Что ты сейчас чувствуешь? Упругий пластик мышки или теплую тяжесть смартфона? Может быть мягкий хлопок футболки на плечах, или тугой ремень на поясе? А если я тебе скажу, что на тебя сейчас давит почти тонна воздуха спереди и столько же сзади? Давай познакомимся с явлениями давления и вакуума, ну и разберемся с тем, как это влияет на нашу жизнь.
Из этой статьи ты узнаешь:
как образуется давление;
что общего у коктейля с насосом;
и зачем спускают насос в глубину скважины.
Итак, что вообще такое — давление?
Что на тебя давит?
Любое вещество, в том числе воздух и вода, состоит из молекул, которые хаотично перемещаются. Периодически они налетают на окружающие предметы и на нас с тобой. Ну, как — периодически? В воздухе, при нормальных условиях, такое случается примерно пять октиллионов раз в секунду (это число с 27 нулями!). И при каждом таком столкновении молекула слегка подталкивает нас.
Так как молекулы налетают на нас постоянно и со всех направлений, их эффекты складываются и получается непрерывное давление на нашу кожу со всех сторон. И от такого давления не защитит ни рубашка, ни бронежилет.
От чего зависит давление?
от концентрации молекул — чем их больше, тем чаще они с нами сталкиваются.
и от энергии молекул (то есть от произведения их массы на скорость) — чем больше скорость и масса молекул, тем сильнее каждая из них «толкает» нас при столкновении.
И если с концентрацией молекул все понятно — на нее мы можем повлиять при помощи компрессора или вакуумного насоса, то вот с энергией важно разобраться. Как правило, воздух — это смесь разных молекул. Там есть как более тяжелые, так и более легкие молекулы. Есть там и более быстрые и более медленные. Для оценки энергии мы берем среднюю массу молекул и среднюю их скорость. Показателем такой средней энергии молекул является температура. В более горячих веществах молекулы движутся быстрее.
Значит ли это, что жарким летним днем атмосферное давление выше, чем зимней морозной ночью? На улице — нет. Ведь зимой воздух более плотный, то есть молекул в каждом литре воздуха несколько больше, чем в том же литре летом. И пусть каждая из молекул зимой движется не так быстро, их просто больше численно, и поэтому они успевают натолкнуться на нас большее число раз. В результате давление холодного воздуха зимой на улице может быть таким же, как теплого воздуха летом. Просто летом чуть меньшее число молекул наталкиваются на нас с чуть большей скоростью. А зимой чуть большее число молекул налетает на нас с чуть меньшей скоростью.
Дифферент давления по высоте
Атмосфера не однородна. В верхних слоях атмосферы давление очень низкое. Но по мере того, как мы приближаемся к уровню моря давление растет. Именно на уровне моря атмосферное давление составляет около одного килограмма силы на квадратный сантиметр. На каждый квадратный сантиметр. Учитывая, что площадь твоего тела около 1,8 м², на тебя прямо сейчас давит эквивалент 1,8 тонны.
Почему же нас с тобой не сплющивает такое большое давление? Потому что внутри у нас давление еще больше. Ты же наверняка пользовался тонометром и видел эти загадочные цифры 120/80. Это как раз избыточное давление в миллиметрах ртутного столба. Если перевести это давление в граммы, получится что-то около +163 грамм силы на сантиметр дополнительно к атмосферному давлению. То есть снаружи на тебя давит 1,8 тонн силы, а изнутри — 1,98 тонн силы. Такое давление не только делает нашу кожу приятно упругой, но и позволяет крови подниматься вверх против силы тяжести. А еще благодаря повышенному давлению кровь вытекает из ранки наружу, не позволяя попасть бактериям и окружающему воздуху внутрь организма.
Кстати, а почему мы все время говорим про уровень моря? Дело в том, что чем выше мы поднимаемся над уровнем моря (то есть чем ближе становимся к космосу), тем ниже становится давление вокруг нас. И тут многие допускают ошибку: полагают, что по мере увеличения высоты снижается гравитация и за счет этого снижается и давление. Но это не так. Изменение гравитации ничтожно мало даже в самых высоких горах. А давление на Эвересте составляет лишь одну треть от атмосферного давления на уровне моря. Почему так?
Дело в том, что давление определяется не гравитацией самой по себе, а тем, какая масса воздуха остается над нашей головой. Поднимаясь в горы, ты оставляешь над собой все меньше и меньше воздуха. Если подниматься еще выше, то давление начнет убывать еще сильнее, пока мы не достигнем космического вакуума.
Какой бывает вакуум?
Под словом вакуум могут подразумевать как почти полное отсутствие воздуха, так и просто слегка пониженное давление. В промышленности под вакуумом понимают любое давление, которое меньше атмосферного. Даже когда ты пьешь коктейль через трубочку, с технической точки зрения ты создаешь у себя во рту небольшое разряжение (то есть вакуум), благодаря чему жидкость из стакана и поднимается по трубочке.
И давай сразу определимся: жидкость в трубочку засасывает не вакуум. Жидкость туда заталкивает атмосферное давление. Ну то есть в норме воздух давит на все точки поверхности стакана одинаково — с усилием в килограмм на каждый квадратный сантиметр. И поэтому жидкость лежит в стакане ровно. А тут ты создаешь в трубочке разряжение, и на жидкость в трубочке воздух начинает давить с меньшим усилием. И атмосфера начинает выдавливать воду из стакана в трубочку. Если не будет атмосферного давления, не будет и коктейлей с трубочкой. Не будет и насосов. Но об этом позже. Давай сначала разберемся с тем, какие виды вакуума бывают.
Различают несколько видов вакуума:
Грубый вакуум — лежит между атмосферным давлением и одной тысячной долей атмосферы. В нем вода еще может быть жидкой (хотя и испаряется при все более низкой температуре), а наращивание глубины вакуума увеличивает силу прижима деталей на вакуумных прижимных столах.
Форвакуум — начинается от тысячной доли атмосферы и продолжается до примерно миллионной доли. Это переходный этап между грубым и средним вакуумом. Вода тут уже не может находиться в жидком виде, поэтому форвакуум применяют при производстве сублиматов. Увеличение глубины вакуума больше не приводит к увеличению силы прижима деталей на вакуумных столах. Зато плотность воздуха становится достаточно низкой, чтобы в нем смогли начать работать насосы среднего и высокого вакуума (которые не могут стартовать при атмосферном давлении).
Средний вакуум — включает в себя форвакуум, но продолжается глубже: до одной стомиллиардной доли атмосферы. Здесь постепенно меняются оптические свойства газа — он начинает все меньше рассеивать свет. Кроме того, при среднем вакууме меняются физические свойства газа: с вязкого режима течения он переходит в переходный. Изменяется и скорость оседания газа на поверхностях.
Высокий вакуум — все что меньше одной стомиллиардной доли атмосферного давления. Воздух здесь уже перестает быть сплошной средой. При таком вакууме производят микрочипы и проводят научные эксперименты. Но не стоит думать, что при высоком вакууме совсем нет воздуха. Концентрация газов при высоком вакууме начинается с 240 миллиардов молекул на литр. Так что иногда выделяют еще сверхвысокий и ультравысокий вакуум.
А бывает ли истинный вакуум, в котором вообще бы не было частиц? Пока получить такой в значительном объеме не получается. Чем меньше в сосуде остается частиц, тем сложнее их оттуда достать. А в какой-то момент в сосуде вообще начинают рождаться пары «виртуальных» частиц прямо из вакуума. Поэтому истинного вакуума в реальности не существует. По крайней мере, пока.
А почему же так сложно вычерпать из сосуда последние молекулы?
Как работает насос. Разбираемся в действующих силах
Ты касаешься губами коктейльной трубочки, слегка отводишь язык назад, а нижнюю челюсть вниз, и приятная жидкость сразу же наполнят твой рот, покидая коктейльный бокал. Почему так происходит?
Мы уже выяснили, что вакуум не сам «засасывает» в себя жидкость. Жидкость в трубочку заталкивает атмосферное давление. А если точнее, то разность между давлением в атмосфере и давлением в трубочке.
Именно так и работают большинство насосов. Они создают внутри себя перепад давления. На входе в насос появляется область низкого давления и атмосфера заталкивает туда жидкость. А на выходе насоса формируется избыточное давление. И уже это избыточное давление «расталкивает» атмосферу, заставляя жидкость вылиться из насоса.
С насосами для воздуха происходит ровно то же самое. Важно запомнить, что жидкость или газ всегда движется от большего давления к меньшему.
Отсюда есть важное следствие: обычный насос не может работать в космосе, где нет атмосферы. Но при этом будет прекрасно работать в условиях невесомости, например на МКС, где атмосфера (и атмосферное давление) есть.
Еще более важный вывод: чем выше в горы, тем насос работает хуже.
Сила атмосферного давления
Окей, жидкость в насос заталкивает атмосферное давление (или давление в замкнутой системе, если речь о ней). А насколько оно «сильное»?
Классически, давление атмосферы измеряют в миллиметрах ртутного столба. Из полой трубки откачивают весь воздух, а затем помещают ее в чашку со ртутью. И атмосфера заталкивает ртуть на 760 мм вверх.
А если ртуть заменить водой, то та же атмосфера поднимет ее вверх на 10,3 метра. Это теоретический предел для насосов, реальные насосы, разумеется, справляются с задачей чуть хуже. Типичная реальная глубина для центробежного насоса составляет от 7 до 9 метров. Этот показатель называется самовсос. И он, как правило, указывается в характеристиках насоса.
Давай сразу определимся: атмосферное давление влияет именно на высоту самовсоса, то есть способность насоса «засосать» воду с глубины через входной патрубок. На возможность «вытолкнуть» воду вверх через выходной патрубок атмосферное давление почти не влияет.
Так как же тогда насосы выкачивают жидкость из скважин, спросишь ты меня, ведь глубина скважин, как правило составляет несколько десятков метров? Ведь не получится просто установить насос на поверхности земли и выкачивать воду из скважины? Всё верно: насос приходится опускать внутрь скважины, чтобы он забирал воду вблизи поверхности воды и уже потом подавал вверх под большим давлением. Забрать воду глубже, чем в десяти метрах от насоса нельзя. Но ее можно «затолкать» на очень большую высоту.
Кстати, 10,3 метра — это предел на уровне моря. Высоко в горах атмосферное давление меньше, а значит меньше и самовсос насосов. На том же Эвересте высота самовсоса не превышает трех метров.
Теперь ты, надеюсь, понимаешь, почему коктейльные бары чаще всего располагаются не на крыше, а в цокольных этажах зданий или, вообще, в подвалах!