Atmosfera
atm — unit di luar SI · kuantiti: tekanan · tepat 101 325 Pa
Penggali perigi di Florence mengadu bahawa tiada pam mampu menaikkan air melebihi sepuluh setengah meter, sekuat mana pun mereka mencuba. Galileo berjenaka bahawa alam nampaknya kehabisan rasa gerunnya terhadap kekosongan. Muridnya, Torricelli, mahu mengujinya dengan bersungguh-sungguh lalu menggantikan air dengan raksa — empat belas kali lebih berat, jadi turusnya menjadi lebih pendek dan muat di atas meja. Raksa dalam tiub bermeterai berhenti pada tujuh puluh enam sentimeter, dan di atasnya tinggal kekosongan yang sepatutnya tidak wujud. Jadi pam tidak menyedut apa-apa: udaralah yang menolak air masuk ke dalam tiub, dan menolaknya tepat dengan daya yang mampu diimbangi oleh turus itu. Kita hidup, tulis Torricelli, terbenam di dasar sebuah lautan udara.
01 · Takrif
Atmosfera ialah unit tekanan di luar SI yang bernilai tepat 101 325 pascal. Angka itu bukan diukur, sebaliknya ditetapkan: itulah tekanan turus raksa setinggi 760 mm pada sifar darjah dengan pecutan graviti piawai, dihitung sekali dan sejak 1954 dikekalkan sebagai takrif.
Perhatikan apa yang berlaku kepada logiknya. Pada mulanya unit itu ialah sebuah benda: turus raksa yang boleh dituang, diukur dengan pembaris dan dilihat dengan mata. Kemudian benda itu dihitung melalui ketumpatan raksa dan daya graviti, terhasil angka lima digit — dan angka itu sendiri diisytiharkan sebagai unit. Selepas itu raksa tidak diperlukan lagi: jika esok didapati ketumpatannya diketahui sedikit lebih tepat, atmosfera tetap tidak berubah, kerana ia bukan lagi tentang raksa.
Yang mengelirukan pada unit ini hanyalah separuh kedua namanya. Atmosfera «piawai» tidak memberitahu apa-apa tentang keadaan di luar tingkap: tekanan sebenar di permukaan berubah-ubah dari 870 hektopascal di mata taufan sehingga 1085 di atas Siberia musim sejuk, dan tepat satu atmosfera berlaku, secara tegasnya, secara kebetulan. Ia titik rujukan, bukan pengukuran: isi padu gas dirujuk kepadanya, takat didih dikira daripadanya, tolok tekanan ditentukur dengannya — dan kerana kebiasaan ia dipanggil «tekanan normal», walaupun tekanan normal tidak wujud di alam.
Daripada angka yang ditetapkan itu terbit seluruh aritmetik helaian ini: atmosfera tepat 760 kali milimeter turus raksa, 1.013 25 kali bar dan 1.033 kali atmosfera teknikal — «at» itulah, kilogram-daya per sentimeter persegi, yang sehingga kini dikelirukan dengan yang sebenar. Bezanya tiga peratus: cukup untuk merosakkan pengiraan, dan terlalu kecil untuk disedari pada tolok.
Satu atmosfera ialah sepuluh tan tiga ratus tiga puluh kilogram udara yang menekan setiap meter persegi: kira-kira enam ratus kilogram di bahu orang dewasa, seratus lima puluh di tapak tangan. Ia tidak menghimpit kita kerana menekan dari luar dan dari dalam sekali gus — tetapi alihkan separuhnya di satu sisi, maka bezanya menjadi daya yang amat terasa. Cawan penyedut, penyedut minuman, pengangkat vakum untuk kaca dan sangkar rusuk ketika menarik nafas berfungsi atas dasar yang sama: turunkan sedikit tekanan di satu sisi dan biarkan atmosfera melakukan kerjanya.
02 · Penukaran
Masukkan nilai — helaian ini akan menukarkannya kepada unit lain
Tiga keluarga: skala tekanan itu sendiri, objek biasa di bawah tekanan tersebut, dan keadaan piawai yang ditetapkan oleh atmosfera.
Perangkap utamanya bukan pada pekali, tetapi pada rujukan pengiraan. Tolok tekanan biasa — untuk tayar, untuk pemampat, mana-mana yang berjarum — menunjukkan tekanan lebihan, iaitu beza berbanding udara sekeliling; «dua setengah dalam tayar» bermaksud tiga setengah mutlak. Rumus hukum gas, takat didih dan keterlarutan menuntut tekanan mutlak. Daripada situlah dua huruf dalam katalog berbahasa Inggeris, psig dan psia, dan daripada situ juga separuh daripada pengiraan yang rosak: mengelirukan keduanya bermakna tersasar tepat satu atmosfera, yang pada tekanan rendah melebihi kuantiti yang diukur itu sendiri.
| Penulisan | Apa maksudnya | Nilai | Di mana ditemui |
|---|---|---|---|
| atm | atmosfera piawai | 1.0000 | kimia, penyelaman |
| Pa | pascal, unit SI | 101325 Pa | piawaian dan pengiraan |
| kPa | kilopascal | 101.325 | tayar, kejuruteraan dalam SI |
| bar | bar | 1.01325 | hidraulik, penyelaman |
| hPa | hektopascal, iaitu milibar | 1013.3 | ramalan cuaca |
| mmHg | torr | 760.00 | perubatan, teknologi vakum |
| at | teknikal, kgf/cm² | 1.0332 | dokumentasi lama |
| psi | paun per inci persegi | 14.696 | kejuruteraan Anglo-Saxon |
| mmHg | Tekanan darah | 101325 Pa | 120 mm — sistolik pada orang dewasa sihat |
| bar | Tayar kereta penumpang | 101325 Pa | 2.5 bar pada tolok |
| atm | Tangki selam | 101325 Pa | 200 atmosfera dalam tangki keluli |
| hPa | Ramalan cuaca | 101325 Pa | 1013 hPa di permukaan |
| atm | Keadaan piawai IUPAC | 101325 Pa | 1 bar sejak 1982, sebelum itu atmosfera |
| kPa | Keadaan normal | 101325 Pa | 101.325 kPa dan 0 °C |
| mmHg | Penentukuran barometrik | 101325 Pa | 760 mm pada 0 °C dan g₀ |
Penukaran ini tepat: semua unit tersebut ditakrifkan melalui pascal dengan pekali bulat, dan tiada satu pun daripadanya diperhalus melalui eksperimen. Satu-satunya angka yang hidup dalam jadual ialah hektopascal: ia bertepatan dengan milibar, dan kerana itu meteorologi dapat menukar unit tanpa melatih semula pemerhati dan tanpa melukis semula peta.
03 · Tertib magnitud
logaritma perpuluhan tekanan, atmosferaJulat boleh didiami dan kejuruteraan harian
04 · Alat pengukur
Dengan apa atmosfera diukur
Tiub kaca sepanjang satu meter, bermeterai di satu hujung, diisi raksa dan diterbalikkan ke dalam mangkuk: raksa turun sehingga berhenti pada ketinggian keseimbangan, dan di atasnya kekal kekosongan Torricelli — vakum pertama yang dibuat dengan tangan. Alat ini amat tepat sekali gus amat menyusahkan: ia berat, tidak tahan condong dan memerlukan pembetulan bagi suhu raksa serta graviti setempat. Sebagai balasan ia tidak perlu ditentukur — pembaris itulah skalanya.
Prinsip yang sama dibawa hingga ke metrologi: mangkuk ditutup di bawah dengan pundi kulit, dan dengan skru arasnya dibawa setiap kali ke sifar skala — ke hujung gading yang mesti hanya menyentuh bayangannya sendiri dalam raksa. Barulah selepas itu puncak turus dibaca dengan vernier, setepat satu persepuluh milimeter. Dengan barometer sebegini tekanan ditetapkan di bangku penentukuran sehingga pertengahan abad ke-20, dan tepat daripada bacaannya, yang diselaraskan kepada sifar darjah dan graviti piawai, lahirlah angka 101 325.
Menggantikan raksa ialah kotak leper beralur yang udaranya telah dipam keluar: ia sedikit memipih apabila tekanan naik dan menegak semula apabila tekanan turun. Gerakan dindingnya hanya persepuluh milimeter, dan seluruh kebijaksanaan alat ini terletak pada tuas yang membesarkan gerakan itu hingga menjadi ayunan jarum. Aneroid boleh dibawa ke sana ke mari, terjatuh dan digantung di ruang masuk, tetapi lama-kelamaan ia berbohong: spring menjadi letih dan ia perlu dibandingkan dengan barometer raksa. Begitulah satu kuantiti yang sama memperoleh alat yang «betul» dan alat yang «selesa».
Dalam telefon hidup membran silikon sebesar butir pasir: ia melentur di bawah tekanan, dan bersama lenturan itu berubahlah kemuatan atau rintangan tolok terikan di tepinya. Kepekaannya kira-kira sepuluh pascal, iaitu kurang daripada satu meter ketinggian, dan kerana itu navigasi dapat membezakan tingkat satu daripada tingkat tiga. Kini barometer di dunia lebih banyak daripada termometer, dan bacaannya, yang dikumpul daripada berjuta-juta telefon, sudah pun disalurkan ke model ramalan cuaca.
05 · Peraturan penulisan
Tiga huruf kecil dan satu syarat
Unit ini tidak dinamakan sempena nama seseorang, maka simbolnya ditulis dengan huruf kecil; awalan tidak dilekatkan padanya.
Huruf «A» besar muncul dalam katalog peralatan import dan sentiasa menandakan kecuaian, bukan unit yang lain. Bar berbeza daripada atmosfera sebanyak 1.3 peratus dan diperkenalkan justeru supaya memberi bilangan pascal yang bulat; meteorologi meninggalkan atmosfera demi bar seawal tahun tiga puluhan, dan laporan cuaca diberikan dalam hektopascal yang sama nilainya dengan milibar. «At» teknikal ialah kilogram-daya per sentimeter persegi, tiga peratus lebih kecil daripada yang sebenar, dan dalam dokumentasi lama ia lebih kerap muncul berbanding atm. Baris terakhir di sebelah kanan bercerita tentang apa yang tiada: tanpa catatan «mutlak» atau «lebihan», satu nilai tekanan tidak lengkap, dan itulah satu-satunya syarat yang tidak boleh ditinggalkan.
07 · Bahagian sejarah
Bagaimana kekosongan menjadi unit
Eksperimen itu mengambil masa seminit, tetapi dipertikaikan selama dua puluh tahun: di atas raksa dalam tiub terdapat kekosongan yang, menurut kepercayaan umum, tidak mungkin wujud. Torricelli menjelaskan semuanya sekali gus: turus itu ditanggung oleh berat udara, dan ketinggiannya tidak tetap — ia berubah dari hari ke hari. Alat yang direka demi pertikaian falsafah serta-merta menjadi peramal cuaca, dan inilah satu-satunya kes apabila meteorologi lahir daripada vakum.
Blaise Pascal menaakul: jika udara menanggung turus itu, maka di gunung udaranya lebih sedikit dan turus itu mesti turun. Dia sendiri terlalu lemah kesihatannya, jadi ke Puy de Dôme naiklah abang iparnya, Florin Périer, dengan dua tiub: satu ditinggalkan di kaki gunung di bawah pengawasan seorang rahib, satu lagi dibawa ke atas. Di puncak raksa turun tiga inci dan satu garis. Pertikaian pun tamat: udara mempunyai berat, dan beratnya berkurang semakin tinggi kita mendaki.
Datuk bandar Magdeburg, Otto von Guericke, mencantumkan dua belahan sfera tembaga, mengepam keluar udaranya dengan pam ciptaannya sendiri dan mencabar pasangan kuda untuk meleraikannya. Lapan ekor kuda di setiap sisi gagal; pada garis pusat setengah meter, atmosfera memegang sfera itu dengan daya kira-kira dua tan. Pengiraannya jelas kepada sesiapa yang tahu mendarabkan luas dengan tekanan, tetapi tontonan itu menerangkannya lebih baik daripada sebarang penerbitan rumus — dan masuk ke dalam buku teks selama empat kurun.
Menjelang pertengahan abad ke-20 timbul hal yang menyusahkan: takrif melalui 760 milimeter raksa menyeret bersamanya ketumpatan raksa dan graviti setempat, sedangkan kedua-dua kuantiti itu sentiasa diperhalus. Persidangan Am Timbang dan Sukat yang kesepuluh memutuskan simpulan itu dengan mengisytiharkan atmosfera bersamaan 101 325 pascal menurut takrif. Unit itu kehilangan kaitannya dengan bahan dan menjadi sekadar pengganda — dengan kaedah yang sama seperti kemudiannya meter, lalu kilogram, dilepaskan daripada bendanya.
Unit yang dimansuhkan tetapi tidak dapat disingkirkan
Atmosfera bukan sebahagian daripada SI dan penggunaannya tidak disyorkan: tekanan sudah mempunyai pascal, dan untuk nilai besar ada awalannya. Namun unit ini bertahan di tempat yang mementingkan bukan angkanya, tetapi perbandingan dengan udara di luar tingkap. Ahli kimia menulis «tindak balas pada 3 atm» kerana baginya yang penting ialah berapa kali ganda daripada tekanan udara; penyelam mengira kedalaman dalam atmosfera kerana setiap sepuluh meter air menambah tepat satu, dan itulah kiraan paling mudah dalam kerjanya; tolok tayar bertanda dalam bar dan atm kerana beza antara keduanya lebih kecil daripada ralat alat. Paradoks metrologinya ialah selepas 1954 atmosfera berhenti menjadi pengukuran dan bertukar menjadi pengganda yang tepat — iaitu tepat sesuatu yang selesa digunakan dan tepat sesuatu yang tidak dapat diuji melalui eksperimen. Yang boleh diuji ialah barometer, bukan unit; dan barometer yang ditentukur dalam pascal hanya akan menunjukkan satu atmosfera secara kebetulan yang jarang berlaku. Nasib serupa menimpa saudaranya: milimeter turus raksa juga ditakrifkan melalui pascal dan juga masih hidup — dalam perubatan, tempat tekanan darah diukur dengannya, dan tiada satu pun saranan mengubahnya.
Katalog · unit ukuran
Satu helaian bagi setiap kuantiti
Tujuh unit asas SI, dua puluh dua unit terbitan bernama sendiri dan unit di luar SI yang tidak dapat ditinggalkan oleh kejuruteraan mahupun kehidupan seharian. Setiap satu mempunyai helaiannya sendiri: takrif, penukaran, alat ukur, peraturan penulisan. Dalam 36 bahasa.
Tekanan: unit-unitnya dan sebabnya
satu kuantiti, sepuluhan skalaUnit asas SI
kilogram, meter, saatBahasa helaian
36 bahasa. Simbol atm bersifat antarabangsa, tetapi skala yang biasa digunakan tidak: dalam terjemahan, jadual diselaraskan dengan amalan tempatan.