לחץ אטמוספרי: למה האוויר לוחץ עלינו ואיך מודדים אותו

• כיתה ח’
• לחץ וציפה
• 7 דקות קריאה

האוויר שמעלינו שוקל הרבה, והוא לוחץ על כל סנטימטר רבוע של הגוף. איך טוריצ׳לי מדד את הלחץ הזה, למה הוא יורד בהרים, ואיך הוא מעלה משקה בקשית. עם שני תרגילים פתורים.

התשובה בקצרה

לחץ אטמוספרי הוא הלחץ שהאוויר מפעיל בגלל המשקל של כל שכבת האוויר שמעלינו.

• כמה הוא: בגובה פני הים כ־101,325 פסקל, ובתרגילים מעגלים ל־100,000 פסקל. זה כ־10 ניוטון על כל סנטימטר רבוע.
• איך מודדים: בברומטר. לחץ האוויר מחזיק עמוד כספית בגובה של כ־76 סנטימטרים, או עמוד מים בגובה של כ־10 מטרים.
• מה משנה אותו: הגובה. ככל שעולים, יש פחות אוויר מעלינו, והלחץ יורד.

למי זה מיועד: לתלמידי כיתה ח׳ שלומדים את פרק הלחץ. כדאי להכיר קודם את נוסחת הלחץ ואת הלחץ בתוך נוזל.

מה זה לחץ אטמוספרי

מעל הראש שלנו יש שכבת אוויר בעובי של עשרות קילומטרים. לאוויר יש מסה, ולכן יש לו משקל. כל המשקל הזה לוחץ על כל מה שנמצא מתחתיו: על הקרקע, על הבתים ועל הגוף שלנו. הלחץ הזה נקרא לחץ אטמוספרי, או בקיצור לחץ האוויר.

בגובה פני הים הלחץ הממוצע הוא כ־101,325 פסקל, ובתרגילים מעגלים אותו ל־100,000 פסקל. כדי להרגיש כמה זה, נמיר לסנטימטרים: על כל סנטימטר רבוע האוויר לוחץ בכוח של כ־10 ניוטון. זה בערך המשקל של שקית סוכר של קילוגרם, על שטח של ציפורן.

למה אנחנו לא נמחצים? כי לחץ בגז, כמו לחץ בנוזל, פועל לכל הכיוונים. האוויר לוחץ על הגוף מלמעלה, מלמטה ומהצדדים, והאוויר והנוזלים שבתוך הגוף לוחצים החוצה בלחץ דומה. הלחצים מאוזנים, ולכן לא מרגישים אותם. מרגישים רק כשהלחץ משתנה מהר, כמו באוזניים בזמן נחיתה.

איך מודדים: הברומטר של טוריצ׳לי

ב־1643 בערך עשה המדען האיטלקי אוונג׳ליסטה טוריצ׳לי ניסוי פשוט. הוא מילא בכספית צינור זכוכית באורך של כמטר, סגר את הפתח, הפך את הצינור וטבל אותו בקערה מלאה כספית. כשפתח את הפתח, הכספית ירדה קצת ועצרה בגובה של כ־76 סנטימטרים מעל פני הכספית שבקערה. מעליה נשאר חלל כמעט ריק.

מה מחזיק את עמוד הכספית? לחץ האוויר שלוחץ על פני הכספית בקערה. העמוד עולה עד שהלחץ שהוא יוצר בתחתית שווה ללחץ האוויר. לכן הגובה של העמוד הוא מדד ללחץ האוויר, ומכאן היחידה הישנה “מילימטר כספית”: לחץ של אטמוספרה אחת הוא 760 מילימטר כספית. מכשיר שמודד לחץ אוויר נקרא ברומטר.

הגובה של העמוד מחושב בדיוק כמו לחץ הידרוסטטי, רק הפוך: יודעים את הלחץ ומחפשים את הגובה.

כספית צפופה פי 13.6 ממים בערך. לכן עמוד מים יהיה גבוה פי 13.6 מעמוד כספית, כ־10 מטרים. ברומטר מים לא היה נכנס לשום חדר, ובגלל זה טוריצ׳לי בחר בכספית.

תרגיל פתור: האוויר על השולחן

השאלה: משטח של שולחן בכיתה הוא מלבן של 60 סנטימטרים על 40 סנטימטרים. לחץ האוויר הוא 100,000 פסקל. מה הכוח שהאוויר מפעיל על המשטח מלמעלה, ולאיזו מסה המשקל הזה שווה? קחו g = 10 m/s².

שלב 1, השטח במטר רבוע: A = 0.6 · 0.4 = 0.24 m².

שלב 2, הכוח: מהנוסחה P = F / A מקבלים F = P · A = 100,000 · 0.24 = 24,000 N.

שלב 3, המסה המקבילה: m = F / g = 24,000 / 10 = 2,400 kg. זה משקל של שתי מכוניות בערך.

התשובה: 24,000 ניוטון, כמו משקל של 2,400 קילוגרמים. השולחן לא נשבר כי האוויר לוחץ גם על הצד התחתון של המשטח בלחץ כמעט זהה, והכוחות מאזנים זה את זה.

לחץ האוויר וגובה

ככל שעולים גבוה יותר, נשאר מעלינו פחות אוויר, ולכן הלחץ יורד. הירידה לא אחידה: האוויר למטה דחוס יותר, ולכן בקילומטרים הראשונים הלחץ יורד מהר יותר. ערכים בקירוב:

• ליד ים המלח, כ־430 מטר מתחת לפני הים: כ־106,000 פסקל, יותר מבחוף הים.
• ירושלים, כ־800 מטר: כ־92,000 פסקל.
• בגובה של כ־5.5 קילומטרים: בערך חצי מהלחץ שעל פני הים.
• פסגת האוורסט, כ־8.8 קילומטרים: בערך שליש.
• בגובה הטיסה של מטוס נוסעים, כ־10 קילומטרים: בערך רבע. לכן מגבירים את הלחץ בתא הנוסעים.

תרגיל פתור: ברומטר מים

השאלה: בונים ברומטר כמו של טוריצ׳לי, אבל עם מים במקום כספית. צפיפות המים 1,000 קילוגרם למטר מעוקב, g = 10 m/s². א. לאיזה גובה יגיע עמוד המים כשלחץ האוויר 100,000 פסקל? ב. ומה יהיה הגובה בירושלים, שם לחץ האוויר כ־92,000 פסקל?

שלב 1, מבודדים את הגובה: h = P / (ρ · g).

שלב 2, סעיף א: h = 100,000 / (1,000 · 10) = 10 m.

שלב 3, סעיף ב: h = 92,000 / (1,000 · 10) = 9.2 m.

התשובה: כ־10 מטרים על פני הים, וכ־9.2 מטרים בירושלים. עמוד נמוך יותר פירושו לחץ אוויר נמוך יותר, וכך בדיוק ברומטר מראה שעליתם בגובה.

קשית, פטמת גומי וחצאי כדור

הרבה דברים שנראים כמו “שאיבה” הם בעצם לחץ האוויר שדוחף.

• קשית: כשאתם מוצצים, אתם מוציאים חלק מהאוויר מהקשית, והלחץ בתוכה יורד. על פני המשקה בכוס עדיין לוחץ האוויר בלחץ מלא, והוא דוחף את המשקה למעלה אל תוך הקשית.
• פטמת גומי: כשלוחצים אותה אל קיר חלק, יוצא אוויר מתחתיה. הלחץ מתחת לגומי נמוך, ולחץ האוויר מבחוץ מצמיד אותה לקיר. אם אוויר חודר מתחת לשוליים, היא נופלת.
• חצאי הכדור ממגדבורג: במאה ה־17 הצמיד אוטו פון גריקה שני חצאי כדור ממתכת ושאב את האוויר מתוכם. צוותים של סוסים שמשכו לשני הכיוונים לא הצליחו להפריד אותם. כשהכניס אוויר בחזרה, החצאים נפרדו בקלות.

איפה רואים את זה בחיים

• אוזניים במטוס

  בזמן נחיתה הלחץ בתא עולה, והלחץ בתוך האוזן נשאר נמוך לרגע. עור התוף נלחץ פנימה עד שבליעה או פיהוק משווים את הלחצים.

• שקית חטיף בהרים

  שקית שנאטמה בגובה פני הים מתנפחת כשעולים לגובה. בפנים נשאר הלחץ שהיה, ובחוץ הלחץ ירד, ולכן האוויר שבתוכה דוחף את הדפנות החוצה.

• קרטון שתייה

  כששותים מקרטון עם קשית, הדפנות שלו נמעכות פנימה. האוויר מבחוץ לוחץ עליהן, ובפנים הלחץ ירד כי המשקה יצא ואוויר לא נכנס במקומו.

שאלות נפוצות

כמה זה לחץ אטמוספרי בפסקל?

בגובה פני הים, בממוצע, כ־101,325 פסקל. בתרגילים בכיתה ח׳ מעגלים ל־100,000 פסקל, כלומר 100 קילופסקל. זה גם נקרא “אטמוספרה אחת”.

למה טוריצ׳לי השתמש בכספית ולא במים?

כי הכספית צפופה פי 13.6 ממים בערך. לחץ האוויר מחזיק עמוד כספית של כ־76 סנטימטרים, ואילו עמוד מים היה צריך להיות גבוה כמעט 10 מטרים.

האם לחץ האוויר קטן ככל שעולים?

כן. ככל שהגובה גדל, יש פחות אוויר מעלינו והלחץ יורד. בירושלים הוא כ־92,000 פסקל, ובפסגת האוורסט בערך שליש מהלחץ שעל פני הים.

רוצים לתרגל לחץ ולחץ אוויר עד רמת מבחן?

בקורס הפיזיקה לכיתה ח׳ כל נושא מוסבר בסרטון, ולכל תרגיל בחוברת יש סרטון פתרון מלא. משלמים פעם אחת, והגישה ללא הגבלת זמן.

לקורס כיתה ח׳

או מתחילים בחינם: חוברת כיתה ח׳, להורדה