หลายคนรู้ดีว่าความสูงที่เพิ่มขึ้น ความกดอากาศจะลดลง พิจารณาคำถามที่ว่าทำไมความกดอากาศจึงลดลงตามความสูง ให้สูตรการขึ้นกับแรงกดบนความสูง และพิจารณาตัวอย่างการแก้ปัญหาโดยใช้สูตรที่ได้
อากาศคืออะไร
อากาศเป็นก๊าซที่ไม่มีสีซึ่งประกอบเป็นชั้นบรรยากาศของโลก ประกอบด้วยก๊าซหลายชนิด ได้แก่ ไนโตรเจน (78%) ออกซิเจน (21%) อาร์กอน (0.9%) คาร์บอนไดออกไซด์ (0.03%) และอื่นๆ
จากมุมมองของฟิสิกส์ พฤติกรรมของอากาศภายใต้สภาวะที่มีอยู่บนโลกนั้นเป็นไปตามกฎของก๊าซในอุดมคติ ซึ่งเป็นแบบจำลองที่โมเลกุลและอะตอมของก๊าซไม่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ระยะห่างระหว่างพวกมันนั้นมากเมื่อเทียบกับขนาดของพวกมัน และความเร็วของการเคลื่อนที่ที่อุณหภูมิห้องอยู่ที่ประมาณ 1,000 เมตร/วินาที
ความกดอากาศ
เมื่อพิจารณาถึงคำถามเกี่ยวกับความกดดันจากระดับความสูงแล้ว คุณควรคิดให้ออกว่าเป็นตัวแทนของอะไรเป็นแนวคิดของ "แรงกดดัน" จากมุมมองทางกายภาพ ความกดอากาศเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นแรงที่คอลัมน์อากาศกดลงบนพื้นผิว ในทางฟิสิกส์ วัดเป็นปาสกาล (Pa) 1 Pa หมายความว่า แรง 1 นิวตัน (N) ถูกกระทำในแนวตั้งฉากกับพื้นผิว 1 m22 ดังนั้นความดัน 1 Pa จึงเป็นความดันที่น้อยมาก
ที่ระดับน้ำทะเล ความกดอากาศ 101,325 Pa. หรือปัดเศษ 0.1 MPa ค่านี้เรียกว่าความดัน 1 บรรยากาศ รูปด้านบนบอกว่าบนแท่น 1m2 กดอากาศด้วยแรง 100 kN! นี่เป็นพลังที่ยิ่งใหญ่ แต่คน ๆ หนึ่งไม่รู้สึกเพราะเลือดในตัวเขาสร้างแรงกดดันที่คล้ายกัน นอกจากนี้ อากาศยังหมายถึงสารของเหลว (ของเหลวก็เป็นของพวกมันด้วย) และนี่หมายความว่ามันออกแรงกดเท่ากันในทุกทิศทาง ข้อเท็จจริงสุดท้ายแสดงให้เห็นว่าแรงกดดันของบรรยากาศจากด้านต่างๆ ของบุคคลนั้นได้รับการชดเชยร่วมกัน
การขึ้นอยู่ความกดดันต่อระดับความสูง
บรรยากาศรอบโลกของเรายึดถือโดยแรงโน้มถ่วงของโลก แรงโน้มถ่วงมีส่วนรับผิดชอบต่อการลดลงของความกดอากาศเมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้น ในทางธรรม ควรสังเกตว่าไม่เพียงแต่แรงโน้มถ่วงของโลกเท่านั้นที่นำไปสู่ความกดดันที่ลดลง และยังช่วยลดอุณหภูมิอีกด้วย
เนื่องจากอากาศเป็นของเหลว คุณสามารถใช้สูตรไฮโดรสแตติกสำหรับการพึ่งพาแรงดันที่ความลึก (ความสูง) ได้ ซึ่งก็คือ ΔP=ρgΔh โดยที่: ΔP คือปริมาณของแรงดัน เปลี่ยนเมื่อเปลี่ยนความสูงโดย Δh, ρ - ความหนาแน่นของอากาศ g - การเร่งการตกอย่างอิสระ
เนื่องจากอากาศเป็นก๊าซในอุดมคติ จึงเป็นไปตามสมการก๊าซในอุดมคติของสถานะที่ ρ=Pm/(kT) โดยที่ m คือมวลของ 1 โมเลกุล T คืออุณหภูมิ k คือค่าคงที่ของ Boltzmann
รวมสองสูตรข้างต้นและแก้สมการความดันและความสูงที่ได้ผลลัพธ์ จะได้สูตรต่อไปนี้: Ph=P0e-mgh/(kT) โดยที่ Ph และ P0- ความดันที่ความสูง h และที่ระดับน้ำทะเลตามลำดับ นิพจน์ผลลัพธ์เรียกว่าสูตรความกดอากาศ สามารถใช้คำนวณความดันบรรยากาศตามระดับความสูงได้
บางครั้งเพื่อวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติ จำเป็นต้องแก้ปัญหาผกผัน นั่นคือ การหาความสูง รู้แรงกดดัน จากสูตรความกดอากาศ คุณสามารถรับการพึ่งพาระดับความสูงของระดับความดันได้อย่างง่ายดาย: h=kTln(P0/Ph)/(m g).
ตัวอย่างการแก้ปัญหา
เมืองลาปาซของโบลิเวียเป็นเมืองหลวงที่ "สูงที่สุดในโลก" จากแหล่งต่างๆ ตามมาว่าเมืองนี้ตั้งอยู่ที่ระดับความสูง 3250 เมตร ถึง 3700 เมตรจากระดับน้ำทะเล งานคือการคำนวณความกดอากาศที่ระดับความสูงของลาปาซ
ในการแก้ปัญหา เราใช้สูตรสำหรับการพึ่งพาความสูง: Ph=P0e -mg h/(kT) โดยที่: P0=101 325 Pa, g=9.8 m/s 2, k=1.3810-23 J/K, T=293 K (20 oC), h=3475 ม. (เฉลี่ยระหว่าง 3250 ม. และ3700 ม.), ม.=4, 81710-26 กก. (คำนึงถึงมวลโมลาร์ของอากาศ 29 กรัม/โมล) แทนที่ตัวเลขเราจะได้: Ph=67,534 Pa.
ดังนั้น ความกดอากาศในเมืองหลวงของโบลิเวียจึงอยู่ที่ 67% ของความกดอากาศที่ระดับน้ำทะเล ความกดอากาศต่ำทำให้เกิดอาการวิงเวียนศีรษะและความอ่อนแอทั่วไปของร่างกายเมื่อบุคคลปีนเข้าไปในพื้นที่ภูเขา