V.3.3. Variația presiunii atmosferice

📚

Presiunea atmosferică variază tot timpul și depinde de doi factori:

1) Altitudinea cu cât este mai mare, cu atât presiunea atmosferică scade deoarece aerul se rarefiează (adică scade concentrația moleculelor de oxigen și azot). La altitudinea 0 (nivelul mării): p₀ = 101.325 Pa.

2) Starea vremii (ploi, temperatura aerului, vânturi etc).

📋 Aplicații

Variația presiunii atmosferice cu altitudinea (scăderea presiunii atmosferice cu creşterea înălţimii) a fost demonstrată de fizicianul francez Blaise Pascal (1623-1662). El a arătat că ascensiunea lichidelor în spaţiu vidat datorită presiunii atmosferice (adică înălţimea coloanei de lichid) se micşorează dacă experienţa se efectuează la înălţimi mari (pe un munte).

Pe Vârful Everest, cel mai înalt punct de pe Pământ, cu o altitudine de 8848 m deasupra nivelului mării, presiunea atmosferică este aproximativ o treime din cea de la nivelul mării, adică p ~ 33.800 Pa.

Pe baza dependenței dintre altitudine și presiunea atmosferică sunt construite altimetrele, folosite la bordul avioanelor, care de fapt sunt niște barometre etalonate direct în metri. Ele măsoară altitudinea (înălțimea față de suprafața Pământului).

Zborul avioanelor cu reacție

Iată un grafic care arată scăderea presiunii atmosferice (p) cu creșterea altitudinii (h):

🤔 Pentru curioși: Avantajele zborului la altitudini foarte mari

• zborul în stratosferă (peste 12.000 m) garantează lipsa turbulențelor, fiind deasupra perturbațiilor atmosferice
• reducerea densității aerului la altitudini mari implică o reducere a tracțiunii aeronavei și o creștere corespunzătoare a vitezei.

Cu toate acestea, chiar faptul că presiunea atmosferică scade rapid odată cu creșterea altitudinii provoacă neplăceri grave, în special pentru echipaj și pasageri: presiunea oxigenului devine periculos de mică peste 8.000 metri, iar țesuturile biologice peste 12.000 m pot suferi daune foarte grave din cauza scăderii presiunii. Prin urmare, toate avioanele cu propulsie cu jet (motoare cu reacție) trebuie să fie echipate cu sisteme de presurizare.

Aeronavele de transport moderne nu mențin în cabină presiunea atmosferică la nivelul mării (1.013,25 hPa), ci o presiune echivalentă cu cea a unei altitudine de aproximativ 2.500 m. Variația altitudinii cabinei în timpul ascensiunii și coborârii aeronavei este păstrată de sistemul de control al presurizării. În esență, aeronava folosește o parte din excesul de aer care este tras de compresoare în motoarele sale cu reacție. Motoarele nu au nevoie de tot aerul pentru ardere, așa că o parte din acesta este extrasă și folosită atât pentru aerul condiționat, cât și pentru presurizare. Excesul de aer din compresoare este răcit și apoi pompat în cabină.

Cât de mult trebuie adăugat aerul pentru a face presiune depinde de volumul cabinei. Deoarece sistemul de presurizare al aeronavei funcționează în combinație cu sistemul de aer condiționat, circulă continuu aerul prin cabină, recirculând o parte din acesta și aerisind restul, deoarece aspiră aer proaspăt din compresorul motorului.

Sistemul de presurizare a aerului conține, de asemenea, mecanisme de siguranță concepute pentru a preveni accidentele. Supapa de eliberare a presiunii pozitive se va deschide dacă presiunea din interior devine prea mare, deoarece în cabină se pompează prea mult aer. Va ameliora acea presiune. Există, de asemenea, supapa de presiune negativă, care protejează aeronava de efectele unei schimbări în care presiunea exterioară ar deveni mai mare decât în interiorul cabinei în timpul unei coborâri bruște.

Depresurizarea poate apărea din cauza defectării sistemului de compresie, din cauza unor erori umane sau tehnice, în urma unor turbulenţe severe, fisuri în parbriz/geam/fuselaj, uși care nu se închid ermetic etc.

1. Decompresia explozivă: are loc într-un ritm alert, de obicei în 0,1 – 0,5 secunde, fiind cauzată de spargerea unui geam, deschiderea unei uși, o gaură în fuselaj. Riscul de truamatism pulmonar este foarte mare. Ce se întâmplă în cazul unei depresurizări rapide:

• măștile de oxigen cad automat. Masca de oxigen asigură oxigen pasagerilor, timp în care piloţii coboară aeronava la plafonul de siguranţă de 2400 metri (8000 ft). Oxigenul nu este nelimitat. El a fost calculat pentru câteva minute (până la 15 minute), timpul necesar ca avionul să ajungă la altitudinea de 2400 metri unde aerul este respirabil.
• se aude un zgomot puternic și nivelul de zgomot crește în cabină
• cabina este acoperită de condens, ca o ceață
• obiectele încep să zboare în cabină, necontrolat
• apa începe să fiarbă instantaneu.

2. Decompresia lentă / graduală: are loc într-un timp îndelungat, până la câteva minute. Acest tip de depresurizare poate fi detectat doar cu instrumentele de bord. Dacă nu se acţionează imediat, depresurizarea lentă necontrolată poate duce la hipoxie. Depresurizarea lentă poate apărea atunci când o ușă nu a fost închisă ermetic sau când sunt probleme la sistemul de presurizare. Pasagerilor li se înfundă urechile, pot apărea dureri abdominale sau disconfort al auzului, nivelul de zgomot crește în avion.

Cel mai mare pericol în cazul depresurizării este hypoxia (aport insuficient de oxigen în organism), cât și posibilitatea de a fi tras din avion (în cazul depresurizarii explozive).

Variația presiunii atmosferice în funcție de starea vremii

Aerul circulă din zonele cu presiune ridicată (numite anticicloni) spre cele cu presiuni scăzute (numite cicloni). Cu toate că în zonele de înaltă presiune aerul este mai rece şi mai umed, meteorologii prevestesc acolo un timp frumos, cu cer senin, deoarece vântul împinge norii spre zonele din jur cu presiune mai mică. Deci cerul senin, fără nori ameninţători şi aerul uscat sunt prevestite de creşterea presiunii atmosferice. Vânturile puternice sunt anunţate de situaţia în care zonele de presiune ridicată sunt foarte apropiate de cele cu presiune scăzută.

📚

Datorită variației continue a presiunii atmosferice, s-a impus alegerea unei presiuni de referință, numită presiune atmosferică normală, notată cu p₀.

p₀ = 101325 Pa = 1 atm = 760 mmHg (ea se măsoară la nivelul mării, la 0°C).

📋

🤔 Pentru curioși: Aplicații ale presiunii atmosferice

Voi simțiți apăsarea aerului atmosferic? Răspunsul este NU. De ce nu simțim apăsarea aerului? Corpul nostru are o presiune interioară (dată în mod deosebit de lichidele din noi: apă, sânge etc.) care o egalează pe cea exterioară, a aerului.

Dar ce s-ar întâmpla cu noi dacă am ieși în spațiu cosmic, unde este vid și presiunea este zero? La presiune = 0, apa nu mai fierbe la 100°C, ci la 0°C și în câteva secunde sângele nostru ar începe să fiarbă și am muri. Iată de ce cosmonauții când ies în spațiu cosmic folosesc costume speciale de cosmonauți care sunt presurizate (au în interior niște tuburi cu apă) și care înlocuiesc apăsarea aerului.

Pe Venus temperatura la suprafață ajunge până la 450 de grade Celsius, iar presiunea atmosferica este uriașă, de 92 de ori mai mare decât cea a Pământului. Acolo apăsarea atmosferei (compusă din 96,5% dioxid de carbon, 3,5% azot) ne-ar strivi pur și simplu.

Un experiment celebru pentru evidențiere presiunii atmosferice a fost efectuat în 1650 de către Otto von Guericke, care a folosit două semisfere unite etanș și vidate în interior. Oamenii au încercat să desprindă semisferele asupra cărora apăsa aerul atmosferic, dar nu au reușit. Pentru a despărți cele două semisfere au fost înhămați câte opt cai de fiecare parte. Semisferele se găsesc și azi la Muzeul german din München.

🤔 Pentru curioși: Legea gazelor și aplicațiile ei

👀 Experiment: Legea gazelor și cum să respirăm

Materiale necesare:
Vas prevăzut cu un dop perforat cu un tub, 3 pahare Berzelius, apă colorată, apă caldă și apă rece.

Descrierea experimentului:

• Se ia un vas prevăzut cu un dop perforat cu un tub.
• Se introduce tubul într-un alt vas cu apă.
• Se încălzește aerul din vasul cu tub. Ce observi ?

  Când încălzim aerul din vasul cu tub, aerul intră în apă. La creșterea temperaturii, aerul se dilată, își mărește volumul și îi scade presiunea față de cea atmosferică (exterioară).

• Se răcește aerul din vasul cu tub. Ce observi ?

  Când răcim aerul din vasul cu tub, apă urcă în tub. La scăderea temperaturii, aerul se contractă, își micșorează volumul și îi crește presiunea față de cea atmosferică (exterioară).

Concluzia experimentului:
Presiunea gazelor este invers proporțională cu volumul acestora, adică la creșterea presiunii, scade volumul gazului și invers.

Matematic scriem:

Am văzut că volumul gazului crește direct proporțional cu temperatura acestuia.

Matematic scriem:

Combinând cele două ecuații, obținem legea gazelor ideale:

Observaţie:

La volum constant presiune este direct proporțională cu temperatura (nu este cazul în acest experiment, deoarece volumul aerului ori a crescut, ori a scăzut).

📋 Aplicație la Legea gazelor

O aplicație a relației de inversă proporționalitate a presiunii cu volumul aerului este respirația la om.

Astfel:

• La inspirație crește volumul plămânilor, scade presiunea interioară față de cea exterioară (atmosferică) și aerul intră în plămâni.

• La expirație scade volumul plămânilor, crește presiunea interioară față de cea exterioară (atmosferică) și aerul iese din plămâni.