верх, а его низ погружен в ёмкость со ртутью. Во время проведения эксперимента на улице была очень хорошая и ясная погода. Тогда столбик ртути замер на высоте в 760 мм, что впоследствии и было принято за оптимальный показатель.

Ртутные модели применяются в наше время на метеорологических станциях, поскольку имеют высокую точность, а вместе с ней недостатки в виде небезопасности, хрупкости конструкции и громоздкости.

В 1844 г. инженер из Франции Люсьен Види, основываясь на работах физика и математика Готфрида Вильгельма Лейбница из Германии, создал другой тип барометра, работающего без жидкостей. В дальнейшем этот «безжидкостный» прибор получил название барометр-анероид.

Существует 4 вида подобных устройств:

жидкостный – в этом приборе применяется принцип выравнивания массы столба жидкости с окружающим его давлением;
ртутный – замер давления атмосферы происходит благодаря высоте столба ртути с прикреплённой к нему шкалой;
барометр-анероид – приспособление функционирует по принципу изменений размера коробки с разряженной средой внутри, под влиянием давления атмосферы изменяется её размер;
электронный барометр – этот подвид барометра использует преобразования изменений коробки барометра-анероида в цифровой сигнал либо при помощи тензопреобразователя, который очень чувствителен, и изменение давления атмосферы воспринимается как деформация, а также изменение сопротивления.

Рассмотрим модели барометров-анероидов.

БАММ-1. Это устройство предназначено для замера атмосферного воздействия, находясь на земле и в помещениях. Этот вид внесён в Госреестр измерительных приборов и может применяться для проверки рабочих мест.

Как используют?

Существует следующий порядок, как измерить давление атмосферы барометром с ртутью:

перед тем как приступить к отсчету, рекомендуется постучать пальцем по стеклянной трубке прибора так, чтобы слева и справа от мениска (искривленной поверхности жидкости) появились треугольные просветы;
вращая ручку настройки, надо подвести вспомогательную шкалу сверху до касания ее срезов вершины поверхности ртути в трубке;
произвести измерение давления атмосферы с точностью до 0,1 деления шкалы.

Снижение показателей атмосферного давления указывает на ухудшение погоды, повышение – на улучшение. Если давление внезапно падает, это предвещает грозу или шторм. Стабильные показатели указывают на прекращение осадков, ослабление ветров и улучшение погоды. В зимний период высокое атмосферное давление предсказывает заморозки, низкое – потепление и дождь; летом высокие показатели предвещают жару, а низкие – прохладу и ненастье.

Ртутные чашечные барометры крайне редко используются в быту, так как ртуть – это опасный яд для организма человека, а конструкция прибора слишком громоздка. Такой вид барометра применяется, как правило, в лабораториях, на научных метеорологических станциях, в промышленности в связи с тем, что он точнее любых других типов барометров.

Принцип работы ртутного барометра смотрите далее.

Лучшие приложения-барометры

Чтобы «превратить» телефон в полноценный измерительный прибор, не хватает самой малости – приложения, которое сымитирует его работу. Таких приложений немало, и основная их масса доступна бесплатно. Ниже неполный перечень наиболее удобных, красивых и наглядных, на мой взгляд.

Для Андроид

– стильно оформленное приложение + виджет на рабочий стол. Функционирует не хуже настоящего профессионального прибора. Использует показатели датчиков давления, GPS и данные ближайших к вам метеостанций. Отображает показатели в гекто-Паскалях (hPa) и дюймах ртутного столба (INhg). Дополнительно показывает температуру и влажность воздуха. Сохраняет историю измерений.

. Показывает местное и среднее (по уровню моря) атмосферное давление. Получает информацию как с датчиков телефона, так и с метеостанции ближайшего к вам аэропорта. Поддерживает возможность калибровки бародатчика. Ведет автоматическую запись показателей через заданные промежутки времени. Отображает результаты в разных единицах измерения – hPa, INhg, мм. ртутного столба и других.

Для Android и iOS

Plus. Помимо атмосферного давления, изменяет температуру и влажность воздуха (если это функции поддерживает телефон). Ведет историю и уведомляет пользователя об изменениях показателей. Получает и анализирует информацию с датчиков устройства и ближайших метеостанций. Поддерживает множество единиц измерений. Имеет функцию калибровки сенсора и набор красивых тем оформления.

Для iOS

. Отображает показатели атмосферного давления, влажности, скорости ветра, наружной температуры воздуха и другую информацию о погоде в вашей местности, а также координаты телефона по спутнику. Получает и обрабатывает информацию с датчиков устройства и ближайших метеостанций. Если айфон не оборудован сенсором давления, выдает показатели только на основании сторонних источников.

Для использования этих и других аналогичных приложений особые знания не нужны. Достаточно выбрать удобные для себя единицы измерения и включить функцию определения геопозиции смартфона. После этого всё, можно удивлять друзей предсказаниями.

Удачных измерений!

Виды барометров

Существует несколько видов барометров.

Ртутные барометр

Создателем ртутного барометра был итальянский физик и математик Эванджелисто Торричелли, который в 1644 году разместил в тарелке со ртутью вертикально установленную пробирку заливной горловиной вниз. Им было замечено, что уровень ртути в колбе менялся в зависимости от погодных условий. Ученый сопоставил данные и пришел к выводу, что на этот показатель влияет давление воздуха.

Применяемая Торричелли конструкция являлась весьма точной, но была неудобной. Кроме этого, ртуть вредна для здоровья, поэтому ее применение в столь большом количестве, для заполнения тарелки, и нахождение на открытом воздухе является небезопасным.

Хоть ртутный барометр устарел (всё-таки такие барометры были изобретены самыми первыми), но они отличаются повышенной точностью, поэтому их более совершенные модификации встречаются до сих пор: их применяют на метеорологических станциях для проведения контроля за погодой.

Жидкостный барометр

Иногда жидкостный барометр называют чашечным, потому что он содержит специальную чашку (колбу), действующую по принципу сообщающихся сосудов. Но есть еще сифонные и сифонно-чашечные типы жидкостных барометров.

Жидкостный барометр был изобретён в 1657 году Отто Герике в Пруссии.

В жидкостных барометра измерение атмосферного давления производится за счет уравнивания столба жидкости.

Жидкостные барометры отличаются большой погрешностью: заправляемые вещества ведут себя по-разному при изменении температуры, что сопровождается высокими погрешностями. Поэтому судить о погоде основываясь на данных жидкостных барометров довольно сложно. Из-за чего такие барометры сейчас практически не встречаются.

Одним из самых известных модификаций жидкостных барометров являются глицериновые модели. В них применяется окрашенный глицерин, что дает привлекательный декоративный эффект.

Механический бараметр (анероид)

В 1844 г. французский инженер Люсьен Види, используя исследования немецкого математика и физика XVII в. Готфрида Вильгельма Лейбница, сконструировал принципиально новый, безжидкостный барометр, который был назван барометром-анероидом (от греч. «анерос» – не содержащий влаги).

Механические барометры, который с тех пор также называется «Анероидом») благодаря своей компактности и достаточной точности являются самыми популярным видом.

Механические барометры сложные в изготовлении и в отличие от ртутных, являются полностью безопасными. Внешний корпус такого барометра напоминает классические круглые часы, но бывают и прямоугольные настольные модели.
Внутри корпуса находится пустотелая емкость, сделанная из двух жестяных мембран. В емкости создан вакуум, а ее стенки надежно запаяны. Благодаря отсутствию воздуха, мембраны остро реагируют на изменение уровня атмосферного давления. При его увеличении они сжимаются, а при уменьшении наоборот раздуваются.

К ёмкости подсоединяется чувствительный механизм, который состоит из нескольких плеч. Его устройство позволяет снимать миниатюрные изменения объема коробки с вакуумом и создавать колебания стрелки со шкалой, на которую нанесены показатели давления. Чувствительный механизм остро реагирует на любые изменения объема емкости. Максимальные отклонения объема коробки в сжатом и раздутом состоянии редко превышает одного миллиметра. При этом устройство, которое передает эти движения на стрелку, увеличивает изменения в 90 раз, что обеспечивает высокую точность показания.

Механический барометр может быть выполнен в небольшом размере и предназначаться для переноски в кармане.

Электронный барометр

Электронные барометры – это высокоточные и компактные приборы.

В основе электронных барометров используется ёмкость с вакуумом (как и в механических барометрах), но снятие показаний осуществляется чувствительными датчиками. Также в этой конструкции предусматривается микропроцессорный блок. Показания выводятся на жидкокристаллический дисплей.

Одна из особенностей электронных барометров заключается в том, что они часто объединяют в себе несколько устройств одновременно. Они могут работать не только как барометр, но и как термометр, компас и часы.
Зачастую электронные барометры делают во влагозащищенном корпусе, поэтому их покупают рыбаки и туристы. Как известно, клев рыбы во многом зависит от атмосферного давления. Они чувствительны к его резким перепадам. Благодаря барометру можно определить будет ли клев или рыбалку лучше перенести. Если давление резко падает, то рыба неохотно берет наживку.

Электронные барометры могут быть установлеными в смартфон или смарт-часы.