LA PRESION ATMOSFERICA P = F/S

Transcripción

1 BOLILLA 6 1. Conceto de resión LA PRESION ATMOSFERICA Se define resión como el cociente entre la comonente normal de la fuerza sobre una suerficie y el área de dicha suerficie. En física la resión está definida como al cociente entre la acción de una fuerza sobre la unidad de suerficie. P = F/S Fiura 1. Comonente normal de la resión. La fuerza que ejerce un fluido en equilibrio sobre un cuero sumerido en cualquier unto es erendicular a la suerficie del cuero. La resión es una manitud escalar y es la característica del unto del fluido en equilibrio, que deenderá únicamente de sus coordenadas. Por lo tanto, la resión atmosférica es numéricamente iual al eso de la columna de aire que tiene como base la unidad de suerficie y como altura la de la atmósfera. 2. Unidades de resión Desde el unto de vista histórico, la rimera unidad emleada ara medir la resión atmosférica fue el "milímetro de mercurio" (mmh), en razón de la conocida caacidad de una columna de mercurio, de unos 760 mm, consistente en lorar equilibrar la referida resión. Dicha roiedad era muy utilizada en la construcción de los rimeros barómetros, de modo que el mmh resultaba una unidad de medida sumamente intuitiva. En la industria también ha sido usada la "atmósfera técnica" (at), definida como la resión debida a la acción de un kiloramo fuerza (kf) sobre una suerficie de un centímetro cuadrado. Recordemos que 1 kf corresonde a la fuerza de ravedad actuando sobre una masa de 1 k, es decir, aroximadamente 9,81 newtons (N). La "atmósfera técnica" no debe confundirse con la "atmósfera normal" o "atmósfera física" (atm), definida como la resión debida a una columna de mercurio de (exactamente) 760 mm, bajo condiciones redeterminadas. La equivalencia es 1 atm. = 1,033at. Se debe mencionar que existen unidades análoas en los aíses de habla inlesa, donde resultan de uso frecuente las "uladas de mercurio" (H) y las "libras or ulada cuadrada " (si). Estas últimas todavía se utilizan en nuestro aís, ara medir la resión de los neumáticos en los vehículos. Posteriormente, se eneralizó el emleo del sistema CGS (centímetro, ramo, seundo). Por tal motivo, la elección lóica era la "baria", corresondiente a una fuerza de una dina actuando sobre una suerficie de un centímetro cuadrado. Sin embaro, como la baria resultaba demasiado equeña ara los fines rácticos, se decidió adotar una unidad un millón de veces mayor: el

2 "bar" (1 bar = barias). En el camo esecífico de la meteoroloía, se hizo común el uso de la milésima de bar, el "milibar" (mb). En la actualidad, la comunidad científica internacional ha adotado el Sistema Internacional (SI), cuyas unidades fundamentales son el metro, el kiloramo y el seundo. Para este sistema la unidad de resión es el newton or metro cuadrado, denominado "ascal" (PA). Debido a que es una unidad muy equeña y a efectos de facilitar la transición de un sistema a otro, se ha otado or exresar la resión atmosférica en "hectoascales" (hpa), es decir, en centenares de ascales. El hectoascal es idéntico al milibar (1 hpa = 1mb), de modo que no requiere mayor esfuerzo admitir dicho cambio en la denominación. Tanto la Oranización Meteorolóica Mundial (1982) como la Oranización de Aviación Civil Internacional (1985) han abandonado ya, definitivamente, el uso del milibar, adotando en su luar el hectoascal como unidad de base ara la medida de la resión atmosférica. 3. Medida de la resión El barómetro de mercurio es un instrumento utilizado ara medir la resión atmosférica. La alabra barómetro viene del Grieo donde: Báros = Presión y Métron = Medida El rimer Barómetro lo ideó Evanelista Torricelli cuando trataba de exlicar que las bombas asirantes no ueden hacer subir el aua más allá de cierta altura. El barómetro de Fortin se comone de un tubo Torricelliano que se introduce en el mercurio contenido en una cubeta de vidrio en forma tubular, rovista de una base de iel de amo cuya forma uede ser modificada or medio de un tornillo que se aoya en su centro y que, oortunamente irado, lleva el nivel del mercurio del cilindro a rozar la unta de un equeño cono de marfil. Así se mantiene un nivel fijo. El barómetro está totalmente recubierto de latón, salvo dos ranuras verticales junto al tubo que ermiten ver el nivel de mercurio. En la ranura frontal hay una raduación en milímetros y un nonius ara la lectura de décimas de milímetros. En la osterior hay un equeño esejo ara facilitar la visibilidad del nivel. Al barómetro va unido un termómetro. Los barómetros Fortin se usan en laboratorios científicos ara las medidas de alta recisión, y las lecturas deben ser correidas teniendo en cuenta todos los factores que uedan influir sobre las mismas, tales como la temeratura del ambiente, la aceleración de ravedad de luar, la tensión de vaor del mercurio, etc.

3 Fiura 2. Barómetro tio Fortin Con vistas a la difusión de los barómetros ara mediciones de altura y ara la revisión del tiemo se han ideado unos barómetros metálicos más manejables y económicos que el de Fortin, son los llamados aneroides y holostéricos, si bien son menos recisos. El rimero está formado or un tubo de sección elítica doblado en forma de aro, en el que se ha obtenido una alta rarefacción. El tubo doblado queda fijo en un unto y la extremidad de los semicírculos así obtenidos es móvil. Con el aumento de la resión atmosférica, el tubo tiende a cerrarse; en el caso contrario tiende a abrirse. La extremidad de los semicírculos está unida a los extremos de una barrita que ira sobre su centro; ésta, a través de un jueo de enranajes y alancas, hace mover un índice. El barómetro metálico holostérico está formado or un reciiente alanado, de suerficies onduladas en el que se ha lorado una intensa rarefacción antes de cerrarlo; en una de las caras se aoya un resorte que, con las variaciones de resión atmosférica, hace mover un índice or medio de un jueo de alancas.

4 4. Variación de resión en la horizontal Fiura 2. Barómetro metálico Consideramos 2 tanques conectados or 1 tubo (como se muestra en la fiura). El tanque A esta lleno hasta los 2/3, mientras que el tanque B esta lleno solo hasta la mitad. Como la resión del aua en el fondo de los resectivos tanques es roorcional al eso del aua que tienen encima, la resión en el tanque A es mayor que la resión en el tanque B. Como ambos tanques están conectados, existe una resión en el tubo desde el tanque A hacia el tanque B. Esta fuerza neta desde el tanque A hacia el tanque B, hace que el aua fluya en dicho sentido, o sea de las resiones altas hacia las bajas. Cuanto mas rande es la diferencia de resión, mas intensa es dicha fuerza neta, y mas ráido se mueve. De una manera similar en la atmosfera, con diferencias horizontales de resión hacen que el aire se mueva. A dicha fuerza neta le llamamos Fuerza Gradiente de Presión La fuerza radiente de resión es una de las fuerzas que actúan sobre la atmósfera

5 F. Grad. Presión = diferencia de resión / distancia En la fiura se identifica una fuerza rad. de resión de 4 mb/ 100 Km. Esta reresentada or el vector amarillo, cuya dirección es de las altas resiones hacia las bajas, siendo erendicular a las isobaras. 5. Variación de la resión con la altura Acabamos de ver que la diferencia de resión enera que el aire se mueva desde las altas resiones hacia las bajas resiones. La variación vertical de la resión y densidad es mucho mayor que la variación horizontal y temoral. Generando un radiente de resión mayor que el horizontal, entonces, orque el aire no se va al esacio?? Para determinar la variación media vertical de la resión, consideremos una atmósfera idealizada que reresenta la estructura media horizontal y temoral de la atmósfera, en la cual las fuerzas verticales están en equilibrio. Analicemos una columna vertical de aire con sección recta de área unitaria (Fi.3). La masa de aire entre las alturas z y z+dz es ρdz, donde ρ es la densidad del aire en la altura z. Fiura 3. Columna vertical de aire

6 La fuerza de ravedad actuando sobre una caa de aire es ρdz, donde es la aceleración de la ravedad en la altura z. Suonemos que entre la altura z+dz y la altura z la resión varia d, la resión or encima en la cara inferior es mayor que la resión ara abajo en la cara suerior en una cantidad d. Por lo tanto, la fuerza vertical resultante sobre la caa, debida al radiente de resión, hacia arriba esta dada or -d. El equilibrio exie que: d = ρ. dz (Ecuación I) Ecuación hidrostática d dz =.ρ La fuerza radiente de resión vertical esta en equilibrio con la fuerza de ravedad!! Si la resión en la altura z es (z), tenemos o como ( )=0; ( ) ( z) d = ρ. dz z ( z) = ρ. dz ; z Esto sinifica que la resión en el nivel z es iual al eso del aire que está arriba de este nivel en la columna vertical de sección recta con área unitaria. Si la masa de atmósfera estuviese uniformemente distribuida sobre el lobo, la resión al nivel del mar (z = 0) seria 1013 mb (milibares), que se denomina resión atmosférica normal. Para saber como la resión varía en la vertical, vamos a sustituir ρ en la ecuación I, usando la ecuación de los ases ideales (considerando que la atmósfera obedece esta ley): = ρ.rt (Ecuación de as ideal) Donde R es una constante del as (ara el aire seco) y T es la temeratura (en la escala Kelvin). Sustituyendo en la ecuación I queda: d = RT dz Suoniendo constante y T constante con la altura (atmósfera isotérmica) e interando entre dos niveles z 1 y z 2, cuya resión es 1 e 2, 1 2 d = RT z1 z2 dz obtenemos

7 ln( z1 RT ( ) ln( )) = ( z ) 1 ln = ( z2 z1) 2 RT Donde ln sinifica loaritmo natural o neeriano, cuya base es el número e=2,718. De la ecuación anterior se obtiene: Donde 2 = z2 z1. H 1 e RT H = = 29,3. T Si hiciéramos z 1 = 0 (nivel del mar), obtenemos la siuiente exresión ara la resión a una altura z encima del nivel do mar: ( z) = (0). e z H H es llamada la escala de altura. Si z es sucesivamente iual a 0, H, 2H, 3H,..., (z) es iual a (0), (0)/e, (0)/e2, (0)/e3,... Esto sinifica que la resión decrece or un factor e ara cada incremento H en la altura. Si T= 288K, H= 8,5 Km. A medida que uno asciende la resión atmosférica decrece (fiura 4). En caas bajas cerca de la suerficie la disminución de la resión con la altura es de aroximadamente 1hPa cada 8m. Esta relación va disminuyendo a medida que la altura aumenta. Fiura 4. Disminución de la resión atmosférica con la altura.

8 Tabla 1. Variación de la resión (en mmh) con la altura H[m] P[mm] T[ºC] HUMED