O que é pressão? EXPERIÊNCIA DE TORRICELLI

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1 METEOROLOGIA OBSERVACIONAL I PRESSÃO ATMOSFÉRICA Coord. Meteorologia Professor: Almir O que é pressão? Quando colocamos sobre a mão um bloco de ferro, sentimos que esse bloco exerce um peso ou seja, uma força que tende a empurrar nossa mão para baixo. Essa força (peso do bloco) pode ser expressa em forma de pressão. Muita gente confunde força com pressão. Pressão é a força exercida por unidade de superfície (área). Ex.: A força exercida por um bloco (peso) é de 4,8 kg, aplicada em uma área de 192 cm 2. A pressão exercida por este bloco é: Peso do bloco = 4,8 kg Área : 192 cm 2 Onde p = peso do bloco e A = área então, Pressão = peso do bloco área 4,8 = = 0,025 kg/cm Logo, a pressão exercida por um corpo, depende da superfície de contato (área). Fisicamente, representa o peso que a atmosfera exerce por unidade de área. O estudo da pressão atmosférica é muito importante bastando lembrar que, sendo o ar um fluido, sua tendência é movimentar-se em direção às áreas de menos pressão. EXPERIÊNCIA DE TORRICELLI Ele tomou um tubo de vidro fechado em uma das extremidades e, enchendo-o com mercúrio, tapou a outra extremidade com o polegar. Feito isto, virou o tubo de boca para baixo e mergulhou essa extremidade num recipiente contendo mercúrio. Em seguida, retirou o polegar da extremidade imersa o que provocou o escoamento de uma parte do mercúrio do tubo deixando um espaço vazio no alto da coluna. Medindo a altura da coluna de mercúrio ele encontrou 76 cm (760 mm) (Figura 1). A experiência foi repetida com tubos de vários diâmetros, encontrando sempre uma coluna de mercúrio com 76 cm de altura. O que obrigava a coluna de mercúrio a permanecer no tubo? Só havia uma explicação: o ar atmosférico exercia sobre a superfície livre do mercúrio do recipiente uma força capaz de sustentar uma coluna de 76 cm de comprimento. Essa força pode ser expressa em termos de pressão: pressão atmosférica. Torricelli constatou também que num mesmo local o comprimento da coluna variava um pouco ao longo do tempo. Figura 1 - Experiência de Torricelli

2 O cientista francês Pascal sabendo da experiência realizada por Torricelli, realizou a mesma experiência no alto de uma montanha e constatou que a redução da coluna, quando subia uma montanha, era de aproximadamente de 1 cm por cada 100 m de altitude. PRESSÃO ATMOSFÉRICA Suponhamos que repetíssemos a experiência de Torricelli, usando um tubo com 1,5 cm 2 de área interna de seção reta, num local situado ao nível médio do mar, sob condições padrões, onde a temperatura fosse 0 C (ponto de fusão da água) e como valor normal da aceleração da gravidade de 980,66 cm/s 2. Admitamos que a altura da coluna de mercúrio formada tenha sido 76 cm. Podemos calcular a pressão exercida por essa coluna. Temos: Densidade do mercúrio a 0 C (tabular)... ρ = 13,595 g/cm 3 Volume da coluna de mercúrio v = (76cm * 1,52)=114,00 cm 3 Aceleração local da gravidade.g = 980,665 cm/s 2 Área de seção reta do tubo...a = 1,5 cm 2 Temos que o peso: p = m.g Densidade: ρ = m/v, logo o peso (p) exercido pela coluna de mercúrio será: p = ρ.v.g = 13,595 g/cm cm 3 980,665 cm/s 2 ou seja, p = ,4037 g.cm/s 2 logo p = ,4037 dynes pois, 1 g.cm/s 2 = 1 dyne. A pressão exercida pela coluna de mercúrio será: P ,4037 dynes P atm = = A 2 1,5cm logo Patm = ,6 dynes/cm 2 Este é valor da pressão sob as condições normais (padronizada). Em Meteorologia não é conveniente exprimir a pressão atmosférica em dynes/cm 2. A unidade recomendada pela OMM, para uso internacional, é o milibar (mb). A relação entre mb e dynes/cm 2 é: logo, 1 mb = 1000 dynes/cm ,6 dynes/cm 2 = 1013,2426 mb 1013,2426 mb = 760 mm.hg Muitos países, ainda exprimem a pressão atmosférica em termos de comprimento da coluna barométrica isto é, em milímetro de mercúrio (mm.hg). Alguns barômetros, atualmente em uso, ainda tem a escala graduada em mm.hg; outros simultaneamente, em mm.hg e mb. Nos países de língua inglesa a unidade empregada ainda é a polegada de mercúrio (in.hg). Hoje, por recomendação da OMM a unidade de pressão atmosférica é hecto Pascal (hpa). Sob condições padrões temos as seguintes relações: 1 mm.hg = 1, mb 1 mb = 0, mm.hg 1 mb = 1 hpa 1 mm.hg = 0,039 in.hg Meteorologia Observacional

3 Barômetro é o instrumento usado para medir a pressão atmosférica. A palavra vem do grego baros (peso) e metro (medida). Em geral são utilizado dois tipos de barômetros: mercúrio e aneróide. O nome aneróide vem da palavra grega neros (líquido) e o do prefixo a (sem). Portanto, em contraste com barômetro de mercúrio, o barômetro aneróide não contém líquido. O primeiro barômetro, foi o utilizado por Torricelli em 1643 quando realizou seu experimento, o qual definiu pressão atmosférica. Os barômetros de mercúrio são constituídos de um tubo de vidro, com cerca de 90 cm de comprimento, cuja extremidade cuja extremidade aberta está situada no interior de um recipiente ( a cuba, ou cisterna). Quando o instrumento se encontra em perfeita condições de operação, há vácuo na parte superior do tubo e o mercúrio ocupa sua porção inferior e grande parte da cuba. O tubo de vidro é protegido por um cilindro de metal, acoplado à cuba e dotado de um visor, através do qual pode ser vista a extremidade da coluna de mercúrio, o menisco. Gravadas no cilindro, junto ao visor, há uma escala graduada em milibares e outra em milímetros (inteiros). As frações são obtidas com o auxílio do Vernier, cuja posição pode ser ajustada de modo a tangenciar o menisco, permitindo efetuar leituras com aproximação de décimos. Finalmente, um termômetro encontra-se acoplado ao instrumento. Em meteorologia são utilizados dois tipos de barômetros de mercúrio nas estações meteorológicas: barômetro Fortin e o barômetro de cuba fixa. Como se trata de medir a distância entre o extremo da coluna de mercúrio e o nível superior do mercúrio na cuba, e toda variação da altura da coluna de mercúrio leva a uma variação no nível do mercúrio na cuba, é necessário para evitar esta dificuldade, recorrer a uma das seguintes soluções: a) no barômetro tipo Fortin, também chamado de CUBA MÓVEL o nível do mercúrio na cuba pode ser ajustado para que entre em contato com uma ponta fixa de marfim, cuja extremidade coincida com o plano horizontal que passa pelo zero da escala. Portanto, para fazer a leitura da pressão em um barômetro tipo Fortin é necessário, principalmente, ajustar o nível do mercúrio na cuba, até que este níveis corresponda ao zero da escala. (figura 2) Figura 2- Barômetro de Cuba móvel (b) no barômetro de Kew também chamado de CUBA FIXA, a escala gravada sobre o instrumento é construída de tal forma que compensa as variações no nível do mercúrio. Não havendo, portanto, necessidade de ajustar o nível do mercúrio. (figura 3) Figura 3 Barômetro de Cuba fixa Meteorologia Observacional

4 Exposição dos Barômetros O Ponto escolhido deverá ser afastado de qualquer foco de calor e resguardado de correntes de ar. Não deverá ser atingido pelo sol. Seu local deverá ser o escritório da estação. Deve ser pendurado pelo aro, em suporte fixo à parede. Não se permite trocar de lugar, pois isso implicaria numa modificação da altura da cuba em relação ao plano definido pela altitude média da estação considerada. Uma vez instalado não deve ser retirado do seu suporte, nem inclinados. Montagem dos Barômetros a) Antes de retirar o aparelho do caixote cumpre verificar se está bem fechado o parafuso L, situado na face superior da cuba, e ao lado do tubo externo. b) Toma-se o barômetro com as duas mãos, invertendo-se a cuba para acima e apoiando-se no pé, utiliza-se uma chave especial, que acompanha o aparelho e remove-se vagarosamente o parafuso de transporte. c) Antes de retirar o parafuso, de uma batida de leve na parte superior do parafuso, para que não fique agarrado nenhuma parte do mercúrio. d) O parafuso retirado deve ser logo substituído pelo que vem dentro do caixote, indicado pela letra S. Este parafuso denominado de estação, servirá ao barômetro todo o tempo que estiver em serviço. e) Volta-se lentamente o barômetro à posição normal pendurando-o no seu gancho. f) Afrouxa-se o pequeno parafuso L, bastando apenas uma a duas voltas para que o ar penetre dentro da cuba. Observação: O barômetro deverá ser utilizado à algumas horas após a montagem, para que haja a acomodação da coluna de mercúrio. Leitura dos Barômetros a) Proceder a leitura do termômetro acoplado ao barômetro em graus e décimos de graus. b) Usando o dedo indicador, aplicar duas ou três leves pancadas ao corpo do instrumento, para provocar a acomodação do menisco. c) Acionando a engrenagem de movimentação do vernier ou nônio, aproximá-lo da extremidade da coluna, até que o plano horizontal que contém seu bordo inferior fique tangenciando o ápice do menisco. Se essa seqüência for rigorosamente obedecida, o zero do vernier estará indicando na escala o verdadeiro cumprimento da coluna. A parte inteira da coluna corresponde a mais alta graduação da escala, que coincida ou seja imediatamente abaixo do zero do vernier. A porção decimal, quando houver e que será lida no próprio vernier corresponde a graduação deste que coincide ou mais se aproxime de qualquer traço da escala considerada. Ao valor lido no barômetro deve-se aplicar algumas correções a fim de obter a pressão atmosférica a nível da estação (P o P o P o P o ). O comprimento da coluna de mercúrio depende, entretanto, de uma série de fatores, especialmente da temperatura e da aceleração local da gravidade. Por essa razão os meteorologistas estabeleceram certas condições padrões (normais) em que deve ser determinado o comprimento efetivo da coluna barométrica, permitindo comparações entre valores simultaneamente observados em vários locais. É necessário fazer as seguintes correções: 1. correção instrumental 1. correção do erro instrumental 2. correção da temperatura 3. correção da aceleração da gravidade normal A correção instrumental vem no certificado de calibração do instrumento. O certificado é preparado após testes de comparação com o barômetro padrão. Meteorologia Observacional

5 Principais fontes de erro: efeito do vento; variabilidade na temperatura do instrumento; vácuo imperfeito *; depressão capilar das superfícies do mercúrio **; falta de verticalidade e precisão geral das leituras de pressão corrigida ***. *Causas de erros: O mercúrio não umedece o vidro do tubo e, portanto, apresenta um menisco convexo (superfície curva que se forma na extremidade superior do liquido contido no tubo). Neste caso, a força de coesão entre as moléculas de mercúrio é maior do que a força de adesão entre o vidro e o mercúrio. Devido a isso, o nível do mercúrio no tubo sobe. Ao contrario, a água sobe nos tubos estreitos e sua superfície livre se eleva ao longo das paredes do tubo. Nos dois casos, o efeito é conhecido como capilaridade. **Podem ocorrer também pequenos erros devido à presença de ar residual no espaço situado sobre a coluna de mercúrio. ***Outra causa de erro de leitura provem da refração ou desvio dos raios de luz através do vidro do tubo. Em um barômetro, estes diferentes erros não deverão exceder alguns décimos de milibar. A soma de todos eles forma o erro instrumental que figura no certificado de calibração do instrumento. Este certificado é preparado após os testes de comparação com um barômetro padrão. 2. Correção de temperatura (ºC) As leituras barométricas devem ser reduzidas aos valores que se obteriam se o mercúrio e a escala estivessem submetidos à temperatura normal de 0 C. Os barômetros usados para fins meteorológicos são calibrados pela comparação com barômetros padrões de grande precisão. Na primeira calibração, todas as diferentes partes do barômetros, tais como o mercúrio, a escala, a cuba, o tubo de vidro, etc., estão na temperatura de 0 C, todo desvio em relação a esta temperatura modifica as dimensões dos diferentes componentes. Por esta razão, cada barômetro tem um termômetro numa posição tal que indique a temperatura média das partes componentes. Este termômetro é chamado de termômetro fixo. Sua leitura permite corrigir as medidas barométricas, reduzindo-as à temperatura normal de 0 C. Para temperatura positiva a correção é subtrativa e aditiva para temperatura negativa. O cálculo do valor de correção de temperatura a ser aplicado a uma dada leitura barométrica, pode ser feito mediante o emprego de equações apropriadas. Esta equações dependem do tipo de barômetro de mercúrio considerado. Para os barômetros de cuba fixa, por exemplo, a equação adotada pela OMM, é a seguinte: Ct = -0, (B + 1,24*V/A)T Ct correção, em mb, a ser aplicada à leitura barométrica, tomada à temperatura de t 0 C; B leitura barométrica, em mb, tomada a temperatura de t 0 C; V volume total de mercúrio existente no barômetro considerado, em mm 3 ; A área efetiva da cuba do barômetro considerado, em mm 2 ; T temperatura, em 0 C, obtida do termômetro afixado ao barômetro. Na prática uma equação desse tipo é, evidentemente trabalhosa. No dia a dia recorre-se a tabelas especiais específicas. 3. Correção de gravidade normal Meteorologia Observacional

6 A força de gravidade atrai os corpos na direção do centro da Terra, inclusive a coluna barométrica. Se a aceleração devido a gravidade fosse a mesma em todos os locais, esse efeito não constituiria problema, no entanto, tal fato não acontece: a aceleração da gravidade é tanto maior quanto mais próximo do centro da terra estiver o local considerado: assim sendo, devido ao achatamento dos pólos em relação ao equador, a aceleração da gravidade diminui quando a latitude decresce, (pois o raio polar é menor que o raio equatorial) e quando a altitude cresce (tabela 01). Considerando que os barômetros de mercúrio apenas indicam valores corretos de pressão atmosférica quando submetidos às condições padrões, todas as leituras obtidas de barômetros situados sob uma aceleração de gravidade diferente de 980,665 cm/s 2 devendo ser corrigido em relação ao paralelo de 45º. Para latitudes maiores que 45º a correção é aditiva e subtrativa para latitudes menores que 45º. Essa correção, usualmente destinada por redução à gravidade normal, é aplicada às leituras barométricas reduzidas a 0 C. Valores da correção para a gravidade normal são determinados mediante equações matemáticas. Na prática são utilizadas tabelas, confeccionadas em função da latitude do local considerado, da altitude média do terreno de 150 km de raio em cujo centro está situado este local, da leitura barométrica indicada no instante que se considera. O valor obtido, quando se aplica a redução para gravidade normal à leitura reduzida a 0 C, constitui a pressão atmosférica da estação, no instante dado. Latitude Tabela 1 gravidade 0 978, , , , , ,208 Fonte:Smithsonian Meterolgical Tabbles. Redução da pressão ao Nível Médio do Mar (PPPP) A pressão atmosférica num dado instante varia com a altitude em que está sendo observada, pois depende do peso exercido pela coluna de ar existente acima do local da observação. Para que seja possível comparar os valores da pressão atmosférica, observados simultaneamente em vários locais, é necessário eliminar o efeito de altitude. Para isto, é escolhido o nível médio do mar como nível de referência padrão para as estações localizadas em altitudes. A pressão atmosférica deve ser corrigida, de modo a assumir valor que teria se a estação estivesse ao nível médio do mar, isto corresponde a adicionar valor da pressão atmosférica da estação um certo número de milibares, correspondentes ao acréscimo de pressão, provocado pela coluna adicional de ar que passaria a existir sobre a estação. No caso de estações abaixo do nível médio do mar, a correção seria subtrativa. Nestes casos são utilizadas tabelas específicas para uso na estação. O valor em diversas unidades de pressão, para pressão atmosférica (padrão) é: 1013,2 hpa que vai ser igual a 760 mmhg. Quando se compensa esse efeito de altitude, comete-se um erro que é tanto maior quanto mais acentuada a diferença entre a altitude da estação e a do nível padrão de referência. Por isso mesmo, para estações localizadas em altitudes não muito elevadas, adota-se o nível médio do mar como nível padrão de referência mas, para as restantes, utiliza-se o nível de 850 hpa (mb) e, em casos excepcionais, outros níveis mais elevados que este. Meteorologia Observacional

7 A pressão atmosférica sofre uma variação semi-diurna. Em um determinado local a pressão atmosférica varia continuamente, esta variação pode ser: a) Irregular - tem períodos variáveis, sendo o mais importante os das 12 horas. b) Regular - se deve a passagem de sistemas de pressão A pressão atmosférica apresenta dois máximos (10 e 20 horas) e dois mínimos (4 e 16 horas) Barômetro Aneróides Um barômetro aneróide é constituído por cápsula (câmaras) metálica flexível complemente fechada, dentro da qual é feito, completa ou parcialmente, o vácuo. Essas câmaras hermeticamente fechadas, em cujo interior se faz vácuo tão perfeito quando possível, são ditas cápsulas aneróides (vídeos). O movimento causado pela deformação do elemento sensível é transmitido até um ponteiro que se move sobre uma escala graduada. Este mesmo sistema é utilizado nos barógrafo. ( figura 4) O diagrama do barógrafo deve ser trocado às 2 as feiras de preferência às 10 TMG para que não haja atraso na observação no horário das 12 TMG. Figura 4 Barógrafo. Figura 4 Barômetro aneróide. Tendência Barométrica A tendência barométrica é a diferença entre a pressão atual e a pressão verificada três horas antes (no mesmo local), acompanhada de uma indicação de como essa variação ocorreu. A tendência, expressa em milibares e décimos, é considerada positiva quando o valor atual é superior ao observado anteriormente, e negativo no caso contrário. Sistemas de pressão Para se ter uma idéia global da distribuição da pressão numa região, deve-se plotar sobre um mapa meteorológico, denominado de carta sinótica de superfície, os diversos valores de pressão reduzidas ao nível médio do mar, calculados para cada estação meteorológica. É denominado de isóbara as linha de pressão do mesmo valor. Uma vez feito o traçado isobárico, é possível fazer a análise do campo bárico ao nível do mar, a qual permite uma exata visualização do comportamento físico da atmosfera. As flutuações e deslocamentos dos chamados sistemas de pressão ou centros de pressão. Exemplos: Temperatura do termômetro: 27,1 Meteorologia Observacional

8 Leitura do barômetro: 760,2 mmhg Redução a 0ºC: -3,3 Correção instrumental: 0,0 Pressão reduzida a 0ºC: 756,9 mmhg Correção de gravidade=:1,4 Pressão ao nível da estação: 755,5 mmhg Pressão em mb ou hpa: 1007,1 hpa Pressão ao nível médio do mar: 1009,4 hpa Temperatura do termômetro: 28,3 ºC Leitura do barômetro: 768,7mmHg Redução a 0ºC: -3.5 Correção instrumental: 0,0 Pressão reduzida a 0ºC: 765,4 mmhg Correção de gravidade:-1,4 Pressão ao nível da estação: 764,0 mmhg Pressão em mb ou hpa: 1018,4 hpa Pressão ao nível médio do mar: 1020,7 hpa Meteorologia Observacional