Сколько весит воздух. Исследовательская работа "обладает ли весом воздух" Влияет ли состав воздуха на его вес
Разделы на этой странице:
Имеет ли воздух вес? Не спешите сказать «да» или «нет», подумайте.
Давайте проделаем такой опыт.
Возьмем весы, такие, как показаны на рисунке 42. Положим на левую чашку весов детский воздушный шарик, а на правую небольшими порциями будем сыпать песок до тех пор, пока не наступит равновесие. Наполним воздушный шарик воздухом. Завяжем его, чтобы воздух не вышел, и положим на весы. Равновесие нарушилось – чашка с надутым шариком перевесила. Значит, воздух имеет вес.
Рис. 42. Этот опыт доказывает, что воздух имеет вес
Вес воздуха
Взвешивая воздух, ученые установили, что он очень легкий. Его 1 кубический метр (сокращенно 1 м 3: 1 м в ширину, 1 м в длину и 1 м в высоту) весит 1290 г. Следует запомнить, что такой вес имеет воздух только у поверхности Земли. Если взвешивать воздух на различных расстояниях от Земли, то вес 1 м 3 воздуха будет уменьшаться с высотой. Чем дальше от поверхности Земли, тем воздух более разрежен, менее плотен, а значит, меньше весит.
Давление воздуха
Поскольку толщина атмосферы составляет более 1000 км, воздух оказывает значительное давление на земную поверхность: на 1 см 2 поверхности Земли он давит с силой в 1 кг. Подсчитаем, какое давление воздуха испытывает человек (поверхность его тела составляет в среднем 1,5 м 2 , или 15 тыс. см 2).
Получается, что на человека давит 15 т воздуха! Такого огромного давления, казалось бы, он не выдержит. Однако человек его не ощущает. Объясняется это тем, что кровь, другие жидкости и газы в организме сжаты до такого же давления и, действуя изнутри, уравновешивают внешнее давление.
Воздух оказывает давление на все предметы, находящиеся на поверхности Земли.
Чтобы в этом убедиться, проделаем опыт.
На поверхность стола положим тонкую рейку так, чтобы половина ее выступала за край стола. Накроем рейку листом бумаги размером с газету (можно и самой газетой). Бумага должна плотно лежать на поверхности стола. Резким ударом руки по рейке постараемся сбросить бумагу со стола. Однако рейка сломалась – бумага осталась лежать на столе. Это объясняется тем, что на бумагу воздух давит практически с одной стороны, так как к поверхности стола она плотно прилегает.
Рис. 43. Опыт, доказывающий, что воздух оказывает давление на все предметы, находящиеся на Земле. Даже сильный удар по линейке не смог поднять газету
Воздух давит на все окружающие предметы со всех сторон.
В далеком 1654 г. бургомистр города Магдебурга Отто фон Герике решил показать горожанам силу воздушного давления. Для опыта были изготовлены два металлических полушария (их впоследствии назвали «магдебургскими»). Плотно прилегая друг к другу, они образовывали полый шар. В одном из полушарий находилось отверстие для откачивания воздуха, которое затем плотно закрывалось, чтобы воздух не мог проникнуть в шар. В опыте использовались две восьмерки лошадей, впряженных в упряжки. Каждая упряжка через прочный крюк соединялась с полушарием. После того, как насосом откачивали воздух из шара, собранного из полушарий, лошади по команде тянули полушария в разные стороны, чтобы оторвать их друг от друга. Но шар только покачивался и оставался целым и невредимым. Когда же внутрь шара впустили воздух, полушария сами распались (рис. 44).
Рис. 44. Опыт с магдебургскими полушариями
Воздух – неосязаемая величина, его невозможно пощупать, понюхать, он находится повсюду, но для человека он невидим, узнать, сколько весит воздух непросто, но возможно. Если поверхность Земли, как в детской игре расчертить на мелкие квадратики, размером 1х1 см, то вес каждого из них будет равен 1 кг, то есть в 1см 2 атмосферы содержится 1 кг воздуха.
Можно ли это доказать? Вполне. Если соорудить весы из обычного карандаша и двух воздушных шаров, закрепив конструкцию на нити, карандаш будет находиться в равновесии, поскольку вес двух накачанных шариков одинаков. Стоит проткнуть один из шаров, перевес окажется в сторону надутого шарика, потому как воздух из поврежденного шарика вышел наружу. Соответственно, простой физический опыт доказывает, что воздух имеет некий вес. Но, если взвесить воздух на равнинной поверхности и в горах, то его масса окажется различной – горный воздух значительно легче, чем тот, которым мы дышим возле моря. Причин разного веса несколько:
Вес 1м 3 воздуха составляет 1,29 кг.
- чем выше поднимается воздух, тем более разреженным он становится, то есть высоко в горах, давление воздуха будет составлять не 1 кг на см 2 , а вполовину меньше, но и содержание необходимого для дыхания кислорода так же уменьшается ровно вполовину, что способно вызвать головокружение, тошноту и боль в ушах;
- содержание воды в воздухе.
В состав воздушной смеси входят:
1.Азот – 75,5%;
2. Кислород – 23,15%;
3. Аргон – 1,292%;
4. Углекислый газ – 0,046%;
5. Неон – 0,0014%;
6. Метан – 0,000084%;
7. Гелий – 0,000073%;
8. Криптон – 0,003%;
9. Водород – 0,00008%;
10. Ксенон – 0,00004%.
Количество ингредиентов в составе воздуха может меняться и, соответственно, масса воздуха так же претерпевает изменения в сторону увеличения или уменьшения.
- воздух всегда содержит пары воды. Физическая закономерность такова, что чем выше температура воздуха, тем больше воды в нем содержится. Этот показатель называется влажностью воздуха и влияет на его вес.
В чем измеряется вес воздуха? Существует несколько показателей, которые определяют его массу.
Сколько весит куб воздуха?
При температуре, равной 0° по Цельсию вес 1м 3 воздуха составляет 1,29 кг. То есть, если в комнате мысленно выделить пространство высотой, шириной и длиной, равными 1м, то в этом воздушном кубе будет находиться именно это количество воздуха.
Если воздух имеет вес и вес, достаточно ощутимый, почему человек не чувствует тяжести? Такое физическое явление, как атмосферное давление, подразумевает, что на каждого жителя планеты давит воздушный столб весом 250 кг. Площадь ладони взрослого человека, в среднем, равна 77 см 2 . То есть, в соответствии с физическим законами, каждый из нас держит на ладони 77 кг воздуха! Это равноценно тому, что мы постоянно носим в каждой руке по 5 пудовых гирь. В реальной жизни это не под силу даже тяжелоатлету, однако, с такой нагрузкой каждый из нас справляется легко, потому что атмосферное давление давит с двух сторон, как снаружи человеческого организма, так и изнутри, то есть разница в конечном итоге равна нулю.
Свойства воздуха таковы, что он по-разному действует на организм человека. Высоко в горах, из-за недостатка кислорода у людей возникают зрительные галлюцинации, а на большой глубине, соединение кислорода и азота в особую смесь – «веселящий газ» может создавать чувство эйфории и ощущение невесомости.
Зная эти физические величины можно рассчитать массу атмосферы Земли – то количество воздуха, которое удерживается в околоземном пространстве силами тяготения. Верхняя граница атмосферы заканчивается на высоте 118 км, то есть, зная вес м 3 воздуха, можно поделить всю заемную поверхность на воздушные столбы, с основанием 1х1м и сложить полученную массу таких колонн. В конечном итоге, она будет равна 5,3*10 в пятнадцатой степени тонн. Вес воздушной брони планеты достаточно велик, но и он составляет лишь одну миллионную долю от общей массы земного шара. Атмосфера Земли служит своеобразным буфером, сохраняющим Землю от неприятных космических сюрпризов. От одних только солнечных бурь, которые достигают поверхности планеты, атмосфера теряет в год до 100 тысячи тонн от своей массы! Такой невидимый и надежный щит – воздух.
Сколько весит литр воздуха?
Человек не замечает, что его постоянно окружает прозрачный и практически невидимый воздух. Можно ли увидеть этот неосязаемый элемент атмосферы? Наглядно, перемещение воздушных масс ежедневно транслируется на телевизионном экране – теплый или холодный фронт приносит долгожданное потепление или обильный снегопад.
Что еще мы знаем о воздухе? Наверное, то, что он жизненно необходим всем живым существам, обитающим на планете. Человек каждые сутки вдыхает и выдыхает порядка 20 кг воздуха, четвертая часть которого потребляется мозгом.
Вес воздуха можно измерять в разных физических величинах, в том числе и в литрах. Вес одного литра воздуха будет равняться 1,2930 грамм, при давлении 760 мм рт. столба и температуре, равной 0°С. Кроме привычного газообразного состояния воздух может встречаться и в жидком виде. Для перехода субстанции в данное агрегатное состояние потребуется воздействие огромного давления и очень низких температур. Астрономы предполагают, что существуют планеты, поверхность которых полностью покрыта жидким воздухом.
Источниками кислорода, необходимого для существования человека, являются леса Амазонии, которые продуцируют до 20% этого важного элемента на всей планете.
Леса – это действительно «зеленые» легкие планеты, без которых существование человека попросту невозможно. Поэтому живые комнатные растения в квартире являются не просто предметом интерьера, они очищают воздух в помещении, загрязнение которого в десятки раз выше, чем на улице.
Чистый воздух давно стал дефицитом в мегаполисах, загрязненность атмосферы настолько велика, что люди готовы покупать чистый воздух. Впервые «продавцы воздуха» появились в Японии. Они производили и продавали чистый воздух в консервных банках и любой житель Токио мог на ужин открыть баночку чистейшего воздуха, и насладиться его свежайшим ароматом.
Чистота воздуха оказывает значительное влияние не только на здоровье человека, но и животных. В загрязненных районах экваториальных вод, возле населенных людьми мест десятками гибнут дельфины. Причиной смерти млекопитающих является загрязненная атмосфера, на вскрытии животных легкие дельфинов напоминают легкие шахтеров, забитые угольной пылью. Очень чувствительны к загрязнению воздуха и обитатели Антарктиды – пингвины, если воздух содержит большое количество вредных примесей, они начинают тяжело и прерывисто дышать.
Для человека чистота воздуха так же очень важна, поэтому после работы в офисе врачи рекомендуют совершать ежедневные часовые прогулки в парке, лесу, за городом. После такой «воздушной» терапии, жизненные силы организма восстанавливаются и значительно улучшается самочувствие. Рецепт этого бесплатного и эффективного лекарства известен с давних времен, многие ученые, правители считали обязательным ритуалом ежедневные прогулки на свежем воздухе.
Для современного городского жителя лечение воздухом очень актуальна: небольшая порция живительного воздуха, вес которой равен 1-2 кг, является панацеей от многих современных недугов!
Когда мы хотим подчеркнуть лёгкость, почти «невесомость» чего-то, мы обычно говорим «воздушный», тем самым подчёркивая, что воздух представляется нам чем-то, не имеющим веса. В этом люди были уверены на протяжении многих веков, и уверенность подкреплялась авторитетом такого уважаемого учёного, как Аристотель. Этот великий древнегреческий философ однажды задался вопросом, есть ли вес у воздуха. Как подобает учёному, он решил проверит это в эксперименте. На одну чашу весов он положил надутый воздухом кожаный бурдюк, на другую – точно такой же бурдюк, только пустой. Чаши весов уравновесились, следовательно, воздух ничего не весит!
Не будем судить строго: в то время физика только зарождалась, и Аристотель, как всякий первопроходец, не мог избежать ошибок. Чтобы понять, в чём была ошибка великого учёного, вспомним точное значение слова «вес»: сила, с которой тело действует на опору или подвес. То, что мы в быту называем весом и измеряем в килограммах – это масса, свойство тел изменять свою скорость при действии на них силы. Смешивать эти понятия не надо: в невесомости тела теряют именно вес, а не массу, так что в космическом корабле шкаф будет висеть в воздухе, но сдвинуть его с места будет не легче, чем на Земле. Так вот, с помощью весов измеряют именно вес, но вес этот соответствует определённой массе, а поскольку интересует нас при этом именно масса, для простоты мы говорим при этом о граммах и килограммах, а не о ньютонах, в которых измеряется сила, но измеряется-то именно сила, вот именно с силой и вышла ошибка. Когда кожаный бурдюк, надули, увеличился его объём, следовательно, изменилась действующая на него выталкивающая сила окружающего воздуха (закон Архимеда, который во времена Аристотеля ещё не был открыт), вот чаши весов и уравновесились.
Другим путём пошёл Г.Галилей. Он взвешивал не мешок, а полый медный шар, который свой объём изменять не может. Исследователь положил его на весы, а затем откачал воздух из шара. И что же? Шар стал легче! Это означало, что «невесомый» воздух весил!
По тем временам такое заявление могло выглядеть чрезвычайно смелым (шутка ли - спорить с самим Аристотелем, чьи взгляды «освящались» авторитетом католической церкви!), но сейчас мы понимаем, что это логично. Чтобы тело обладало весом (т.е. действовало на опору), нужно, в сущности, немного – чтобы на него действовала сила земного притяжения. На воздух она действует. Будь это не так, у нас бы и атмосферы не осталось, все атомы газов, составляющих её, разлетелись бы в космическом пространстве, следовательно, есть у воздуха и вес, который действует на земную поверхность и на всё, что на ней находится. Вес этот действительно невелик – напёрсток воды, например, весит больше, чем литр воздуха, но… его много! Если мы возьмём воздух от земной поверхности до верхней границы атмосферы на площади в один квадратный сантиметр – это будет вес, соответствующий одному килограмму. Площадь человеческой ладони – около 70 квадратных сантиметров, следовательно, воздух оказывает на неё такое воздействие, как если бы мы держали на ладони предмет массой в 70 кг! А на человеческое тело в целом воздух действует с силой, соответствующей 15 тоннам, это три грузовика-пятитонки!
Но мы этой тяжести не ощущаем по одной простой причине: внутри нашего тела тоже есть воздух, и действует он с такой же силой, уравновешивая вес воздуха снаружи. Иначе и быть не может, ведь наш биологический вид возник на этой планете, в условиях этой атмосферы. А вот атмосфера Венеры, например, раздавила бы нас в два счёта!
Хотя мы и не чувствуем воздух вокруг себя, воздух - это не ничто. Воздух - это смесь газов: азота, кислорода и других. А газы, как и другие вещества, состоят из молекул, и поэтому имеют вес, хотя и небольшой.
С помощью опыта можно доказать, что воздух имеет вес. На середине палки длиной сантиметров в шестьдесят укрепим веревочку, а к обоим ее концам привяжем два одинаковых воздушных шарика. Подвесим палку за веревочку и увидим, что она висит горизонтально. Если теперь проткнуть иголкой один из надутых шариков, из него выйдет воздух, и тот конец палки, к которому он был привязан, поднимется вверх. Если проколоть и второй шарик, то палка снова займет горизонтальное положение.
Это происходит потому что воздух в надутом шарике плотнее , а значит, и тяжелее , чем тот, что находится вокруг него.
Сколько весит воздух, зависит от того, когда и где его взвешивают. Вес воздуха над горизонтальной плоскостью - это атмосферное давление. Как и все предметы, окружающие нас, воздух тоже подвержен земному притяжению. Оно-то и наделяет воздух весом, который равен 1 кг на квадратный сантиметр. Плотность воздуха равна около 1,2 кг/м 3 , то есть куб со стороной 1 м, наполненный воздухом, весит 1,2 кг.
Воздушный столб, вертикально поднимающийся над Землей, тянется на несколько сотен километров. Значит, на стоящего прямо человека, на его голову и плечи, площадь которых составляет примерно 250 см 2 , давит столб воздуха весом около 250 кг!
Мы не смогли бы выдерживать такую тяжесть, если бы ей не противостояло такое же давление внутри нашего тела. Следующий опыт поможет нам понять это. Если растянуть двумя руками бумажный лист и кто-то с одной стороны надавит на него пальцем, то результат будет один - дырка в бумаге. Но если надавить двумя указательными пальцами на одно и то же место, но с разных сторон, ничего не случится. Давление с обеих сторон будет одинаковым. То же самое происходит и с давлением воздушного столба и встречным давлением внутри нашего тела: они равны.
Воздух обладает весом и со всех сторон давит на наше тело.
Но он не может раздавить нас, ибо встречное давление тела равно внешнему.
Изображенный выше простой опыт делает это очевидным:
если с одной стороны надавить пальцем на лист бумаги, он порвется;
но если надавить на него с обеих сторон, этого не произойдет.
Кстати...
В повседневности, когда мы что-то взвешиваем, мы делаем это в воздухе, и поэтому мы пренебрегаем его весом, так как вес воздуха в воздухе равен нулю. Например, если мы взвесим пустую стеклянную колбу, мы будем считать полученный результат весом колбы, пренебрегая тем, что она наполнена воздухом. А вот если колбу закрыть герметично и откачать из нее весь воздух, мы получим совсем другой результат...
Светлана Чебышева
Опыт №1. «Где спрятался воздух?»
Оборудование: целлофановые пакеты, зубочистки.
Скажите, вы видите воздух вокруг нас? (нет, не видим)
Значит, воздух, какой? (невидимый) .
Давайте поймаем воздух.
Возьмите со стола целлофановые пакеты и попробуйте поймать воздух.
Закрутите пакеты.
Что произошло с пакетами? (они надулись, приобрели форму)
Попробуйте сдавить пакет. Почему не получается? (внутри находится воздух)
Где можно использовать это свойство воздуха? (надувной матрац, спасательный круг).
Давайте сделаем вывод: Воздух не имеет формы, он приобретает форму того предмета в который он попадает.
А теперь посмотрите на свою руку через пакет. Вы видите руку? (видим) .
Значит, воздух, какой? (он прозрачный, бесцветный, невидимый).
Давайте проверим, действительно внутри находится воздух?
Возьмите острую палочку и осторожно проколите мешочек. Поднесите его к лицу и нажмите на него руками.
Что вы чувствуете? (шипение) .
Так выходит воздух. Мы его не видим, но чувствуем.
Какой сейчас можно сделать вывод? Воздух нельзя увидеть, но его можно почувствовать.
Вывод: Воздух прозрачный, невидимый, бесцветный, не имеет формы.
Опыт №2. «Как увидеть воздух?»
Оборудование: трубочки для коктейля, стаканы с водой.
Подуйте через трубочку на свою ладошку.
Что почувствовала ладошка? (движение воздуха – ветерок) .
Воздухом мы дышим через рот или через нос, а потом его выдыхаем.
Можно ли увидеть воздух, которым мы дышим?
Давайте попробуем. Погрузите трубочку в стакан с водой и подуйте.
На воде появились пузырьки.
Откуда взялись пузырьки? (Это воздух, который мы выдыхали) .
Куда плывут пузырьки – поднимаются вверх или опускаются на дно?
(Воздушные пузырьки поднимаются вверх) .
Потому что воздух легкий, он легче воды. Когда весь воздух выйдет, пузырьков не будет.
Вывод: Воздух легче воды.
Опыт №3. «Воздух - невидимка»
Оборудование: большая прозрачная ёмкость с водой, стакан, салфетка.
На дно стакана необходимо закрепить бумажную салфетку. Перевернуть стакан вверх дном и медленно опустить его в ёмкость с водой.
Обратить внимание детей на то, что стакан нужно держать очень ровно. Вынули стакан из воды и потрогали салфетку, она оказалась сухой.
Что получается? Попадает ли вода в стакан? Почему нет?
Это доказывает, что в стакане находился воздух, который не пустил воду в стакан. А раз воды нет, значит, она намочить салфетку не может.
Детям предлагается снова опустить стакан в банку с водой, но теперь предлагается держать стакан не прямо, а немного наклонив его.
Что появляется в воде? (Видны пузырьки воздуха) .
Откуда они взялись? Воздух выходит из стакана, и его место занимает вода.
Вывод: Воздух прозрачный, невидимый.
Опыт №4. «Движение воздуха»
Оборудование: Заранее сделанные из цветной бумаги веера.
Ребята, а мы можем почувствовать движение воздуха? А увидеть?
На прогулке мы часто наблюдаем движение воздуха (качаются деревья, бегут облака, крутится вертушка, пар изо рта) .
А в комнате мы можем почувствовать движение воздуха? Как? (вентилятор) .
Воздух не видим, зато мы его можем ощутить.
Возьмите веера и помашите им в лицо.
Что вы чувствуете? (Чувствуем, как воздух движется) .
Вывод: Воздух движется.
Опыт №5. «Имеет ли воздух вес?»
Оборудование: два одинаково надутых воздушных шарика, зубочистка, весы (можно заменить палкой длинной около 60-ти см. На её середине закрепите верёвочку, а на концах воздушные шары) .
Предложите детям подумать, что произойдёт, если вы проткнёте один из шаров острым предметом.
Проткните зубочисткой один из надутых шаров.
Из шарика выйдет воздух, а конец, к которому он привязан, поднимется вверх. Почему? (Шарик без воздуха стал легче) .
Что произойдёт, когда мы проткнём и второй шарик?
Проткните зубочисткой второй шарик.
У вас опять восстановится равновесие. Шарики без воздуха весят одинаково, так же, как и надутые.
Вывод: Воздух имеет вес.
