Galileo Galilei
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 dat lucht een massa
moet hebben gevonden, maar hij kon er geen
conclusies uit trekken.
Evangelista 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 kwik kolom
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 lucht kolom van de atmosfeer
er op uitoefende.
Torricelli barometer
Torricelli die de barometer uitvindt,
een gravure uit een boek van Flammarion
(1923)
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 dat iets
onmogelijks was. Verder kwam Torricelli tot de
vaststelling dat het kwikniveau licht varieert,
nu weten we dat dit te wijten is aan een
lagedruk (weer) en de temperatuur.
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.
Principe van de barometer van
Huygens
Soorten barometers
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 boven zijn theoretische waarde, een correctie moet dus
aangebracht worden
(in functie van de diameter van de buis);
- kwik heeft een relatief grote
uitzettingsfactor (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 een vloeistof
(met een lagere dichtheid dan kwik)
Het contactoppervlak kwik-vloeistof
wordt groot genomen, zodat een kleine
verandering in het
kwik-niveau een grotere verandering in
het vloeistofniveau met zich mee brengt.
Men slaagde er zo in de uitwijking 10x
groter te maken. Een bijkomend voordeel
was dat de kwik
zo afgesloten was van de lucht, anders
oxideert kwik.
Contra barometer
Eco-Celli
De Eco-celli
barometer.
De Eco-celli barometer is een barometer die de
precisie van een kwikbarometer evenaart.
Hij functioneert echter op een totaal ander
principe. In plaats van kwik, zoals bij de
traditionele vloeistofsystemen,
berust de werking van deze barometer op de
samendrukbaarheid van gas. Aan de linker
bovenzijde van de barometer
bevindt zich het gas boven de rode vloeistof in
het reservoir. Dit gas zorgt voor een constante
tegendruk ten opzichte
van de atmosferische luchtdruk.
Door temperatuursverschillen ontstaat echter een
afwijking doordat het gas uitzet of krimpt. Bij
de Eco-celli wordt dit probleem opgelost door
parallel aan de barometer een
precisiethermometer te plaatsen die exact
dezelfde uitzetting/krimp vertoont bij wijziging
van de temperatuur.
Door een beweegbare schaal te gebruiken, die men
verschuift tot op de actuele thermometer stand
corrigeert men de
foutieve waarde zodat men de juiste luchtdruk
kan aflezen op de barometerschaal.
Waterbarometer
Een Nederlander, Gijsbrecht de Donckere, zou de
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. Het
gangbare Nederlandse woord voor dit soort
'barometers' (die vaak op op VOC-schepen
aanwezig waren) was donderglas. (Vandaar ook het
gedonder in de glazen). Ook Johann Wolfgang von
Goethe bestudeerde rond 1792-93 deze barometer.
Dergelijke types barometers reageren ook op
temperatuursverschillen, ze worden dan ook niet
meer gebruikt.
De Anaroide
barometer.
Naast de Toricelli barometers en de Contra
barometers, die voorzien zijn van een kwiktube,
zijn er ook nog Anaroide barometers ook wel
doosbarometer genoemd. De doosbarometer bestaat
uit een aantal luchtledige dozen die afhankelijk
van de luchtdruk meer of minder worden
ingedrukt. Via een veer en een wijzer kunnen
deze variaties worden weergegeven (barometer) of
via een pensysteem worden geregistreerd op
papier (barograaf).
Schema anaroide barometer
De vididozen (5 stuks)
van deze aneroïde precisie-barometer worden
vervaardigd uit een koper-beryllium legering,
die bekend staat om zijn uitstekende elastische
eigenschappen. De vididozen zijn vrij van
verouderingsverschijnselen en zijn bovendien
corrosiebestendig.
De temperatuursinvloed op de dozen en het
overbrengingsmechanisme wordt
over het hele
temperatuurbereik van -40 tot +50°C
gecompenseerd door een
bimetaal element in het overbrengingsmechanisme.
Door de optimale constructie van het
overbrengingsmechanisme en de lagers is de
wrijving tot een minimum gereduceerd. Het
meetsysteem is ingebouwd in een behuizing van
geanodiseerd en gelakt lichtmetaal. Het glas is
gevat in een verchroomde ring.
Anaroide barometer
Barograaf
Deze barograaf bestaat uit enige boven elkaar
geplaatste bijna luchtledige dozen. Bij
vermeerdering van de luchtdruk gaat de bovenkant
ervan omlaag en deze beweging wordt door de
hefboom overgebracht waardoor de wijzer omhoog
gaat. Wordt de luchtdruk kleiner, dan gaat de
bovenkant van de dozen door de veerkracht naar
boven en daardoor gaat de wijzer naar beneden.
Het uiteinde van de wijzer is voorzien van een
pen met inkt. Deze pen rust tegen de papieren
rol. Deze cilinder wordt weer door een
mechanisme gedurende een week regelmatig rond-
gedraaid. De pen beschrijft zo in het algemeen
een kromme lijn. Op het einde van de week haalt
men het papier van de rol af en kan men lezen
hoe de luchtdrukverhouding de afgelopen week is
geweest.
Op de papieren rol is een weekprogramma af te
lezen. Op de horizontale lijnen bevinden zich de
getallen van de luchtdruk van beneden naar boven
de cijfers
960 mb tot 1060 mb. En op de verticale lijnen
weer de dag en uur indeling.
Barograaf met papierrol
Opbouw electronische barometer sensor
Opbouw barometer.
Links boven zit de luchtdruk sensor
Electronische
barometers
Al meerdere jaren worden elektronische sensoren
gebruikt om luchtdruk te meten. Deze sensoren
hebben een aantal voordelen zoals:
- klein van formaat
- nauwkeurig
- koppeling met de computer
- zijn op afstand uitleesbaar
- hebben een groot meetbereik
- temperatuur gecompenseerd
De opbouw van een elektronische sensor bestaat
uit een luchtledig doosje, een weerstand netwerk
en een versterker. Bij een verandering van de
druk wordt de dunne film in of uitdrukt en zal
de weerstand van het netwerk veranderen en op de
uitgang van de versterker zal de meetspanning
ook veranderen.
Gebruik van de barometer
Luchtdrukveranderingen hangen samen met het
passeren van weersystemen, die men depressies en
gebieden van hoge luchtdruk noemt. De ontdekking
van de barometer was 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 gaswet en de latere
ontwikkeling van de thermodynamica
