Единицы давления: чем отличаются паскаль, бар, атмосфера и мм рт. ст.
Паскаль, бар, атмосфера и мм рт. ст. измеряют одно давление. Единиц много, потому что они появились у разных приборов и удобны для разных задач.
Дальше вы увидите давление на примере лыжи и каблука, познакомитесь с Торричелли и Паскалем и поймёте, почему тонометр, барометр и автомобильный манометр говорят на разных языках.
В статье вы узнаете:
Давление показывает, насколько сильно давят на каждый кусочек поверхности
Встаньте одной ногой в снег сначала в ботинке, затем на лыже. Вес человека не изменится, но лыжа распределит его по большей площади и провалится меньше. Тонкий каблук делает обратное: собирает тот же вес на маленьком участке и давит сильнее.
Поэтому давление зависит от силы и площади:
p обозначает давление, F силу, S площадь. Если сила остаётся прежней, уменьшение площади увеличивает давление.
Воздух тоже давит, хотя мы этого почти не замечаем. Его молекулы постоянно ударяются о кожу, стены и предметы. Внутри тела и помещений есть встречное давление, поэтому нас не сплющивает.
Паскали, бары, атмосферы и миллиметры ртутного столба измеряют одну величину. Разные единицы сохранились, потому что давление измеряли разными приборами и для каждой задачи выбрали удобный размер числа.
Торричелли измерил давление столбом ртути
В XVII веке люди уже пользовались насосами, но не понимали, почему вода не поднимается выше определённой высоты. Итальянский физик Эванджелиста Торричелли решил заменить воду ртутью. Ртуть намного плотнее, поэтому вместо трубы высотой с дом хватило стеклянной трубки меньше метра.
Торричелли заполнил закрытую с одного конца трубку ртутью и перевернул её в чашу с ртутью. Часть жидкости опустилась, но столб высотой около 760 мм остался. Сверху образовалось почти пустое пространство.
Ртуть удерживал не «страх природы перед пустотой», как тогда иногда считали. На открытую чашу давил окружающий воздух. Чем сильнее давление воздуха, тем выше поднимался столб. Так появился ртутный барометр.
От этого прибора и появились миллиметры ртутного столба. Название буквально описывает показание: насколько высоко давление подняло ртуть в трубке.
Блез Паскаль доказал, что наверху давление ниже
Французский учёный Блез Паскаль продолжил опыт Торричелли. Он предположил: если столб удерживает воздух, то на горе он должен стать ниже. Над вершиной находится меньше воздуха, значит, сверху давит меньший вес.
В 1648 году родственник Паскаля Флорен Перье поднялся с барометром на гору Пюи-де-Дом. Столб ртути действительно стал ниже. Опыт связал показание барометра с высотой и окончательно показал, что атмосферное давление создаёт воздух.
Один паскаль равен одному ньютону силы на квадратный метр:
Один паскаль очень мал. Обычное атмосферное давление составляет примерно 100 000 Па. Поэтому в погоде используют гектопаскали, в технике килопаскали и мегапаскали. Приставки просто убирают лишние нули.
NIST подробно рассказывает историю барометра, Торричелли и Паскаля на примере давления в велосипедной шине. [NIST, Under Pressure]
Бар почти равен атмосфере, но не совсем
Один бар равен ровно 100 000 Па. Это круглое число удобно для техники. Вместо 250 000 Па на автомобильном манометре можно написать 2,5 бара.
Одна стандартная атмосфера равна ровно 101 325 Па. Она примерно на 1,3% больше бара:
Для грубой оценки бар и атмосфера почти равны. Для точного расчёта подменять их нельзя. В десяти атмосферах будет 10,1325 бара, а разница уже заметнее.
Стандартная атмосфера является договорённой единицей. Настоящее давление за окном не обязано ей равняться. Оно меняется вместе с погодой и высотой над уровнем моря.
Перевести значение можно в калькуляторе атмосфер в паскали. Если нужны бары, килопаскали, psi или другие шкалы, используйте общий калькулятор единиц давления.
Миллиметры ртутного столба сохранились в медицине
Тонометр измеряет, насколько давление крови может поднять столб ртути. Показание 120/80 мм рт. ст. означает два давления: во время сокращения сердца и между сокращениями.
Современный электронный тонометр может вообще не содержать ртути. Он измеряет давление датчиком, но показывает результат в старой единице. Врачи и пациенты привыкли к числам 120 и 80, поэтому переход к 16 и 10,7 кПа только усложнил бы разговор.
Один условный миллиметр ртутного столба равен примерно 133,322 Па. Стандартная атмосфера равна 760 мм рт. ст. Это соотношение можно проверить в переводе атмосфер в миллиметры ртутного столба.
NIST отдельно предупреждает, что старые единицы по высоте жидкости могли зависеть от температуры ртути и принятой силы тяжести. Современные таблицы фиксируют коэффициенты, чтобы приборы не спорили друг с другом. [NIST, перевод единиц давления]
Манометр в шине обычно скрывает одну атмосферу
Автомобильный манометр показывает, насколько давление внутри шины выше давления снаружи. Если на экране 2,3 бара, внутри шины не 2,3 бара относительно пустоты. Нужно добавить примерно один бар окружающего воздуха.
Получится около 3,3 бара абсолютного давления:
2,3 бара в шине + 1 бар снаружи ≈ 3,3 бара
Абсолютное давление отсчитывают от полного вакуума. Избыточное давление отсчитывают от окружающего воздуха. Автомобильный манометр обычно показывает второе, потому что водителю важно, насколько сильнее накачана шина по сравнению с улицей.
Единица сама не отвечает, откуда начался отсчёт. И паскали, и бары могут быть абсолютными или избыточными. Ищите пометки abs, gauge, g или «изб.».
Перед переводом проверьте две вещи. Сначала выясните, абсолютное перед вами давление или избыточное. Затем выберите единицу. Ошибка в точке отсчёта часто больше любой ошибки округления между баром и атмосферой.
В итоге единиц много не потому, что физики не смогли договориться. Паскаль удобен для формул, бар для техники, гектопаскаль для погоды, миллиметр ртутного столба для медицины. Все они говорят о силе на площади, только разными привычными числами.
Есть что добавить?
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.