EXPÉRIENCE TORRICELLI: MESURES DE LA PRESSION ATMOSPHÉRIQUE, IMPORTANCE - PHYSIQUE - 2025

L' expérience Torricelli a été réalisée par le mathématicien physique et italien Evangelista Torricelli en 1644 et a abouti à la première mesure de la pression atmosphérique.

Cette expérience est née de la nécessité d'améliorer l'approvisionnement en eau des villes. Evangelista Torricelli (1608-1647), mathématicien de la cour du grand-duc de Toscane Ferdinand II, avait étudié les phénomènes hydrauliques avec Galilée.

Figure 1. Expérience de Torricelli, dans laquelle la colonne de mercure s'élève de 760 mm en raison de la pression atmosphérique. Source: F. Zapata.

L'expérience

En 1644, Torricelli fit l'expérience suivante:

- Il a introduit du mercure dans un tube de 1 m de long, ouvert à une extrémité et fermé à l'autre.

- Lorsque le tube était complètement plein, il l'a inversé et l'a jeté dans un récipient contenant également du mercure.

- Torricelli a observé que la colonne descendait et s'arrêtait à environ 76 cm de hauteur.

- Il a également remarqué qu'un vide s'était produit dans l'espace qui était libre, mais pas parfait.

Torricelli a répété l'expérience en utilisant différents tubes. Il a même fait une petite variation: il a ajouté de l'eau au seau, qui, étant plus léger, flottait sur le mercure. Puis il a lentement soulevé le tube contenant du mercure à la surface de l'eau.

Puis le mercure est descendu et l'eau est montée. Le vide obtenu, comme nous l'avons déjà dit, n'était pas parfait, car il y avait toujours des restes de vapeur de mercure ou d'eau.

La mesure de la pression atmosphérique

L'atmosphère est un mélange de gaz dans lequel l'azote et l'oxygène prédominent, avec des traces d'autres gaz tels que l'argon, le dioxyde de carbone, l'hydrogène, le méthane, le monoxyde de carbone, la vapeur d'eau et l'ozone.

L'attraction gravitationnelle exercée par la Terre est responsable du maintien de l'ensemble autour de la planète.

Bien entendu, la composition n'est pas uniforme, pas plus que la densité, car elle dépend de la température. Près de la surface, il y a une bonne quantité de poussière, de sable et de polluants provenant d'événements naturels et également de l'activité humaine. Les molécules les plus lourdes sont plus proches du sol.

Comme il y a tellement de variabilité, il est nécessaire de choisir une altitude de référence pour la pression atmosphérique, qui pour des raisons de commodité a été prise comme le niveau de la mer.

Ici, ce n'est pas n'importe quel niveau de la mer, car cela présente également des fluctuations. Le niveau ou le datum est choisi à l'aide d'un système de référence géodésique fixé d'un commun accord entre les experts.

Quelle est la valeur de la pression atmosphérique près du sol? Torricelli a trouvé sa valeur en mesurant la hauteur de la colonne: 760 mm de mercure.

Le baromètre Torricelli

En haut du tube, la pression est de 0, car un vide y a été établi. Pendant ce temps, à la surface de la cuve à mercure, la pression P ₁ est la pression atmosphérique.

Choisissons l'origine du référentiel sur la surface libre du mercure, en haut du tube. De là à la surface du mercure dans le récipient, mesurez H, la hauteur de la colonne.

Figure 2. Le baromètre Torricelli. Source: Physique générale pour les ingénieurs. J. Lay. USACH.

La pression au point marqué en rouge, à la profondeur y ₁ est:

Où ρ _Hg est la densité du mercure. Puisque y ₁ = H et Po = 0:

La densité du mercure étant constante et la gravité constante, il s'avère que la hauteur de la colonne de mercure est proportionnelle à P ₁ , qui est la pression atmosphérique. Remplacer les valeurs connues:

L'unité de pression dans le système international est le pascal, abrégé Pa. Selon l'expérience de Torricelli, la pression atmosphérique est de 101,3 kPa.

Importance de la pression atmosphérique pour le climat

Torricelli a observé que le niveau de mercure dans le tube subissait de légères variations chaque jour, il en a donc déduit que la pression atmosphérique devait également changer.

La pression atmosphérique est responsable d'une grande partie du climat, mais ses variations quotidiennes passent inaperçues. C'est parce qu'ils ne sont pas aussi visibles que les tempêtes ou le froid, par exemple.

Cependant, ces variations de pression atmosphérique sont responsables des vents, qui à leur tour influencent les précipitations, la température et l'humidité relative. Lorsque le sol se réchauffe, l'air se dilate et a tendance à monter, ce qui fait chuter la pression.

Chaque fois que le baromètre indique des pressions élevées, on peut s'attendre à du beau temps, tandis qu'avec de basses pressions, il y a la possibilité de tempêtes. Cependant, pour faire des prévisions météorologiques précises, vous avez besoin de plus d'informations sur d'autres facteurs.

Il

Bien que cela semble étrange, puisque la pression est définie comme une force par unité de surface, en météorologie, il est valide d'exprimer la pression atmosphérique en millimètres de mercure, comme l'a établi Torricelli.

En effet, le baromètre à mercure continue d'être utilisé aujourd'hui avec peu de variation depuis cette époque, de sorte qu'en l'honneur de Torricelli, 760 mm de Hg équivaut à 1 torr. En d'autres termes:

Si Torricelli avait utilisé de l'eau au lieu du mercure, la hauteur de la colonne serait de 10,3 m. Le baromètre à mercure est plus pratique car il est plus compact.

Les autres unités largement utilisées sont les barres et les millibars. Un millibar équivaut à un hectopascal ou 10 ² pascals.

Altimètres

Un altimètre est un instrument qui indique la hauteur d'un lieu, comparant la pression atmosphérique à cette hauteur à celle au sol ou à un autre lieu de référence.

Si la hauteur n'est pas très grande, on peut en principe supposer que la densité de l'air reste constante. Mais c'est une approximation, car nous savons que la densité de l'atmosphère diminue avec la hauteur.

En utilisant l'équation utilisée ci-dessus, la densité de l'air est utilisée au lieu de celle du mercure:

Dans cette expression, P _o est prise comme la pression atmosphérique au niveau du sol et P1 est celle du lieu dont l'altitude doit être déterminée:

L'équation altimétrique montre que la pression décroît de façon exponentielle avec la hauteur: pour H = 0, P ₁ = P _ou et si H → ∞, alors P ₁ = 0.

Références

1. Figueroa, D. 2005. Série: Physique pour les sciences et l'ingénierie. Volume 5. Fluides et thermodynamique. Edité par Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6e édition abrégée. Apprentissage Cengage.
3. Lay, J. 2004. Physique générale pour les ingénieurs. USACH.
4. Mott, R. 2006. Mécanique des fluides. 4ème. Édition. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Mesure de l'environnement naturel. 2ème. Édition. La presse de l'Universite de Cambridge.