Что показывает барометр в каких величинах

Принцип работы барометра

Барометр – это прибор для измерения определённого давления воздуха на предметы.

На сегодняшний день существуют такие разновидности:

Принцип работы барометра

Внешне жидкостный барометр имеет вид стеклянных трубок, взаимодействующих друг с другом как сообщающиеся сосуды в соответствии с гидростатическими законами. Заполняет их ртуть или другие легкие по весу жидкости (глицерин, масло).

Чашечный барометр

Чашечный – стеклянная трубка с закрытым концом и чашкой, показания давления определяют, замеряя высоту столбика жидкости, который начинается от уровня чашки и заканчивается отметкой верхнего мениска.

Сифонный барометр

Ртутный барометр

Классический барометр-анероид

Система работы механического барометр-анероида, в котором отсутствует какая-либо жидкость, основан на принципе воздействия давления воздуха на металл. В середине прибора располагается коробка с тонкими гофрированными стенками из металла, под силой действия воздуха стенки сжимаются или разжимаются, рычажок поворачивает стрелку в ту или иную строну. Бывают настенного и настольного типа, очень удобны и практичны в использовании, поэтому их очень часто используют в домашних условия, в офисах и различных учреждениях.

Электронный барометр

На данный момент уже существует цифровой вариант барометров, которые встроены как дополнительная функция в мобильное устройство или в часы-барометры.

Виды барометров

Метеорологические станции до сих пор пользуются барометрами с ртутью, основанными на приборе Торричелли. Считается, что эти измерители самые точные и достоверно показывают изменение давления атмосферы. Но ртуть – вещество опасное для здоровья. Поэтому трубку с жидкостью поместили в латунный короб с отверстием для наблюдения за изменениями столбика. Назвали такой прибор станционным чашечным барометром.

Существуют барометры, имеющие название «анероид». В них нет жидкости.

Устройство барометра–анероида состоит из специальной чувствительной коробочки внутри прибора. В ней находится разреженный воздух. В зависимости от степени атмосферного давления, гофрированная коробочка, уменьшаясь или увеличиваясь, приводит в движение зависимую от нее стрелку. Она, в свою очередь, указывает текущее значение.

Как пользоваться барометром?

Имея дома простую модель барометра, можно легко узнать показатели атмосферного давления на текущий момент. Следует посмотреть на стрелку измерителя: на какую величину она указывает, она и будет показателем давления. Также шкала имеет дополнительные уточнения, указывающие на штормовые явления, ясную погоду, переменную облачность, дожди, сухость и т. д.

У некоторых приборов в наличии две указательные стрелки. Одна самостоятельно передвигается за счет изменения давления на связанную с ней коробочку, другая находится в неподвижном состоянии, и ею можно руководить самостоятельно. Она является неким «предсказателем» на ближайшее время. Если ее совместить с ведущей стрелкой, то через несколько минут можно понять, давление будет падать или расти. Указательная стрелка будет отклоняться вверх или вниз.

Очень важно знать, как пользоваться барометром, метеозависимым людям, так как они чувствительны к состоянию погоды. Перед изменениями климатических условий давление начинает менять показания. Отслеживая эту перемену, можно заранее подготовиться.

Как настроить барометр механический?

Для правильного измерения атмосферного давления вам необходимо отрегулировать барометр. Прослушав прогноз погоды в месте вашего нахождения, нужно установить указательную стрелку на показатель высоты местности над уровнем моря. Для этого найдите винт регулировки на задней части прибора. Следя за шкалой, установите правильное положение.

Вторая стрелка фиксирует давление в атмосфере на текущий момент. Повернув ручку измерителя, установите указатель на данную величину. Далее эта стрелка будет указывать на падение и рост давления в атмосфере в период изменений. Периодически проверяйте ваш прибор при возникновении подозрения на сбой в работе. Для этого отклоните его назад на 45 градусов или приподнимите нижнюю сторону висящего на стене прибора на ту же величину. В жидкостном измерителе ртуть заполнит всю трубку, и вы услышите щелчок.

Барометр механический имеет стрелку, которая на циферблате будет поворачиваться по кругу. В любом другом случае обратитесь в ремонтную службу. Где бы ни находился барометр, в квартире или на улице, он покажет одинаковое значение, так как прибор очень чувствителен. Главное, не ошибитесь с показаниями высоты вашей местности.

Как строятся графики?

Российская сеть метеорологических обсерваторий и станций огромна. Их работа заключается в постоянном наблюдении за изменениями климата на земле. Исследования проводятся с помощью новейших приборов измерения атмосферных явлений. Это позволяет прогнозировать погоду на ближайшее будущее. Для его составления ученые собирают все показатели текущего состояния атмосферы. На основе этих данных они могут составить график атмосферного давления и спроектировать его изменения.

Виды рыбацких барометров

Барометр рыбака может быть бытовым и карманным. В первом случае прибор устанавливают на столе или вешают на стену, обеспечивая доступ воздуха. Карманный измеритель более удобен. Его можно взять с собой на рыболовное место. Барометры для рыбалки также выпускаются в нескольких видах: содержащие ртуть, механические и электронные. Последний вид пользуется большой популярностью, так как он не только легок и удобен в использовании, но и, кроме измерения давления, может определить температуру воздуха, влажность, высоту. Прибор имеет и много других дополнительных функций.

Анероидный барометр: принцип работы

Принцип действия анероидного барометра основан на функционале расширения и сжатия полой металлической капсулы.

Если функциональными компонентами ртутного барометра выступают стекло и ртуть, анероидные барометры выгладят достаточно сложными измерительными приборами, где используется механизм, подобный часовому.

Капсула анероида представляет устройство движения от изменения давления воздуха.

Обычно чувствительная капсула изготавливается на основе сплава бериллия и меди. Остальной механизм сделан из нержавеющей стали (AISI 304L и т.п.), оснащён подшипниками, сделанными из драгоценного материала (синтетические рубины или сапфиры).

Драгоценный материал используется под изготовление подшипников анероидного барометра с целью получения малого сопротивление на трение. Корпусная часть анероидного барометра допускает исполнение из любых материалов, но обычно сделана из латуни (смесь меди и цинка). Есть много видов латуни. Распространенным корпусом является «часовой вариант», где используется смесь 65% меди + 35% свинца.

Конструкция анероидного барометра

Проектный вариант конструкции любого анероидного барометра включает:

Схемотехника прибора в упрощённом изложении: 1 – металлическая пружина; 2 – указательная стрелка индикатора; 3 – цепь передачи; 4 – механические связи; 5 – рабочая капсула с вакуумом внутри

Рабочая чувствительная капсула анероидного барометра тонкостенная, полая, имеет форму сильфона. Воздух из капсулы удаляется полностью, поэтому степень сжатия и расширения сосуда строго зависят от упругости материала и поддерживающих пружин.

Разработчики анероидного барометра, как правило, предварительно рассчитывают, насколько анероидная капсула допускает расширение или сжатие относительно расчётного диапазона давлений. Основываясь на движениях сжатия расширения, разработчиками прибора определяются связи преобразования движений капсулы в движение индикатора развертки на шкале анероидного барометра.

Принцип действия механизма прибора измерения давления

Анероидный барометр чувствителен к изменениям температуры, поскольку капсула прибора и существующие соединения обладают свойствами расширяться или сжиматься при температурных колебаниях. Кроме того, упругие свойства материала капсулы также изменяются под влиянием температуры.

Существует несколько способов компенсации температурных перемещений компонентов анероидного барометра. Одним из наиболее элегантных решений является использование биметаллической полосы. Биметаллическая полоса состоит из двух плоских кусков металла, изготовленных из различных типов элементов или сплавов, сваренных один с другим.

Упрощённая схема механизма, указывающая на исполнение компенсационную деталь – биметаллическую полосу, в конструкции прибора: 1 – капсула под вакуумом; 2 – биметаллическая полоса; 3 – опорные подшипники; 4 – стрелка указатель

Учитывая предсказуемость изменения температуры биметаллической полосы и капсулы, биметаллическую полосу допустимо использовать для компенсации движений капсулы. По мере изменения температуры, два компонента биметаллической полосы расширяются в разной степени.

Этот фактор заставляет биметаллическую полосу изгибаться относительно компонента с меньшим коэффициентом расширения. Движение изгиба можно использовать для перемещения стрелки индикатора или сжатия вакуумной капсулы барометра для компенсации изменения температуры.

Связь между анероидной капсулой (сильфоном) и разверткой индикатора, по сложности механизма аналогична швейцарским часам. Фактически, качественная барометрическая связь включает массу одинаковых компонентов. Цель этой рычажной связи состоит в том, чтобы передать малое горизонтальное движение расширяющегося сильфона в движение стрелки циферблата. Используется форма рычага в виде качели.

Непосредственно конец качели движется по увеличенной дуге, относительно осевой точки. Благодаря тяге вакуумной капсулы, расположенной рядом с шарниром рычага, похожего на качели, перемещение значительно увеличивается на дальнем конце рычажной системы.

Любая нелинейность движения вакуумной капсулы компенсируется барабаном (улиткой). Барабан (изобретение Леонардо да Винчи) представляет собой шкив, наделённый спиральными зубьями, имеющий форму конуса.

В нулевой точке анероидного барометра конец рычага соединен цепью с серединой барабана. Когда сжимается рабочая капсула, барабан вращается, сдвигая цепь до меньшей длины. Любое незначительное движение цепи вызывает такое же движение стрелки индикатора барометра.

Изготовление прибора в заводских условиях

Корпус анероидного барометра отливают из латуни, бронзы или стали. Также не исключаются варианты вырезания из дерева. Менее дорогие корпуса — штамповки из стали или алюминия, покрытые декоративной отделкой. Литьё производится путём заливки расплавленного металла в специальную форму с последующим затвердеванием.

Исполнение корпусное для приборов измерения давления поддерживается в самых различных вариациях, включая широкое разнообразие отделочных элементов и материалов

После того, как металл затвердел, форма снимается с корпуса. Штамповка включает вдавливание плоского куска металла между двумя штампами при высоких давлениях. Обработка корпуса завершается удалением лишнего металла, оставшегося в процессе литья:

Половинки рабочей капсулы измерительного прибора — тонкие листы из меди / бериллия (толщиной около 0,05 мм), штампуют на специальной матрице. Отдельные компоненты сварены электронно-лучевым методом.

Электронно-лучевая сварка выполняется автоматическими роботизированными сварочными машинами, поскольку сварщик-человек не в состоянии обеспечить степень точности, необходимую для соединения таких деталей без повреждения.

В качестве компенсаторов температуры анероидных барометров обычно выступает биметаллическая полоса. Эта деталь крепится сваркой или клёпкой одного конца полоски к корпусу барометра. Сварка включает частичную плавку, как корпуса, так и биметаллической полосы, так что обе части надёжно соединяются. Окончательно анероидный барометр собирается на стенде.

Виды барометров

Ртутный – прибор, измеряющий давление. Принцип действия заключается в движении ртути, относительно нанесенной шкалы.

Жидкостный – прибор, с помощью которого уровень давления измеряется уравновешиванием веса столба жидкости атмосферным давлением.

Барометр-анероид – принцип действия и отображение показателей основывается на изменении размеров герметичной металлической коробки, заполненной разрежённым воздухом, под действием на её поверхность атмосферного давления.

Электронный – это современный вид прибора, который преобразовывает линейные показатели классического анероида в электронный сигнал. Обработанные микропроцессором сигналы, отображаются на жидкокристаллическом экране.

Строение атмосферного барометра

Самозаписывающий барометр

Используется для записи метеорологических данных относительно колебаний атмосферного давления. Другими словами, это усовершенствованный барометр-анероид, с добавлением в барокамеру часового механизма, аппарата удерживающего проградуированную бумагу и стрелки-привода, которая наносит на бумагу чернильную линию.

Изображаемый «рисунок» на бумаге прибора называется барограммой. В процессе работы барографа, в соответствии с часовыми показателями, механизм наматывает на своё основание специальную бумагу, по поверхности которой скользит и отмечает показатели отклонений атмосферного давления прикрепленная стрелка с чернилами.

Показатели расхождений давления фиксируются постоянно. Для метеорологов это основной документальный факт изменения погоды в ближайшее время. В зависимости от размеров барабана – продолжительность запечатления записи может составлять от нескольких часов до одной недели. Особая конструкция позволяет снимать показатели и следить за атмосферными показателями в любое время.

Возможности мобильного устройства на этом не останавливаются. В электронном виде оно показывает высоту, географическую ширину и долготу, что, в свою очередь, способствует быстрому поиску аппарата и определению точного места его нахождения. Благодаря спутникам GPS процесс быстр и точен. Мобильный барометр – это точный высотомер. Точность определения нахождения пользователя сводятся до радиуса в 3 метра. Именно такими приборами пользуются альпинисты в горах. Но большую популярность они приобрели в авиационной сфере.

«Нестандартный барометр»

Благодаря своим основоположникам его называют Гарвардским. Экономический барометр лежит в основе формирования эконометрики. Предсказывает изменение конъюнктуры, динамики спроса и предложения и т.п.

В их основу включено исследование динамики развития разных показателей экономики.

Манометр

Источник

Барометр. Виды и работа. Применение и настройка. Особенности

Барометр – это устройство для измерения атмосферного давления. С его помощью можно предсказать погоду. Прибор может снимать данные атмосферного давления находясь в помещении или на открытой местности. Также подобные устройства используются в авиации для определения высоты полета над уровнем моря. Нормой считается атмосферное давление на уровне 760 мм ртутного столба при температуре +15 градусов.

Разновидности барометров

Существует несколько разновидностей барометров:

Ртутные

Ртутный барометр был изобретен самым первым. Его создателем является итальянский физик Эванджелисто Торричелли, который в 1844 году разместил в тарелке со ртутью вертикально установленную пробирку заливной горловиной вниз. Им было замечено, что уровень ртути в колбе менялся в зависимости от погодных условий. Ученый сопоставил данные и пришел к выводу, что на этот показатель влияет давление воздуха. Применяемая им конструкция являлась весьма точной, но была неудобной. Кроме этого, ртуть вредна для здоровья, поэтому ее применение в столь большом количестве, для заполнения тарелки, и нахождение на открытом воздухе является небезопасным. Ртутные барометры отличаются повышенной точностью, поэтому их более совершенные модификации встречаются до сих пор. Их применяют на метеорологических станциях для проведения контроля за погодой.

Жидкостные

Жидкостные барометры на данный момент практически не встречаются. Они отличаются большой погрешностью, поэтому судить о погоде основываясь на их данных довольно сложно. В подобных приборах измерение проводится за счет уравнивания столба жидкости. Проблема таких приборов в том, что заправляемые вещества ведут себя по-разному при изменении температуры, что сопровождается высокими погрешностями. Одним из самых известных модификаций жидкостных барометров являются глицериновые модели. В них применяется окрашенный глицерин, что дает привлекательный декоративный эффект.

Механические

Механические барометры самые популярные. Они гораздо компактнее, чем первые две категории. Кроме этого, механические приборы отличаются вполне достаточной точностью. Подобные устройства сложные в изготовлении и в отличие от ртутных, являются полностью безопасными. Внешний корпус такого оборудования напоминает классические круглые часы, но бывают и прямоугольные настольные модели. Внутри корпуса находится пустотелая емкость, сделанная из двух жестяных мембран. В емкости создан вакуум, а ее стенки надежно запаяны. Благодаря отсутствию воздуха, мембраны остро реагируют на изменение уровня атмосферного давления. При его увеличении они сжимаются, а при уменьшении наоборот раздуваются.

К емкости подсоединяется чувствительный механизм, который состоит из нескольких плеч. Его устройство позволяет снимать миниатюрные изменения объема коробки с вакуумом и создавать колебания стрелки со шкалой, на которую нанесены показатели давления. Чувствительный механизм остро реагирует на любые изменения объема емкости. Максимальные отклонения объема коробки в сжатом и раздутом состоянии редко превышает одного миллиметра. При этом устройство, которое передает эти движения на стрелку, увеличивает изменения в 90 раз, что обеспечивает высокую точность показания. Механические устройства бывают как компактными, которые можно носить в кармане, так и настольными.

Электронные

Электронные барометры – это высокоточные и компактные приборы. В их основе также используется вакуумная коробка, но снятие показаний обеспечивается благодаря чувствительным датчикам. Также в этой конструкции предусматривается микропроцессорный блок. Показания выводятся на жидкокристаллический дисплей. Одна из особенностей таких приборов заключается в том, что часто они комбинируют в себе несколько устройств одновременно. Они могут работать не только как барометр, но и как термометр, компас и часы. Зачастую электронные устройства делают во влагозащищенном корпусе, поэтому их покупают рыбаки и туристы. Как известно, клев рыбы во многом зависит от атмосферного давления. Они чувствительны к его резким перепадам. Благодаря барометру можно определить будет ли клев или рыбалку лучше перенести. Если давление резко падает, то рыба неохотно берет наживку.

Зачем нужен барометр

Барометр применяется для проведения точного измерения атмосферного давления. Оно выражается в физической единице – миллиметрах ртутного столба. На основе этих показаний можно судить о дальнейшем изменении погодных условий при сравнении с данными о давлении, полученными в предыдущий день или несколько часов. Дело в том, что показатель атмосферного давления напрямую влияет на погодные условия.

Если уровень в определенной местности снижается, то воздушные потоки прибывают с другой территории. Именно так создается ветер, который попутно приносит тяжелые дождевые тучи. Как следствие, благодаря применению барометра несложно предсказать осадки. В том случае, если давление начинает расти, то это говорит о том, что имеющиеся на данной местности воздушные потоки переместятся на другую территорию, где давление снижено. При этом они уберут тучи, поэтому будет наблюдаться солнечная погода. Таким образом, чем выше давление, тем более сухая погода ожидается.

Весьма распространенными являются приборы со специальной разметкой на шкале, указывающей на погодные условия, которые нужно ожидать при направлении стрелки на определенный показатель. При самом низком давлении может быть написано «шторм», или нарисована соответствующая картинка. Для самого высокого давления применяется термин «суш» или рисуется палящее солнце. При этом нужно учитывать, что показатели могут меняться в зависимости от температурных условиях. По этой причине такое обозначение является неточным, но дает приблизительное понимание, что ожидать от погоды.

Как пользоваться

Следует понимать, что барометр не является устройством, которое позволяет точно предсказать погодные условия и определить ожидаемую температуру или уровень осадков. Основываясь только на данных полученных из этого прибора нельзя определить, какие воздушные потоки прибудут из соседних территорий. Для предсказания погоды метеорологии применяют помимо данных из барометров множество другой информации, что и позволяет делать прогноз более точным.

Использование барометра дает возможность лишь предсказать направление, в котором будет меняться погода. Будет ли она идти на улучшение или ухудшение. Люди, чувствительные к изменению атмосферного давления, используют барометр, чтобы определить изменение своего самочувствия.

Если в зимнее время давление повышается, то нужно ожидать заморозка, а если снижается, то будет потепление и скорое выпадение осадков. Летом повышение давления говорит об ожидаемой жаре и засухе. Снижение сигнализирует о прохладе и скором дожде. Также по интенсивности изменения показаний атмосферного давления можно приблизительно судить о возможных изменениях погоды. Так, если давление снижается постепенно, то в течение дня подойдет циклон с ненастной погодой. Скорее всего, будут осадки и сильный ветер. При очень резком падении давления прибудет холодный фронт, который будет сопровождаться штормом и грозами. При этом время до его начала обычно составляет не более 2 часов. Если давление стабилизировалось и поддерживается на одном уровне, то можно ожидать снижение интенсивности ветра и остановку осадков.

Для того чтобы предсказывать изменение погоды необходимо периодически следить за уровнем давления, которое показывает барометр. Делать это нужно минимум дважды в день. Если погода меняется резко, то интенсивность измерения проводится с периодичностью раз в 2-4 часа.

Проведение настройки

С приходом электронных барометров надобность в поведении настройки отпала, но на рынке предлагается еще масса механических моделей, которые нужно периодически подстраивать. Пользователи по-прежнему предпочитают покупать механические барометры в связи с их более презентабельным видом и отсутствием необходимости в установке батареек. Коллекционеры, которые собирают барометры, также предпочитают именно механические модели. Для того чтобы прибор показывал точные данные его нужно подстроить, на что требуется всего несколько минут.

Для начала нужно узнать о точном давлении, которое наблюдается на данной местности в момент проведения настройки. Это можно сделать, посетив сайт ближайшей метеостанции или просмотрев сводки, которые периодически озвучивают в телевизионном и радиоэфире. Имея реальные показатели об имеющемся атмосферном давлении, которое снято на высокоточном ртутном барометре, можно сравнить данные с теми, что получены на собственном механическом устройстве.

Если данные отличаются, следует перевернуть прибор, и найти на задней стенке регулировочный винт. С помощью отвертки нужно провести его вкручивание или выкручивание до тех пор, пока стрелка не займет тот показатель, который озвучила метеослужба. Если винта нет, то производитель предусматривает другую возможность настройки. Достаточно просто немного провернуть шкалу, подставив нужный показатель под стрелку.

Источник

Барометр в телефоне и смарт-часах для «чайников». Как он работает и для чего нужен?

Если вы не особо увлекаетесь физикой, эта статья должна вас немного поразвлечь, так как обычно человек даже не задумывается о таких на первый взгляд «очевидных» вещах.

Я попытаюсь на пальцах объяснить, как работает датчик давления (он же — барометр), используемый в современных смартфонах и смарт-часах. Но прежде, чем говорить об этом, нам нужно понять, для чего вообще он нужен и что конкретно измеряет.

Да, каждый взрослый человек слышал словосочетание атмосферное давление. И все знают, что это давление может повышаться или понижаться. Многие даже знают, что когда давление падает, стоит ждать ухудшения погоды. А если падает очень быстро — скорее всего, будет очень сильный ветер. Всё это — банальные вещи, хотя и они требуют объяснений.

Но что, если я скажу вам, что именно благодаря атмосферному давлению вы можете попивать апельсиновый фреш через трубочку? Как иначе сок может преодолеть силу тяжести и направиться вверх? Ведь не существует никакой «силы всасывания» или «силы вакуума». Если бы вы смогли попробовать попить сок через трубочку в космосе, где нет атмосферного давления, вам бы не удалось этого сделать.

Или подумайте, почему, когда вы втягиваете ртом воздух из пластиковой бутылки, она сжимается? Кто или что сжимает бутылку? Однозначно, это не воздух, который вы втягиваете.

В общем, давайте разбираться с мобильным барометром и давлением, которое он измеряет. Я хочу, чтобы вы хорошо понимали суть атмосферного давления, прежде чем говорить о датчике, который его измеряет. Поэтому в первой части статьи уделим внимание именно сути такого явления, как атмосферное давление.

Если вы хорошо в этом разбираетесь, тогда сразу переходите к той части, где мы будем непосредственно обсуждать мобильный барометр.

Что такое атмосферное давление?

Рыбы живут под водой. Они могут легко передвигаться не только вперед-назад, но и вверх-вниз. Однако мало кто задумывается над тем, что мы также «погружены» в что-то наподобие жидкости — атмосферу. И благодаря этой «жидкости» также можем не только передвигаться по горизонтали, но и подниматься вверх на самолетах и вертолетах, отталкиваясь от воздуха.

Но что такое атмосфера и почему мы погружены в нее?

Атмосфера — это воздух, а воздух — это смесь различных газов, то есть, «плавающих» в пространстве молекул различных веществ. И я говорю не только о банальном кислороде или углекислом газе. В воздухе также летают молекулы обычной воды (H₂O) и других веществ.

Когда вода испаряется, с ее молекулами (H₂O) ничего не происходит. Вопреки распространенному заблуждению, они не «рассыпаются» на атомы кислорода (О) и водорода (H₂), а ровно в том же виде, в котором были водой, начинают парить в воздухе. Когда количество таких молекул (H₂O) в воздухе становится большим, мы говорим, что повысилась влажность воздуха, то есть, в воздухе буквально стало очень много обычной воды.

Мы находимся на самом дне этого «воздушного океана», глубиной примерно в 100 км. То есть, над нами нависает гигантский слой воздуха толщиной

100 км и весом в несколько миллионов миллиардов тонн:

Но если над нами так много воздуха и он имеет вес, почему мы не ощущаем никакой тяжести?

Прежде всего, воздух очень тяжелый. Если взять обычный маленький столик (метр на метр), то воздух будет давить на него с такой же силой, как если бы мы разместили на этом столе 10 легковых автомобилей:

И на каждый квадратный сантиметр любой поверхности, будь-то листочек на дереве или макушка головы, воздух давит с такой же силой, как килограммовая гиря. Получается, на каждый квадратный метр любой поверхности давит груз в 10 тонн!

Но как так получается, что мы не можем удержать на вытянутой руке 20-килограммовую гирю и в то же время можем легко держать раскрытую ладонь, на которую давит примерно 70 килограмм воздуха?

Весь секрет в том, что воздух не давит на все предметы только сверху вниз. Давление здесь работает так же, как и под водой, то есть, давит со всех сторон сразу. Нам не нужно пытаться удержать руку под весом атмосферы, ведь на нее давит 70 килограмм воздуха не только сверху, но и снизу:

Более того, ровно такое же давление испытывает наше тело не только снаружи, но и изнутри (воздух в легких, в желудке, в ушах за барабанными перепонками, давление крови). Поэтому суммарное давление на тело равняется нулю и мы его не ощущаем.

Когда мы вставляем трубочку в стакан с жидкостью, она не поднимается вверх, но как только мы начинаем вытягивать (высасывать) из трубочки воздух, его становится меньше и давление воздуха внутри трубки падает. В этот момент, атмосферное давление прижимает жидкость в стакане и она поднимается вверх по трубочке:

То есть, жидкость поднимается не потому, что мы ее как-то «притягиваем». Мы просто выкачиваем немножко воздуха из трубочки и атмосфера своим весом тут же поднимает жидкость. В космосе этот трюк не сработает, так как ничто не будет давить на сок в стакане.

То же касается и бутылки. Когда мы вытягиваем из нее воздух, давление внутри уменьшается и вот теперь бутылка начинает «ощущать» на себе всю тяжесть атмосферы. Ведь до этого давление воздуха снаружи бутылки полностью компенсировалось таким же давлением изнутри бутылки.

И чем больше воздуха мы выкачаем откуда-то, тем сильнее атмосфера раздавит этот предмет.

Или возьмите обычную присоску. Как она работает? Неужели весь секрет в ее «липкой» поверхности? Конечно же, нет. Весь секрет в том, что прижимая присоску к гладкой поверхности, вы выталкиваете из-под присоски воздух, создавая там пониженное атмосферное давление. И теперь атмосфера с огромной силой (10 тонн на квадратный метр) давит на присоску с внешней стороны и удерживает ее. Чем больше размер присоски, тем большая площадь, на которую будет давить атмосфера и тем сильнее она будет прижимать ее.

В общем, главное понимать одну простую вещь — мы находимся на «дне» атмосферы, то есть, на «дне океана» из различных молекул. И давление атмосферы постоянно изменяется.

Например, когда солнце нагревает землю, молекулы воздуха начинают ускоряться и расширяться, такие «горячие» молекулы поднимаются вверх, в результате чего давление внизу падает. Но как только давление в каком-то месте упало, сюда сразу же устремляются молекулы из близлежащих участков с высоким давлением:

Такое резкое движение мы ощущаем как ветер. Если разница в давлении слишком высокая, то и «напор» молекул будет очень сильным. Настолько сильным, что может вырывать деревья или разрушать дома.

Зачем на телефонах и часах нужен барометр, измеряющий давление?

Итак, мы живем на «дне океана» под названием атмосфера и неплохо было бы знать текущее давление. Как минимум, это позволило бы нам лучше предугадывать погоду на ближайший вечер.

Как я уже сказал, если давление воздуха вокруг вас падает, можете быть уверены в том, что рано или поздно оно начнет выравниваться. То есть, молекулы воздуха из области высокого давления устремятся к тому месту, где вы находитесь. Этот процесс будет сопровождаться ветром и плохой погодой.

Мы часто слышим от синоптиков такие слова как циклон или антициклон. Это и есть области низкого давления (циклон) и высокого давления (антициклон). То есть, вся погода крутится вокруг атмосферного давления.

К примеру, в день подготовки этой статьи барометр на моем смартфоне показал такую картину:

Уже в ближе к 18:00 я понимал, что ночью будет очень плохая погода. Так и произошло. К девяти часам вечера погода очень испортилась, начались сильные порывы ветра, метель.

Ровно то же мне могли показать и смарт-часы:

Для тех, кто увлекается рыбалкой, барометр в часах или смартфоне также является незаменимым инструментом. Ведь рыбы чувствуют изменение давления и по-разному себя ведут в зависимости от этого давления.

Но изменение погоды — далеко не главная функция барометра. В основном, барометр на фитнес-трекерах и многих спортивных часах используется для определения высоты. То есть, так называемый альтиметр (высотомер) — это и есть барометр, который сразу переводит давление в высоту.

На самом деле, концепция здесь очень простая. Взять, к примеру, бутылку с водой. Мы можем легко поделить эту воду на секции:

Интуитивно понятно, что давление воды на стенки бутылки будет разным в зависимости от секции. Мы даже можем убедиться в этом экспериментально, проколов маленькие отверстия в каждой секции:

Там, где давление воды выше, вода будет выталкиваться под более сильным напором и наоборот. Получается, мы можем измерять глубину, просто измеряя, с какой силой вода давит на наш измеритель.

Ровно то же происходит и с атмосферой. Чем «глубже» мы находимся, тем сильнее давление молекул воздуха. Соответственно, чем выше мы поднимаемся, тем ниже это давление:

Если бы у нас был какой-то прибор, ощущающий давление воздуха, мы могли бы легко переводить его показания в метры. Ведь мы хорошо знаем, какое нормальное давление на уровне моря. Получается, если это давление падает, значит мы либо поднимаемся, либо портится погода.

Кроме того, многим устройствам нужна калибровка альтиметра (высотомера), чтобы устройство изначально понимало, какое атмосферное давление принимать за условные 0 метров высоты. Ведь вам зачастую не нужно знать свою высоту над уровнем моря, вы хотите знать ее над уровнем земли, на которой стоите.

Для такой калибровки обычно используются показания GPS-трекера (в смартфоне или часах). Когда устройство по спутникам определяет свои координаты, оно сразу же получает высоту этого места над уровнем моря (скажем, 150 метров) и принимает ее за условный ноль. Теперь, при подъеме на 9-й этаж, устройство покажет не 179 метров высоты над уровнем моря, а 29 метров от земли.

И прежде, чем мы уже наконец-то поймем, как работает барометр, осталось ответить на последний вопрос.

В чем же измеряется атмосферное давление?

К сожалению, для отображения давления используется множество разных единиц измерения. Одни часы могут отображать давление в миллиметрах ртутного столба, другие — в гектопаскалях. Полный же список всех единиц выглядит так:

Зачастую, на часах, смарт-часах и фитнес-браслетах указывается влагозащита именно в атмосферах (atm) или барах (bar). Все современные фитнес-трекеры, начиная от Apple Watch и заканчивая Mi Band, имеют влагозащиту в 5 atm (атмосфер) или 5 bar. Эти единицы взаимозаменяемые, так как 1 atm = 1 bar.

Представить себе давление в атмосферах очень легко, так как 1 атмосфера — это и есть то давление, которое оказывает вся наша атмосфера на поверхность земли. Если бы мы взвесили столб воздуха высотой в 100 км (вся атмосфера, содержащая молекулы) и диаметром в

1 см, он бы весил 1 кг.

Конечно же, когда речь идет о часах, производитель подразумевает не воздух, а воду. Эта маркировка в атмосферах указывает, на какую глубину можно безопасно погружать устройство. Однако вода почти в 775 раз тяжелее воздуха и соответственно давление под водой увеличивается гораздо быстрее.

Если мы хотим поднять давление воздуха с одной атмосферы до двух, нам нужно разместить над головой столб воздуха в 2 раза превышающий высоту атмосферы, то есть, нужны буквально две атмосферы.

Но чтобы ровно настолько же увеличить давление под водой, нам достаточно погрузится на 10 метров. Поэтому, давление в атмосферах под водой можно считать очень просто: 1 атм = 10 метр глубины. Если часы выдерживают давление в 5 атм, это значит, что они выдерживают давление, создаваемое водой на глубине 50 метров.

Одна атмосфера — это также 760 миллиметров ртутного столба или около 10 метров водяного столба. Это значит, что если бы мы попытались выпить ртуть со стакана через трубочку, то нам бы удалось это сделать только, если длина этой трубочки будет менее 76 сантиметров. Одна атмосфера просто не сможет поднять ртуть выше этого значения.

То же касается и воды. Если бы мы налили в очень длинную (например, 15 метровую) пробирку воду, а затем перевернули ее и поставили в ведро с водой, то вода в пробирке опустилась бы под своим весом до отметки в 10 метров, так как дальше давление атмосферы сравнилось бы с силой тяжести:

Почему такая разница между ртутью и водой? Просто ртуть в 13 раз тяжелее воды, именно поэтому давление в 1 атмосферу (давление воздуха над уровнем моря) поднимает воду в пробирке гораздо выше (10 метров против 76 см).

Таким образом, если ваши часы или смартфон показывают давление, например, 730 мм рт. ст., это значит, что атмосферное давление понизилось, так как нормой считается именно 760 мм. Когда давление понизилось, оно уже не сможет поднять так высоко ртуть, соответственно, уровень ртути в трубочке (или пробирке) опустится с 76 см до 73 см.

К слову, именно таким образом и измеряли давление очень долгое время — смотрели, как сильно опускается и поднимается ртуть в стеклянной трубке. Но в современных гаджетах, конечно же, нет никакой ртути. И здесь мы плавно переходим к главному вопросу.

Как работает барометр в смартфонах и часах?

В мобильных устройствах используются MEMS-барометры. MEMS — это аббревиатура, которую можно расшифровать как микроэлектромеханические системы (МЭМС). Собственно, это микроскопические механизмы с электроникой внутри.

Теоретически измерить давление очень легко. Для этого можно сделать небольшую коробочку с гибкой мембраной:

Что будет внутри коробочки — решать вам. Можно полностью откачать все молекулы воздуха, чтобы там образовался вакуум. Тогда мембрана будет изгибаться внутрь под давлением атмосферы. Чем выше давление, тем сильнее будет изогнута мембрана и наоброт:

Можно внутри коробочки сделать давление, равное одной атмосфере, то есть, идеальному давлению на уровне моря — 760 мм рт. ст.

В таком случае наша мембрана будет прогибаться то внутрь, когда атмосферное давление будет выше нормы (выше давления внутри коробочки), то наружу, когда атмосферное давление упадет и станет ниже того, что внутри коробочки:

Это примерно как наши уши. Когда мы взлетаем на самолете или поднимаемся на скоростном лифте, давление атмосферы резко падает (мы «выплываем со дна» атмосферы на «поверхность», где давление гораздо ниже). Но давление воздуха внутри уха (за барабанной перепонкой) осталось прежним, каким было еще на земле.

В результате барабанная перепонка продавливается наружу и мы чувствуем, будто уши заложило. Если глотнуть слюну, в глотке автоматически откроются небольшие отверстия, ведущие прямо к ушам и воздух (избыточное давление в ушах) по трубкам выйдет прямо в носоглотку.

Только в случае с барометром нам ни в коем случае нельзя запускать воздух в коробочку, ведь смысл именно в том, чтобы мембрана изгибалась.

Вот как выглядит реальный мобильный барометр:

Обратите внимание на его размеры (2*2*0.75 мм). И это даже не коробочка с воздухом внутри. Это общая «упаковка», под которой скрывается сама коробочка с мембраной и микросхема. То есть, сам чувствительный элемент здесь еще раз в 6-7 меньше. Вот еще одно фото барометра рядом с линейкой для оценки масштаба:

Ну хорошо, с этим всё ясно. Мембрана движется в ответ на изменение давления, это чисто механический процесс, понятный даже ребенку. Но как смартфон отслеживает это изменение? Какой датчик и каким образом может уловить столь ничтожные колебания кремниевой мембраны? А они действительно настолько незначительные, что увидеть их невооруженным глазом невозможно.

Для отслеживания изгиба мембраны используется мост Уитстона.

Я, правда, не хочу выходить за рамки популярной статьи и углубляться в подробности, которые будут неинтересны широкому кругу читателей. Но, с другой стороны, объяснение принципа работы барометра останется неполным, так как совершенно неясно, как же смартфон фиксирует изгибы мембраны.

Поэтому давайте поступим так. Если тема кажется вам уже раскрытой, не стоит портить впечатление от статьи, погружаясь в детали. Можете просто поставить оценку статье и подписаться на наш Telegram-канал, чтобы не пропускать другие интересные материалы.

Но если вы все еще здесь, тогда продолжим!

Что такое мост Уитстона и как он работает?

Изгиб мембраны регистрируется смартфоном очень просто — чем сильнее она деформируется, тем выше будет электрическое напряжение на ее контактах. То есть, если давление повышается, мембрана изгибается сильнее и электрическое напряжение растет, если понижается — электрическое напряжение падает.

Измерив, сколько вольт «выдает мембрана», мы узнаем, какое там напряжение и, соответственно, как сильно давление воздуха деформировало мембрану.

Остается лишь одна задача — превратить механическую деформацию мембраны в электрический ток. Для этого используют тензорезисторы. Еще их называют пьезорезисторами из-за так называемого пьезорезистивного эффекта, который очень многие путают с пьезоэлектрическим эффектом.

Теперь давайте выдохнем и забудем обо всех этих терминах!

Когда ток идет по проводу, мы можем сделать так, чтобы его стало меньше, то есть, мы можем сделать так, чтобы в какой-то точке электроны «замедлялись»:

Для этого мы используем простую детальку под названием резистор. В физическом плане это может быть просто очень тонкий проводок (тоньше того, по которому ток шел до резистора), спрятанный в «коробочку» или какой-то материал, хуже проводящий ток. Главное то, что после резистора падает напряжение и сила тока (количество электронов, проходящих за секунду).

Это как шланг с водой. Воде гораздо проще течь по широкой трубе, чем по очень узкой. Возвращаясь к нашим трубочкам, попробуйте попить сок из широкой и узкой трубочек. В первом случае вам придется прикладывать гораздо меньше усилий, так как сок будет течь свободнее.

А теперь представьте, что у нас есть резистор, который может физически растягиваться. И когда он растягивается, провода, по которым течет ток, становятся более узкими и длинными. Соответственно, такой резистор будет еще сильнее препятствовать протеканию тока. Но когда резистор будет сжиматься, провода станут более широкими и короткими, то есть, сопротивление такого резистора упадет:

Это и есть тензорезистор! То есть, резистор, сопротивление которого изменяется при физической деформации. Конечно, в современных MEMS-барометрах нет никаких растягивающихся проводков, но принцип ровно тот же. Так называемые пьезорезисторы (по сути — те же тензорезисторы) — это полупроводниковый материал, который изменяет сопротивление при механических воздействиях.

Итак, у нас есть резисторы и тензорезисторы. Что с ними делать дальше? А дальше мы делаем невероятно простую схему, соединяя 4 резистора вот таким образом:

Это и есть мост Уитстона. Когда мы подключим к этому мосту напряжение от батарейки смартфона или часов, то по нему потечет ток и в каждом резисторе этот ток будет замедляться в зависимости от того, какое у каждого резистора сопротивление.

Всё, что нам осталось сделать — это измерить напряжение между точками A и B:

Весь смысл моста Уитстона заключается в том, что если правильно подобрать все четыре сопротивления, между этими точками не будет никакого напряжения, то есть, разницы потенциалов.

Другими словами, если на верхнем и нижнем проводе будет по 5 вольт, то между этими проводами не будет никакого напряжения (потенциал на верхнем и нижнем проводе одинаков), а значит и ток по проводу между точками A и B не будет протекать:

Как же подобрать эти резисторы? Я упущу несложные расчеты и просто скажу, что напряжения между точками A и B не будет в том случае, если R1*R3 = R4*R2. То есть, если умножив сопротивление первого резистора на сопротивление третьего, мы получим такое же значение, как если бы умножили сопротивление четвертого резистора на сопротивление второго, то между точками A и B ток проходить не будет.

Каким образом мы получили эту закономерность (R1*R3=R4*R2), я расскажу только в комментариях, если это вообще кому-то будет интересно.

И вот теперь самое главное! У нас уже есть мост Уитстона, который мы предварительно сбалансировали (балансировка моста — это и есть подбор резисторов нужных сопротивлений, чтобы работала наша простая формула).

Теперь вместо одного из резисторов или же вообще вместо всех резисторов, мы ставим тензорезисторы, которые изменяют свое сопротивление при деформации. А сами резисторы размещаем на мембране, которая изгибается под давлением.

Когда мембрана будет деформироваться, она изменит и форму тензорезисторов (показаны зеленым цветом), из-за чего тот изменит свое сопротивление:

Но как только один из резисторов меняет сопротивление, происходит разбалансировка моста Уитстона, то есть, теперь уже R1*R3 не будет равняться R4*R2 и между точками A и B возникнет напряжение, которое смартфон моментально зафиксирует, так как он непрерывно измеряет электрическое напряжение между точками A и B.

Более того, мост Уитстона позволяет не только определить напряжение, но и направление тока. При определенных значениях сопротивлений напряжение в точке A будет меньше, чем в точке B и ток потечет от B к A, в противном случае, ток потечет в обратную сторону. То есть, мы можем легко определять в какую сторону отклонилась мембрана (падает ли атмосферное давление или растет).

Вот так и замеряют смартфоны и часы атмосферное давление, если они, конечно, оснащены барометром!

Более того, именно на этом принципе и основана работа любых весов. То есть, во всех весах также есть тензорезисторы и мост Уитстона. Когда вы становитесь на весы, то немного деформируете «мембрану», которая изменяет и сопротивление тензорезистора.

И последнее! Если в вашем смартфоне есть датчик давления, тогда для того, чтобы им воспользоваться, нужно скачать соответствующее приложение. Их очень много как на Android, так и для iPhone. Просто в магазине приложений введите в поиск слово «барометр» и скачайте понравившуюся программу. Если же в смартфоне нет датчика, то и приложение работать не будет.

Алексей, глав. редактор Deep-Review

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Внизу страницы есть комментарии.

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!

Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?

Источник