0

Барометр из бутылки

Здравствуйте, друзья!

Сегодня я расскажу вам, как сделать барометр собственными руками. Изготовить его несложно, времени потребуется немного, экзотических материалов тоже не потребуется. Читающим эту статью папам – советую привлечь к изготовлению свое чадо – ребенок будет увлечен не только на время изготовления, но и еще несколько дней спустя, когда будет едва проснувшись бежать смотреть на показания собственноручно изготовленного барометра и предсказывать вам погоду на предстоящий день. Короче говоря, изготовление барометра из подручных средств — очень неплохой вариант реализации домашнего эксперимента для любознательного ребенка. Если хотите познакомиться с историей происхождения барометра, его типами и принципом работы – загляните в мою предыдущую теоретическую статью о барометре.

Итак, приступим. К слову сказать, своими руками можно сделать различные барометры. Но сегодня мы с вами рассмотрим, как изготовить жидкостный барометр. Для этого нам потребуется сосуд, пробка и трубочка. Ну и немного вспомогательных материалов вроде скотча, клея, пластилина и красителя.

В качестве сосуда лучше всего использовать стеклянную прозрачную бутылку. Пластиковая не подойдет, т.к. емкость должна быть жесткой, чтобы противостоять атмосферному давлению не деформируясь.

Пробка может быть любая обеспечивающая герметичность. Подойдет как готовая, так и самодельная, например, из свернутой в рулончик изоленты.

В качестве трубочки я взял кусок медицинской капельницы. Трубка должна быть достаточно длинная или широкая (почему – объясню позже). Коктейльная, например, не годится, она узкая и короткая.

Готовим раствор, который будет служить нам индикатором атмосферного давления. Можно использовать простую воду, но за прозрачной жидкостью наблюдать не очень удобно. Поэтому я в воду добавил немного перманганата калия (марганцовки). Можно использовать также пищевые красители.

Наливаем раствор в бутылку примерно наполовину.

Теперь изготавливаем узел индикатора. Его роль выполняет прозрачная трубка длиной желательно не менее метра. Почему нельзя брать короткую трубку? Поясним это расчетами. Предположим, что мы хотим, чтобы наш барометр хорошо фиксировал изменение атмосферного давления в пределах 40 мм ртутного столба – от 740 до 780 мм. В этом случае величина относительного изменения атмосферного давления составит:

ΔP=(P2-P1)/P1 ΔP=(780-740)/740=0.054

В таком же соотношении изменится и объем воздуха в нашем сосуде. Если в сосуде объемом 500 мл 250 мл воздуха, то при изменениях атмосферного давления объем воздуха может измениться на 13.5 мл:

ΔV=250 мл * 0.054=13.5 мл

И это изменение объема воздуха (а следовательно и жидкости) должна компенсировать трубка. Объем коктейльной трубочки, к примеру, равен:

V=πR2H Vсоломинки=3.14 * 1 mm2 * 200 mm = 628 mm3 или 0.628 мл

Как видим, коктейльная соломинка никак не способна компенсировать изменения атмосферного давления. В случае ее использования вы столкнетесь либо с вытеканием излишней жидкости, либо попаданием воздуха из внешней среды внутрь сосуда. По-хорошему, чтобы наш барометр успешно работал при изменениях атмосферного давления нам нужна трубка длиной:

H=V/πR2 Hтрубки=13500 mm3/3.14*1 mm2=4299 mm или 4.3 m

при внутреннем диаметре трубки 2 мм.

У меня такой трубки под рукой не оказалось. Я взял отрезок трубки от капельницы длиной около метра. Для моих экспериментов этого оказалось достаточно.

Далее нужно проделать в пробке отверстие и вставить в него трубку таким образом, чтобы при вставлении пробки в бутылку трубка практически доставала до дна сосуда.

В принципе, барометр готов. Как видите, изготовить барометр своими руками не сложно, но потребуется аккуратность. Самое главное – это обеспечить герметичность сосуда. Необходимо, чтобы атмосфера сообщалась с содержимым сосуда только через трубку и ни в коем случае через неплотно вставленную пробку или зазоры между пробкой и трубкой. В этом случае барометр работать не будет! Чтобы избежать этого, я промазал стыки трубки и пробки, а также пробки и горлышка бутылки клеем – пластилин не подошел, т.к. не обеспечивал должной герметичности.

Чтобы не сооружать держатель для трубки, я обмотал трубку вокруг бутылочного горлышка и закрепил скотчем.

Теперь необходимо выставить уровень жидкости в трубке. Из прогноза погоды я знал, что на день изготовления барометра атмосферное давление в моем городе было 760 мм рт. ст. Следовательно, уровень жидкости мне нужно было установить где-то в районе середины трубки. Поскольку текущий уровень был в самом начале трубки, мне потребовалось повысить давление в сосуде так, чтобы уровень жидкости поднялся до середины трубки. Для этого я шприцем через пробку несколько раз ввел в бутылку воздух.

Можно было и не пользоваться шприцем, а вдуть немного воздуха в бутылку прямо через трубку, но шприцем было точнее.

Все, можно приступать к наблюдениям! Если атмосферное давление повышается, уровень жидкости в трубке падает. А если снижается, то уровень жидкости поднимается. Учитывая это можно отградуировать ваш прибор, то есть нанести на него шкалу.

В процессе наблюдения будьте готовы к значительному влиянию на показания окружающей температуры. Малейшее повышение температуры (даже если обхватить бутылку руками на несколько секунд) приводит к изменению давления внутри бутылки и, следовательно, уровню жидкости в трубке. Поэтому измерения для большей точности желательно проводить при постоянной температуре.

Как видите, сложного ничего нет. Довольно быстро можно изготовить собственными руками вполне работоспособный прибор.

Весь объем операций сводится к следующим:

  • заполнить сосуд наполовину индикаторной жидкостью;
  • пропустить через пробку сосуда трубку, обеспечив герметичность стыков клеем или герметиком;
  • выставить рабочий уровень жидкости в трубке.

Желаю удачи в изготовлении барометра!

P.S. Вы также можете почитать о том, как сделать барометр из сосновой шишки.

Барометр из бутылки

В сегодняшнем эксперименте мы попробуем сделать барометр из обычной стеклянной бутылки. Руководства по его изготовлению в большом количестве присутствуют на различных сайтах (причем однотипные, то есть, скорее всего, бездумно скопированные друг у друга). Например:

Принцип работы такого барометра довольно прост: внутри бутылки сохраняется объем воздуха при фиксированном давлении. Налитая жидкость играет роль подвижного поршня между этим объемом воздуха и внешней атмосферой. Если внешнее (атмосферное) давление будет изменяться, то и уровень жидкости в трубке тоже будет двигаться. Так, при повышении давления уровень столбика будет опускаться, при понижении давления – подниматься.

Попробуем сделать барометр. Для этого нам понадобятся: стеклянная бутылка (0.5 литра), питьевая соломинка, изолента. С помощью изоленты делаем на соломинке пробку, которая будет плотно входить в горлышко бутылки (можно взять и обычную пробку, у меня такой под рукой не оказалось). После того, как в бутылку налита жидкость и вставлена соломинка, внутренний объем воздуха необходимо герметизировать. Можно сделать это, например, залив горлышко клеем “Момент” (во время его высыхания не допускайте перепадов температуры, иначе клей будет вздуваться пузырями из-за выходящего воздуха).

После того, как все высохнет, барометр готов к работе. Здесь мы обнаруживаем неприятную особенность: он имеет высокую чувствительность, причем не только к давлению, но и к температуре. В итоге воздух либо входит внутрь бутылки, либо, наоборот, вода выливается наружу. Таким образом, использовать такой барометр по своему прямому назначению крайне затруднительно.

В доказательство проведем некоторые расчеты “на пальцах”:

Атмосферное давление изменяется примерно на 20 мм. рт. столба от нормального. Таким образом, относительное изменение давления:

delta_P / P = 20 / 760 = 0.0263

Это изменение приводит к такому же относительному изменению объема воздуха, находящегося в бутылке. Будем считать, что бутылка заполнена наполовину, т.е. V = 250 мл. Тогда

delta_V = V * 0.0263 = 6.58 мл = 6580 мм3

В то же время, объем соломинки (диаметр 2 мм, длина 20 см = 200 мм):

Vсол = 3.14*1*200 = 630 мм3

Видно, что объема соломинки заведомо не хватает, чтобы вместить всю ту жидкость, которая будет подниматься или опускаться. Такая же проблема наблюдается и при изменении температуры. Даже если температура изменится всего на 5 градусов, относительное изменение составит:

delta_T / T = 5 / 270 = 0.019

что сравнимо по эффекту с изменением давления.

Выводы:

Необходимо держать такой барометр в помещении с постоянной температурой (можно в холодильнике, но там запотевает стекло, и смотреть уровень жидкости затруднительно).

Необходимо использовать трубку большего диаметра.

При соблюдении этих условий можно рассчитывать на работоспособность данного устройства.

Школьная программа: Физика (7 класс)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *