Barometers
Een barometer is een meetinstrument waarmee de luchtdruk gemeten kan worden.
Inhoud |
Geschiedenis
De angst voor de leegte
Ten tijde van Galileo, rond 1635, ontwierpen ingenieurs fonteinen (en dus ook pompen) voor de stad Florence. Ze kwamen tot de vaststelling dat de enorme pompen er niet in slaagden water hoger op te pompen dan zo'n 12 meter. Galileo werd ten raad gevraagd, maar hij stierf alvorens het probleem op te lossen. In zijn nota's werd de hypothese gevonden dat lucht een massa moet hebben, maar hij kon er geen conclusies uit trekken.
De komst van Torricelli
De opvolger van Galileo was Torricelli. Hij las de nota's van zijn voorganger, en wilde bewijzen dat het de luchtdruk was die het water omhoog bracht. Om niet met buizen van 12m hoog te werken, kreeg hij het idee om met kwik te werken, bijna 14 maal zwaarder dan water. De barometer werd in 1643 uitgevonden door Torricelli. Hij vulde een dunne buis van zo'n meter lengte in zijn geheel met kwik en zette de buis op zijn kop in een bakje met kwik. Het kwik zakte voor een deel uit de buis, maar een kolom van zo'n 76 cm bleef in de buis staan. De hoogte van deze kwikkolom varieerde een beetje met de weersomstandigheden. Als de kolom wat zakte kwam er meestal regen en storm. Bij stralend rustig weer stond de kolom hoog.
Torricelli trok hieruit de gevolgtrekking dat de druk die het gewicht van het kwik in de kolom op het kwik in het bakje uitoefende gelijk moest zijn aan de druk die de luchtkolom van de atmosfeer er op uitoefende.
De druk p uitgeoefend door de kolom is gelijk aan het gewicht W van de kolom gedeeld door de doorsnede A van de buis (gewicht is een kracht en druk = kracht per oppervlak):
Nu is het gewicht W van de kolom evenredig met de dichtheid ρ maal het volume V:
De evenredigheidsconstante g hangt samen met de zwaartekracht en is overal op aarde vrijwel hetzelfde (aan de polen wat groter). Tenslotte is voor een cilindrische kolom de inhoud (volume) V gelijk aan de doorsnede A maal de lengte L:
De druk is dus evenredig met de lengte en kan daaraan meteen afgelezen worden. Ook andere vloeistoffen zouden gebruikt kunnen worden, maar omdat de meeste vloeistoffen een veel kleinere dichtheid hebben, wordt de kolom veel langer. Bij het gebruik van water bijvoorbeeld is het nodig een buis van meer dan 10 meter lengte te nemen (Het water zou echter bij deze onderdruk bovenin de kolom ook gaan verdampen, waardoor de dampspanning de meting zou verstoren).
Torricelli realiseerde zich al snel dat in de ruimte boven de kwikkolom geen lucht kon zitten. Hij kon bijvoorbeeld van onderen een paar luchtbelletjes in de buis inbrengen en dan kwam de kolom ineens een stuk naar beneden. Het was duidelijk dat de ruimte boven de kolom een luchtledig was, een vacuüm en dat zonder zo'n vacuüm de barometer niet werkte. Voor Torricelli's tijd was het echter niet zonder risico dit soort ketterse dingen te zeggen. Aristoteles had namelijk verklaard dat zoiets onmogelijks was.
Verder kwam Torricelli tot de vaststelling dat het kwikniveau licht varieert, nu weten we dat dit te wijten is aan de plaatselijke luchtdruk (hoge- of lage drukgebied).
De Franse fysicus René Descartes(1596-1650) verbeterde het systeem van Torricelli (toevoegen van een gradatie). Hij was ook de eerste die het idee opperde dat de atmosferische druk moet dalen met de hoogte.
Types
Kwikbarometer
De buis van Torricelli, verder barometer genoemd, is een U-buis die toelaat het niveauverschil in de twee benen te bepalen. Deze barometer heeft de volgende nadelen:
- de glazen buis is duur en breekbaar;
- kwik is een duur en giftig metaal;
- door de hoge oppervlaktespanning van het kwik is het oppervlak convex; in smalle buisjes is het kwikniveau ietwat onder zijn theoretische waarde, een correctie moet dus aangebracht worden (in functie van de diameter van de buis);
- kwik heeft een relatief grote uitzettingscoëfficiënt (vandaar zijn gebruik als thermometer)
Men schrijft Christiaan Huygens een belangrijke verbetering toe van de buis van Torricelli, in 1672: de buis bevat kwik (zoals voorheen), maar het open been bevat op het kwik een niet mengende vloeistof met een lagere dichtheid dan kwik. Het contactoppervlak kwik-vloeistof wordt groot gemaakt, zodat een kleine verandering in het kwikniveau een grotere verandering in het vloeistofniveau met zich mee brengt. Men slaagde er zo in de uitwijking per graad Celsius 10 keer zo groot te maken. Een bijkomend voordeel was dat het kwik zo afgesloten was van de lucht, anders verdampt het, en kwikdamp is giftig.
| Principes van verschillende barometers | |||||||||
| |||||||||
De eerste barometer met een wijzerplaat werd in 1663 door de astronoom Robert Hooke vervaardigd. Een vlotter drijft op het kwik, en volgt de niveauveranderingen. De verticale verplaatsing wordt overgebracht op een roterende naald, die de druk aangeeft op een wijzerplaat.
Eco-celli barometer
In 1997 werd door een Belgisch bedrijf, Dingens Barometers, de Eco-celli ontwikkeld en gepatenteerd. De Eco-celli bouwt verder op de barometer van Alexander Adie 1818°. Het systeem heeft een gasvulling die door de druk van de lucht wordt samengeduwd. De vloeistof gaat met stijgende en dalende luchtdruk op en neer. Aangezien het gas temperatuurgevoelig is wordt de barometer afgelezen t.o.v. de thermometer die dezelfde uitzettingsgraad heeft als het gas bij verwarming.
Donderglas
Een Nederlander, Gijsbrecht de Donckere, zou het donderglas, stormglas of waterbarometer uitgevonden hebben, in 1619. De lucht die opgesloten zit in een deel van het apparaat zet uit of krimpt naargelang de druk dat het ondergaat, en dit zorgt voor een relatief groot niveauverschil in het dunne buisje: als de atmosferische druk stijgt, daalt het niveau in het buisje.
Donderglazen, later ook wel Goethe barometers genoemd, waren vaak op op VOC-schepen aanwezig. De uitdrukking "gedonder in de glazen" komt hier vandaan. Johann Wolfgang von Goethe bestudeerde rond 1792-93 deze barometer en populariseerde die in Duitsland. Dergelijke types barometers reageren ook op temperatuursverschillen, ze worden dan ook niet meer gebruikt.
| Goethe barometers | |||||||||
| |||||||||
Gasbarometer
Dit type barometer werkt als een waterbarometer, alleen zijn de niveauverschillen groter.
Overige types
In latere tijden zijn barometers verschenen die volgens een wat ander principe werken. Het is bijvoorbeeld mogelijk een metalen capsule vacuüm te pompen en dan te meten hoever die ingedeukt wordt door de druk van de atmosfeer. Ook hier geeft een wijzer de luchtdruk op een schaal aan.
|
Barograaf
Dit apparaat meet de luchtdruk, en houdt deze ook bij. Ze werd uitgevonden door Moreland in 1670, maar pas later was het meetonderdeel verfijnd genoeg. Om een voldoende grote uitwijking te krijgen, gebruikt men meerdere capsules (normaal gezien vijf).
|
Gebruik
Omdat luchtdrukveranderingen samenhangen met het passeren van weersystemen, die men depressies en gebieden van hoge luchtdruk noemt, was de ontdekking van de barometer het begin van de wetenschappelijke studie van het weer, de meteorologie. De ontwikkeling van andere barometers dan de kwikkolom is dan ook vooral te verklaren uit de wens om ze op zee te kunnen gebruiken om zo enige waarschuwing te krijgen voor dat er een storm aankwam.
Verder is de mogelijkheid om gasdrukken te meten een erg belangrijke stap geweest in de ontwikkeling van de algemene gaswet en de latere ontwikkeling van de thermodynamica
Grootste barometers van Nederland
Het dak van het Okura Hotel in Amsterdam is de grootste barometer van Nederland op 75 m hoogte. De kleur is de indicatie voor de weersverwachting van morgen. Blauw betekent zonnig weer op komst, groen slecht weer en bij wit wisselvallig weer.
In het gebouw van de Faculteit Technische Natuurwetenschappen van de Technische Universiteit in Delft bevindt zich in het centrale trappenhuis een twaalf meter hoge watermanometer.
Grootste barometer ter wereld
De grootste barometer ter wereld is de Bert Bolle Barometer in de Barometer Tower, Denmark Visitor Centre, West-Australië. Het gigantische instrument werd door de Nederlander Bert Bolle ontworpen en vervaardigd in 1985 voor het Barometermuseum waarvan hij conservator was. Het museum was gevestigd in de buitenplaats Rustenhoven in Maartensdijk. De barometer werd door het International Guinness Book of Records erkend als de grootste ter wereld. De barometer verhuisde naar Australië in 1999 waar hij door de maker aan de dorpsgemeenschap van Denmark werd geschonken en kreeg in 2007 een plaats in het nieuwe bezoekerscentrum. De gemeente Denmarkverleende de barometer de status van monument en gaf hem de naam The Bert Bolle Barometer.
Het ruim twaalf meter hoge instrument is gevuld met ruim 150 liter water. Een vacuümpomp zuigt iedere zes minuten de lucht weg uit een glazen pijp van 90 mm diameter en bijna twaalf meter lengte. Na een minuut hebben 55 liter water het afleesniveau op circa tien meter hoogte bereikt, waarna het water gaat koken. Dat ‘koud koken’ duurt een minuut, waarna het pompen gestopt wordt en de bezoeker twee minuten de tijd heeft om de lengte van de waterkolom af te lezen, de luchtdruk berekenen en te vergelijken met de digitale standaardbarometer. Daarna wordt de glazen pijp belucht en daalt al het water terug in het reservoir. De zes minutencyclus is dan voorbij en begint opnieuw.
