by 
Ένα φύλλο εργασίας για τη διδασκαλία της ατμοσφαιρικής πίεσης στη Β’ Γυμνασίου.
Αν τα καταφέραμε καλά στην υδροστατική πίεση, ίσως η (αόρατη) ατμοσφαιρική πίεση γίνει πιο προσιτή…
Κλείνοντας ερμηνεύουμε ένα κλασικό και απλό (;) πειραματάκι.
Θα βρείτε το φύλλο εργασίας εδώ. Σχόλια ευπρόσδεκτα.
Περισσότερα φύλλα εργασίας διαθέσιμα στο epsimos.com
Μια παρατήρηση μόνο Γιώργο.
Το παράθεμα με τον ωκεανό αέρα, ίσως να οδηγήσει στην εντύπωση πως η ατμοσφαιρική πίεση οφείλεται στην βαρύτητα, όπως η υδροστατική. Οφείλεται όμως σε βομβαρδισμό από κινούμενα μόρια.
Πιο πρακτικά:
Σε έναν δορυφόρο έχουμε ένα μπαλόνι με αέρα και ένα κλειστό δοχείο με νερό. Η πίεση στο μπαλόνι δεν μηδενίζεται, ενώ η υδροστατική (η διαφορά πιέσεων) στο δοχείο με το νερό, μηδενίζεται.
Το ότι η άνωση είναι και στα αέρια ίση με το βάρος του εκτοπιζόμενου αέρα, ωφείλεται στο ότι μαζεύονται χαμηλότερα πιο πολλά μόρια.
Δυο αποδείξεις:
1η
2η
Και αν το μπαλόνι με τον αέρα ήταν στο διάστημα πόση θα ήταν η πίεση; Επίσης αν το δοχείο με το νερό ήταν κλεισμένο με έμβολο πόση θα ήταν τότε η πίεση στο εσωτερικό του;
Αν το μπαλόνι με τον αέρα ήταν στο διάστημα, ή θα έσκαζε ή θα διογκωνόταν. Η πίεση τότε θα καθοριζόταν από τις δυνάμεις ελαστικότητας που θα ασκούσε το εκπληκτικά ανθεκτικό μπαλόνι. Αν είχες αντί για μπαλόνι ένα δοχείο με έμβολο, θα είχαμε συνεχή κίνηση του εμβόλου.
Αν το έμβολο το συγκρατούσε ένα ελατήριο, θα μετακινούνταν μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία δυνάμεων. Δηλαδή η δύναμη του ελατηρίου να αποκτούσε ίδιο μέτρο με την P.A . Ο υπολογισμός θα ενέπλεκε και την καταστατική εξίσωση.
Αν το δοχείο είχε έμβολο (μέσα στον χώρο του δορυφόρου) θα είχε πίεση σε όλα τα σημεία του ίση με την πίεση του αέρα στο εσωτερικό του δορυφόρου.
Γιάννη, ευχαριστώ πολύ για το σχόλιο σου.
Έχω αρκετό δρόμο μέχρι να αρχίσω να αμφισβητώ τις γνώσεις σου στη φυσική. Από όσα δικά σου έχω διαβάσει, τις θαυμάζω. Ανυπομονώ να διαβάσω σχόλιο σου όταν ειδοποιούμαι ότι υπάρχει σε κάποιο φύλλο εργασίας μου. Αλλά, εν προκειμένω, λέω να αυθαδιάσω και να πω ότι: η ατμοσφαιρική πίεση οφείλεται στη βαρύτητα! Τα μόρια που πραγματοποιούν τους βομβαρδισμούς που περιγράφεις, αν δεν υπήρχε η βαρύτητα, δεν θα ήταν καν εκεί. Θα την είχαν κάνει για το διάστημα. Έτσι δεν είναι;
Κι επειδή (ομολογώ) το σχόλιό σου ήταν τόσο χρήσιμο που με έκανε να ξανανοίξω κάποια βιβλία (ειλικρινά ευχαριστώ πολύ γι αυτό!), αντιγράφω:
1) από το Physics του Giancoli, (σελ. 278 5th edition): "The pressure due to the weight of the atmosphere is exerted on all objects immersed in this great sea of air, including our bodies".
2) από τις Έννοιες της Φυσικής του Hewitt (σελ. 271): "Ζούμε στον πυθμένα ενός ωκεανού από αέρα. Η ατμόσφαιρα, ακριβώς όπως και το νερό μιας λίμνης, ασκεί πίεση" και (αναφορικά με το πείραμα του φον Γκέρικε) στην επόμενη σελίδα "Τα ημισφαίρια και το έμβολο ωθούνται από το βάρος της ατμόσφαιρας. Όπως ακριβώς η πίεση του νερου οφείλεται στο βάρος του, έτσι και η ατμοσφαιρική πίεση οφείλεται στο βάρος του αέρα".
3) H wikipedia επίσης δίνει ορισμό "Atmospheric pressure, […] is the pressure within the atmosphere of Earth (or that of another planet). In most circumstances atmospheric pressure is closely approximated by the hydrostatic pressure caused by the weight of air above the measurement point".
Φαίνεται λοιπόν το μοντέλο "ζούμε στον πάτο του ατμοσφαιρικού ωκεανού" να παίζει αρκετά. Μπορεί να ερμηνευουμε την πίεση σε κάποιο σημείο της ατμόσφαιρας με ένα μοντέλο πολλαπλών βομβαρδισμών από μόρια (και να χρησιμοποιούμε τα ανάλογα μαθηματικά), όμως αυτό απέχει από το να αρνηθούμε ότι η βαρύτητα παίζει ρόλο και μάλιστα γενεσιουργό. Ναι, γίνονται βομβαρδισμοί από μόρια, ισχύει το μοντέλο, ισχύουν και οι αποδείξεις που βασίζονται σε αυτό, αλλά αν δεν υπήρχε ο πλανήτης κάτω από τα πόδια μας δεν θα υπήρχε καν ατμόσφαιρα.
Αλλά ας δεχτώ ότι έχεις δίκιο. Με ποιο μοντέλο ερμηνείας θα μπω στην τάξη (Γυμνάσιο); Με το μοντέλο "έχει βάρος από πάνω μας" ή με το "μας γίνονται ανελέητοι βομβαρδισμοί". Και τα δύο "αόρατα" είναι, δηλαδή ίσως μανίκι για μαθητές που μόλις μπήκαν στο στάδιο των αφαιρετικών συλλογισμών. Επέλεξα το πρώτο. Η έξτρα δυσκολία της στατιστικής ματιάς των μοριακών βομβαρδισμών μου φαίνεται υπερβολική, μόνο και μόνο για να είμαι συνεπής σε σχέση με το μοντέλο ερμηνείας που χρησιμοποιούν φοιτητές του φυσικού.
Καλημέρα Γιώργο.
Ευχαριστώ για τα καλά λόγια.
Έχω 29 χρόνια να δουλέψω σε Γυμνάσιο και φοβάμαι το ενδεχόμενο να παρουσιάσω κάτι σε μικρούς.
Δεν ξέρω τι θα επέλεγα να πω. Ίσως θα έλεγα ότι και σε δορυφόρο υπάρχει πίεση αέρα διότι οι βομβαρδισμοί….
Οπωσδήποτε θα έλεγα ότι η άνωση είναι ακριβώς ίση με το βάρος του εκτοπιζόμενου αέρα. Δεν πρόκειται τελικά για σύμπτωση, αλλά για δυναμική κατάσταση, κάτι που προφανώς θα παρέλειπα. Λίγα λόγια για το Χίντεμπουρκ και τα αερόστατα ζεστού αέρα.
Εκτιμώ πολύ τον Χιούιτ και πρέπει να ξανασκεφτώ. Για να κάνει την διδακτική αυτήν επιλογή, όφελος θα υπάρχει.