Barometr nemusíme používat jen jako senzor aktuálního atmosférického tlaku nebo jako výškoměr. Lze jej použít také pro měření hydrostatického tlaku.

Co budeme potřebovat

Jako senzor tlaku poslouží barometr Vernier s hadičkou z doplňkové sady k tlakovým senzorům. Barometr připojte k rozhraní Vernier LabQuest. Můžete samozřejmě připojovat i k libovolnému jinému rozhraní, pokud s barometrem dokáže spolupracovat – například k jednoduchému USB rozhraní Go!Link. Dále si připravte PET láhev na vodu (musí být průhledná, abyste viděli hadičku) a pravítko na měření hloubky ponoru hadičky.

Vynulování tlaku

Před zahájením měření je potřeba pro toto měření vynulovat tlak, tedy vlastně dočasně prohlásit aktuální absolutní atmosférický tlak za nulový.

Zapněte LabQuest a připojte k němu barometr. Dojde k automatické identifikaci senzoru. Nyní se prstem nebo dotykovým perem dotkněte displeje v místě, kde se zobrazuje aktuální hodnota tlaku (bude to okolo 100 kPa v závislosti na počasí a nadmořské výšce). Klikněte ve vyskakovací nabídce na vynulovat – a je to.

Měření hydrostatického tlaku

Po celou dobu experimentování dávejte pozor na to, aby se barometr nenamočil. Vnitřek není konstruovaný na styk s vodou a trvale by se poškodil. Držte barometr vždy nad vodní hladinou.

Nalijte do PET láhve vodu, přišroubujte k barometru hadičku a ponořte ústí hadičky do libovolné hloubky. Na displeji můžete odečítat hydrostatický tlak, pravítkem můžete měřit hloubku ponoru. Natáčením hadičky do různých směrů lze demonstrovat nezávislost tlaku na směru. Pokud máte "křivé" nádoby, můžete demonstrovat také hydrostatický paradox.

Co je hydrostatický tlak

Hydrostatický tlak vzniká ve vodě působením tíhové síly. S každým metrem hloubky se tlak zvyšuje, protože přibývá hmoty (vody), která k tlaku přispívá svou vlastní vahou. Kubík vody (krychlový metr) váží tunu. Tato tuna (1000 kg) působí tlakovou silou 10 000 newtonů na plochu 1 m², čímž příspívá k tlaku hodnotou 10 kPa. Deset centimetrů hloubky tedy znamená zvýšení tlaku o kilopascal, v hloubce deset metrů je dvojnásobek atmosférického tlaku (100 kPa kvůli vodě a 100 kPa kvůli vrstvě atmosféry nad vodou).

Jak barometr funguje

Základním prvkem senzoru je membrána, která se v závislosti na změnách tlaku prohýbá (z jedné její strany je vakuum). Prohnutí membrány je následně převedeno na napětí, které po kalibraci lze vyhodnocovat jako absolutní tlak. Tento barometr je původně navržen pro měření atmosférického tlaku a dodává se už nakalibrovaný. Dokáže měřit v rozsahu 81,06 kPa – 106,39 kPa. Citlivost měření je u LabQuestu (12bitové rozhraní) 10 Pa, ovšem šum signálu je vyšší, jak jsem zjistil - zhruba ±20 Pa. Maximální tlak, při kterém se barometr ještě nepoškodí, je 206 kPa, tedy dvojnásobek atmosférického tlaku.

Absolutní tlak vs. tlak přepočítaný na hladinu moře

Barometr ukazuje skutečný tlak, tedy ne tlak přepočítaný na hladinu moře. Pomocí hodinářského šroubováčku lze ovšem nastavit kalibrační potenciometr v barometru tak, aby ukazoval tlak přepočítaný na hladinu moře v dané nadmořské výšce.

Mikroskopický pohled na tlak

Mikroskopický pohled na tlak plynu se dá dobře demonstrovat pomocí těchto apletů: aplet 1, aplet 2.

Autorem článku je Mgr. Pavel Böhm