Ατμόσφαιρα
atm — μονάδα εκτός SI · μέγεθος: πίεση · ακριβώς 101 325 Pa
Οι φρεατοποιοί της Φλωρεντίας παραπονιούνταν ότι καμιά αντλία δεν ανεβάζει το νερό ψηλότερα από δέκα μισό μέτρα, όσο κι αν προσπαθήσει κανείς. Ο Γαλιλαίος αστειεύτηκε ότι στη φύση, προφανώς, τελειώνει ο φόβος του κενού. Ο μαθητής του Τορικέλι θέλησε να το ελέγξει στα σοβαρά και αντικατέστησε το νερό με υδράργυρο — είναι δεκατέσσερις φορές βαρύτερος, άρα η στήλη βγαίνει κοντύτερη και χωράει σε τραπέζι. Ο υδράργυρος στον σφραγισμένο σωλήνα σταμάτησε στα εβδομήντα έξι εκατοστά, και από πάνω έμεινε ένα κενό που δεν έπρεπε να υπάρχει. Η αντλία, λοιπόν, δεν ρουφάει τίποτα: το νερό το σπρώχνει μέσα στον σωλήνα ο αέρας, και το σπρώχνει ακριβώς με τη δύναμη που μπορεί να εξισορροπήσει αυτή η στήλη. Ζούμε, έγραψε ο Τορικέλι, βυθισμένοι στον πυθμένα ενός ωκεανού αέρα.
01 · Ορισμός
Η ατμόσφαιρα είναι μονάδα πίεσης εκτός SI, ίση ακριβώς με 101 325 πασκάλ. Ο αριθμός δεν μετρήθηκε αλλά ορίστηκε: είναι η πίεση στήλης υδραργύρου ύψους 760 mm στους μηδέν βαθμούς με την κανονική επιτάχυνση της βαρύτητας, υπολογισμένη μία φορά και από το 1954 καθιερωμένη ως ορισμός.
Προσέξτε τι συνέβη με τη λογική. Στην αρχή η μονάδα ήταν αντικείμενο: μια στήλη υδραργύρου που μπορούσες να χύσεις, να μετρήσεις με χάρακα και να δεις με τα μάτια σου. Έπειτα το αντικείμενο υπολογίστηκε μέσω της πυκνότητας του υδραργύρου και της βαρύτητας, βγήκε ένας πενταψήφιος αριθμός — και μονάδα ανακηρύχθηκε ο ίδιος ο αριθμός. Ο υδράργυρος έπαψε να χρειάζεται: αν αύριο αποδειχθεί ότι η πυκνότητά του είναι γνωστή λίγο ακριβέστερα, η ατμόσφαιρα δεν θα σαλέψει, γιατί δεν αφορά πια τον υδράργυρο.
Παραπλανητικό σε αυτή τη μονάδα είναι μόνο το δεύτερο μισό του ονόματος. Η «κανονική» ατμόσφαιρα δεν λέει τίποτα για το τι συμβαίνει έξω από το παράθυρο: η πραγματική πίεση στην επιφάνεια κυμαίνεται από 870 εκατοπασκάλ στο μάτι ενός τυφώνα ως 1085 πάνω από τη χειμωνιάτικη Σιβηρία, και ακριβώς μία ατμόσφαιρα προκύπτει, αυστηρά μιλώντας, κατά τύχη. Είναι σημείο αναφοράς, όχι μέτρηση: σε αυτήν ανάγονται οι όγκοι των αερίων, από αυτήν μετρώνται τα σημεία βρασμού, με αυτήν βαθμονομούνται τα μανόμετρα — και από συνήθεια την αποκαλούν «κανονική πίεση», αν και κανονική πίεση στη φύση δεν υπάρχει.
Από τον καθορισμένο αριθμό απορρέει όλη η αριθμητική του φύλλου: η ατμόσφαιρα είναι ακριβώς 760 φορές το χιλιοστό στήλης υδραργύρου, 1,013 25 φορές το bar και 1,033 φορές η τεχνική ατμόσφαιρα — εκείνο το «at», το κιλοπόντ ανά τετραγωνικό εκατοστό, που ακόμη και σήμερα συγχέεται με την αληθινή. Η διαφορά είναι τρία τοις εκατό: αρκετή για να χαλάσει έναν υπολογισμό και πολύ μικρή για να φανεί το σφάλμα στο μανόμετρο.
Μία ατμόσφαιρα είναι δέκα τόνοι και τριακόσια τριάντα κιλά αέρα πάνω σε κάθε τετραγωνικό μέτρο: στους ώμους ενός ενήλικα περίπου εξακόσια κιλά, στην παλάμη εκατόν πενήντα. Δεν μας συνθλίβει επειδή πιέζει και απ' έξω και από μέσα — αρκεί όμως να αφαιρέσετε τη μισή από τη μία πλευρά και η διαφορά γίνεται δύναμη απολύτως αισθητή. Η βεντούζα, το καλαμάκι, ο ανυψωτήρας κενού για τζάμια και ο θώρακας στην εισπνοή λειτουργούν με το ίδιο: να μειώσεις λίγο την πίεση από τη μία πλευρά και να αφήσεις την ατμόσφαιρα να κάνει μόνη της τη δουλειά.
02 · Μετατροπή
Δώστε μια τιμή — το φύλλο θα τη μετατρέψει στις υπόλοιπες μονάδες
Τρεις οικογένειες: η ίδια η κλίμακα των πιέσεων, γνώριμα αντικείμενα κάτω από αυτή την πίεση και οι πρότυπες συνθήκες που ορίζει η ατμόσφαιρα.
Η κύρια παγίδα δεν βρίσκεται στους συντελεστές αλλά στο από πού μετράμε. Ένα οικιακό μανόμετρο — για ελαστικά, για συμπιεστή, οποιοδήποτε με δείκτη — δείχνει υπερπίεση, δηλαδή τη διαφορά από τον περιβάλλοντα αέρα· «δυόμισι στο λάστιχο» σημαίνει τρεισήμισι απόλυτες. Οι τύποι των νόμων των αερίων, τα σημεία βρασμού και οι διαλυτότητες απαιτούν την απόλυτη. Από εκεί τα δύο γράμματα στους αγγλόφωνους καταλόγους, psig και psia, και από εκεί οι μισοί χαλασμένοι υπολογισμοί: να τα μπερδέψεις σημαίνει να αστοχήσεις ακριβώς κατά μία ατμόσφαιρα, που στις χαμηλές πιέσεις είναι περισσότερο από το ίδιο το μετρούμενο μέγεθος.
| Γραφή | Τι σημαίνει | Τιμή | Πού συναντάται |
|---|---|---|---|
| atm | κανονική ατμόσφαιρα | 1,0000 | χημεία, καταδύσεις |
| Pa | πασκάλ, η μονάδα SI | 101325 Pa | πρότυπα και υπολογισμοί |
| kPa | κιλοπασκάλ | 101,325 | ελαστικά, τεχνική στο SI |
| bar | bar | 1,01325 | υδραυλική, καταδύσεις |
| hPa | εκατοπασκάλ, δηλαδή millibar | 1013,3 | δελτία καιρού |
| mmHg | torr | 760,00 | ιατρική, τεχνολογία κενού |
| at | τεχνική, kp/cm² | 1,0332 | παλιά τεκμηρίωση |
| psi | λίβρα ανά τετραγωνική ίντσα | 14,696 | αγγλοσαξονική τεχνική |
| mmHg | Αρτηριακή πίεση | 101325 Pa | 120 mm — συστολική σε υγιή ενήλικα |
| bar | Ελαστικό επιβατικού | 101325 Pa | 2,5 bar στο μανόμετρο |
| atm | Φιάλη κατάδυσης | 101325 Pa | 200 ατμόσφαιρες σε χαλύβδινη |
| hPa | Δελτίο καιρού | 101325 Pa | 1013 hPa στην επιφάνεια |
| atm | Πρότυπες συνθήκες IUPAC | 101325 Pa | 1 bar από το 1982, πριν η ατμόσφαιρα |
| kPa | Κανονικές συνθήκες | 101325 Pa | 101,325 kPa και 0 °C |
| mmHg | Βαρομετρική βαθμονόμηση | 101325 Pa | 760 mm στους 0 °C και g₀ |
Οι μετατροπές είναι ακριβείς: όλες αυτές οι μονάδες ορίζονται μέσω του πασκάλ με ακέραιους συντελεστές και καμία τους δεν διορθώνεται από πείραμα. Ο μόνος ζωντανός αριθμός του πίνακα είναι το εκατοπασκάλ: συμπίπτει με το millibar, και γι' αυτό η μετεωρολογία άλλαξε μονάδα χωρίς να επανεκπαιδεύσει τους παρατηρητές και χωρίς να ξανασχεδιάσει τους χάρτες.
03 · Τάξεις μεγέθους
δεκαδικός λογάριθμος της πίεσης, ατμόσφαιρεςΤο κατοικήσιμο εύρος και η καθημερινή τεχνική
04 · Όργανα μέτρησης
Με τι μετριέται η ατμόσφαιρα
Γυάλινος σωλήνας ενός μέτρου, σφραγισμένος στο ένα άκρο, γεμάτος υδράργυρο και αναποδογυρισμένος σε ένα δοχείο: ο υδράργυρος κατεβαίνει ώσπου να σταματήσει στο ύψος ισορροπίας, και από πάνω μένει το κενό του Τορικέλι — το πρώτο κενό φτιαγμένο με τα χέρια. Το όργανο είναι άψογα ακριβές και εντελώς άβολο: ζυγίζει, δεν ανέχεται κλίση και απαιτεί διορθώσεις για τη θερμοκρασία του υδραργύρου και για την τοπική βαρύτητα. Σε αντάλλαγμα δεν χρειάζεται βαθμονόμηση — ο χάρακας είναι η κλίμακα.
Η ίδια αρχή, φτασμένη ως τη μετρολογία: το δοχείο κλείνει από κάτω με δερμάτινο σακουλάκι και με βίδα η στάθμη του φέρνεται κάθε φορά στο μηδέν της κλίμακας — σε μια αιχμή από ελεφαντόδοντο που πρέπει μόλις να αγγίξει το είδωλό της στον υδράργυρο. Μόνο τότε διαβάζεται η κορυφή της στήλης με βερνιέρο, με ακρίβεια δέκατου του χιλιοστού. Με τέτοια βαρόμετρα ρύθμιζαν την πίεση στους πάγκους διακρίβωσης ως τα μέσα του 20ού αιώνα, και ακριβώς από τις ενδείξεις τους, αναγμένες στους μηδέν βαθμούς και στην κανονική βαρύτητα, γεννήθηκε ο αριθμός 101 325.
Αντί για υδράργυρο, ένα πλατύ ζαρωτό κουτάκι με αφαιρεμένο τον αέρα, που πλαταίνει ελαφρά όταν η πίεση ανεβαίνει και ισιώνει όταν πέφτει. Η διαδρομή του τοιχώματός του είναι δέκατα του χιλιοστού, και όλο το τέχνασμα του οργάνου βρίσκεται στους μοχλούς που μεγεθύνουν αυτή την κίνηση ως την απόκλιση του δείκτη. Το ανεροειδές μπορείς να το μεταφέρεις, να σου πέσει και να το κρεμάσεις στον διάδρομο, όμως με τον καιρό ψεύδεται: το ελατήριο κουράζεται και πρέπει να το συγκρίνεις με το υδραργυρικό. Έτσι το ίδιο μέγεθος απέκτησε ένα «σωστό» και ένα «βολικό» όργανο.
Μέσα στο τηλέφωνο ζει μια μεμβράνη πυριτίου στο μέγεθος κόκκου άμμου: λυγίζει υπό την πίεση, και μαζί με το λύγισμα αλλάζει η χωρητικότητα ή η αντίσταση των επιμηκυνσιομέτρων στην άκρη της. Η ευαισθησία είναι περίπου δέκα πασκάλ, δηλαδή λιγότερο από ένα μέτρο ύψους, και γι' αυτό η πλοήγηση ξεχωρίζει τον πρώτο όροφο από τον τρίτο. Τα βαρόμετρα στον κόσμο ξεπέρασαν σε πλήθος τα θερμόμετρα, και οι ενδείξεις τους, μαζεμένες από εκατομμύρια τηλέφωνα, τροφοδοτούν ήδη τα μοντέλα πρόγνωσης του καιρού.
05 · Κανόνες γραφής
Τρία πεζά γράμματα και μία επιφύλαξη
Η μονάδα δεν πήρε το όνομα προσώπου, γι' αυτό το σύμβολο γράφεται με πεζά· προθήματα δεν της προστίθενται.
Το κεφαλαίο «A» εμφανίζεται σε καταλόγους εισαγόμενου εξοπλισμού και σημαίνει πάντοτε προχειρότητα, όχι άλλη μονάδα. Το bar διαφέρει από την ατμόσφαιρα κατά 1,3 τοις εκατό και εισήχθη ακριβώς για να δίνει στρογγυλό αριθμό πασκάλ· η μετεωρολογία εγκατέλειψε την ατμόσφαιρα προς όφελός του ήδη από τη δεκαετία του τριάντα, και τα δελτία δίνονται σε εκατοπασκάλ, αριθμητικά ίσα με τα millibar. Η τεχνική «at» είναι το κιλοπόντ ανά τετραγωνικό εκατοστό, μικρότερη από την αληθινή κατά τρία τοις εκατό, και στην παλιά τεκμηρίωση συναντάται συχνότερα από το atm. Η τελευταία γραμμή δεξιά αφορά αυτό που λείπει: χωρίς την ένδειξη «απόλυτη» ή «υπερπίεση» ένας αριθμός πίεσης είναι ελλιπής, και αυτή είναι η μόνη επιφύλαξη που δεν επιτρέπεται να παραλειφθεί.
07 · Ιστορικό μέρος
Πώς το κενό έγινε μονάδα
Το πείραμα κράτησε ένα λεπτό, όμως το συζητούσαν είκοσι χρόνια: πάνω από τον υδράργυρο στον σωλήνα βρέθηκε κενό που, κατά την κοινή πεποίθηση, δεν μπορούσε να υπάρχει. Ο Τορικέλι τα εξήγησε όλα με μιας: τη στήλη τη στηρίζει το βάρος του αέρα, και το ύψος της δεν είναι σταθερό — άλλαζε από μέρα σε μέρα. Ένα όργανο σκαρωμένο για φιλοσοφική διαμάχη αποδείχθηκε αμέσως προγνώστης του καιρού, και αυτή είναι η μοναδική περίπτωση όπου η μετεωρολογία γεννήθηκε από το κενό.
Ο Μπλεζ Πασκάλ σκέφτηκε: αν τη στήλη τη στηρίζει ο αέρας, τότε στο βουνό ο αέρας είναι λιγότερος και η στήλη οφείλει να πέσει. Ο ίδιος ήταν πολύ ασθενικός, κι έτσι στο Πουί ντε Ντομ ανέβηκε ο γαμπρός του Φλορέν Περιέ με δύο σωλήνες: τον έναν άφησε στους πρόποδες υπό την επίβλεψη ενός μοναχού, τον άλλο ανέβασε. Στην κορυφή ο υδράργυρος έπεσε τρεις ίντσες και μία γραμμή. Η διαμάχη τελείωσε: ο αέρας ζυγίζει, και ζυγίζει λιγότερο όσο ανεβαίνεις.
Ο δήμαρχος του Μαγδεμβούργου Ότο φον Γκέρικε ένωσε δύο χάλκινα ημισφαίρια, αφαίρεσε τον αέρα με τη δική του αντλία και κάλεσε ζευγάρια αλόγων να τα χωρίσουν. Οκτώ άλογα από κάθε πλευρά δεν τα κατάφεραν· σε διάμετρο μισού μέτρου η ατμόσφαιρα κρατούσε τη σφαίρα με δύναμη περίπου δύο τόνων. Ο υπολογισμός είναι σαφής σε όποιον ξέρει να πολλαπλασιάζει επιφάνεια επί πίεση, όμως το θέαμα το εξήγησε καλύτερα από κάθε απόδειξη — και μπήκε στα σχολικά βιβλία για τέσσερις αιώνες.
Ως τα μέσα του 20ού αιώνα φάνηκε το άβολο: ο ορισμός μέσω 760 χιλιοστών υδραργύρου έσερνε μαζί του την πυκνότητα του υδραργύρου και την τοπική βαρύτητα, και τα δύο μεγέθη διαρκώς διορθώνονταν. Η δέκατη Γενική Συνδιάσκεψη Μέτρων και Σταθμών έκοψε τον κόμπο, ορίζοντας την ατμόσφαιρα ίση με 101 325 πασκάλ εξ ορισμού. Η μονάδα έχασε τη σύνδεσή της με ουσία και έγινε απλός συντελεστής — με το ίδιο τέχνασμα με το οποίο αργότερα αποδεσμεύτηκαν από αντικείμενα το μέτρο και έπειτα το χιλιόγραμμο.
Η μονάδα που καταργήθηκε και δεν μπόρεσαν να την ξεφορτωθούν
Η ατμόσφαιρα δεν ανήκει στο SI και η χρήση της δεν συνιστάται: η πίεση έχει το πασκάλ, και για μεγάλες τιμές τα προθήματά του. Κι όμως η μονάδα κρατιέται εκεί όπου δεν μετράει ο αριθμός αλλά η σύγκριση με τον αέρα έξω από το παράθυρο. Ο χημικός γράφει «αντίδραση στις 3 atm» επειδή γι' αυτόν σημασία έχει πόσες φορές ξεπερνά την ατμοσφαιρική· ο δύτης μετρά το βάθος σε ατμόσφαιρες επειδή κάθε δέκα μέτρα νερού προσθέτουν ακριβώς μία και είναι ο βολικότερος λογαριασμός της δουλειάς του· το μανόμετρο ελαστικών είναι βαθμονομημένο σε bar και atm, αφού η διαφορά τους είναι μικρότερη από το σφάλμα του οργάνου. Το μετρολογικό παράδοξο είναι ότι μετά το 1954 η ατμόσφαιρα έπαψε να είναι μέτρηση και έγινε ακριβής συντελεστής — δηλαδή ακριβώς αυτό που είναι βολικό να χρησιμοποιείς και ακριβώς αυτό που δεν ελέγχεται πειραματικά. Ελέγχεται ένα βαρόμετρο, όχι μια μονάδα· και ένα βαρόμετρο διακριβωμένο σε πασκάλ θα δείξει μία ατμόσφαιρα μόνο από σπάνια σύμπτωση. Παρόμοια τύχη είχαν και οι συγγενείς της: το χιλιοστό στήλης υδραργύρου ορίζεται επίσης μέσω του πασκάλ και επίσης ζει — στην ιατρική, όπου μετρά την αρτηριακή πίεση, και καμία σύσταση δεν το άλλαξε αυτό.
Κατάλογος · μονάδες μέτρησης
Ένα φύλλο για κάθε μέγεθος
Επτά θεμελιώδεις μονάδες SI, είκοσι δύο παράγωγες με δικό τους όνομα και μονάδες εκτός SI, χωρίς τις οποίες δεν γίνεται ούτε η τεχνική ούτε η καθημερινότητα. Καθεμιά έχει το δικό της φύλλο: ορισμός, μετατροπή, όργανα, κανόνες γραφής. Σε 36 γλώσσες.
Η πίεση: οι μονάδες και οι λόγοι τους
ένα μέγεθος, καμιά δεκαριά κλίμακεςΘεμελιώδεις μονάδες SI
χιλιόγραμμο, μέτρο, δευτερόλεπτοΓλώσσα του φύλλου
36 γλώσσες. Το σύμβολο atm είναι διεθνές, οι συνηθισμένες κλίμακες όμως όχι: στη μετάφραση οι πίνακες προσαρμόζονται στην τοπική πρακτική.