Для чего нужен барометр в часах
Casio
 |
Снова здравствуйте, дорогие любители многофункциональных часов, а точнее – владельцы линейки Протрек. Именно вам адресована эта статья. Возможно кому-то она откроет новую сторону вашего действительно полезного и многофункционального устройства. Хотя всё нижесказанное относится к барометру и атмосферному давлению как таковым, опираться мы будем на пример конкретных часов, барометром оснащённых. Итак, Casio Protrek PRG-110t.
Подробно о них я писал здесь
Эти часы оснащены весьма точным (по моему трёхмесячному опыту использования) барометром, вполне пригодным для бытового прогнозирования погоды. Однако есть ряд технических моментов, на которые следует обратить внимание.
Условия.
Для начала разговора я хотел бы договориться вот о чём. Факторов, влияющих на давление, достаточно много. Для облегчения понимания условимся, что во всех рассуждениях об изменении давления пока мы исходим из того, что мы сидим на месте где-то на природе, не поднимаемся и не опускаемся по неровностям рельефа, не садимся в машину и не хлопаем дверьми, не заходим в здания с мощной системой вентиляции и т.п. То есть создаём (теоретически разумеется) такие условия, при которых всякое измерение давления это действительно измерение состояния земной атмосферы. А в конце рассказа вспомним о том, как влияют перечисленные факторы на наш барометр и научимся учитывать и их «помехи» тоже.
Как замеряем?
Наши часы имеют две базовые возможности – замер текущего атмосферного давления и сохранение в памяти результатов замеров за прошедшие сутки. График изменения давления может быть выведен на экран в режиме часов (см. инструкцию) и, конечно же, в режиме барометра. При этом внешний вид графика несколько меняется. Об этом чуть ниже. Как формируется график? Замеры, отражающиеся в виде обыкновенно кривой (очень редко прямой) линии из точек проводятся каждые два часа. Т.е. наш Protrek фиксирует давление каждый чётный час (00:00; 02:00; 04:00 и так далее). При отображении графика в режиме часов последнее зафиксированное показание мигает. Вернее, мигает точка, его отмечающая. Для дополнительной информации о состоянии атмосферы жмём кнопку BARO и видим экран барометра.
Интерпретация данных.
Это самый сложный, занудный и одновременно спорный абзац. Сразу скажу, что излагаю свой субъективный опыт. Если хотите, пользуйтесь всем, что в нём изложено на свой страх и риск. Итак. Как мы уже отметили, нормой (этаким «нулём») атмосферного давления является точка в 760 мм.рт.ст. (1013 гПа; 29,92 д.рт.ст.). Помимо этого, если мы хотим понимать насколько именно изменилось давление, нам придётся запомнить, что 1 мм.рт.ст = 1,33 гПа = 0,04 д.рт.ст. Но это нужно для понимания численных значений. Т.е. «сколько вешать в граммах». Я сам пользуюсь гектопаскалями, поскольку в дюймы пересчитывать совсем уж неудобно. Здесь и далее я буду указывать давление в гПа, хоть это и чуждо русскому уху, привыкшему к повсеместно присутствующим миллиметрам. В принципе для бытового использования было бы достаточно запомнить точку отсчёта и следить за графиком, если бы не наши перемещения в пространстве. Но о них, как мы и договорились, позже. А пока мы всё ещё сидим на месте.
Элементарные принципы даны в инструкции – барометр падает – к пасмурной, ветренной погоде, осадкам и т.п., растёт – к ясной, солнечной. Замечу однако, что темп падения может быть разным. К примеру, в Питере, при падении давления на 1 гПа (0,75 мм.рт.ст.) каждые два часа (график под углом в 45 градусов вниз) даже в течение 10-12 часов может не наблюдаться никаких видимых погодных изменений вовсе! То же касается и растущего в таком темпе давления. Однако как только скорость падения давления возрастает (к примеру, давление падает на 2 гПа = 1,5 мм.рт.ст. каждый час, график приобретает при этом наклон около 60 градусов) картинка меняется – погода изменяется прямо на глазах, обычно в течение 2-4 часов. Разумеется, 2-4 часа следует отсчитывать от того момента, как мы зафиксировали тенденцию, а на это тоже необходимо 4-6 часов. Порой мы можем наблюдать резкое падение или повышение давления и в меньшие сроки, пользуясь указателем на шкале компаса. Это тоже может предупредить нас о предстоящей резкой перемене погоды. Как правило, к худшему. В одном яхтенном руководстве я читал, что падение на 2 мм.рт.ст. в час и более (на нашем барометре это будет 3-4 гПа, или 0,08 д.рт.ст.) предвещает скорое ухудшение погодных условий. Это пока всё, что я могу сказать по этому поводу лично.
Также считаю нужным привести выдержку, посвящённую теме из Weather trainer by David Burch в переводе С. Свистула, из публикации в журнале «Фарватер»
«Показания давления и барическая тенденция
Говоря о значениях давления, которые показывает нам барометр, нужно отметить, что давление выше 1025 mb (mb – миллибары соответствую гектопаскалям гПа прим.vitranslator) рассматривается как «высокое», а ниже 990 mb – как «низкое». Но, конечно, все относительно – атмосферное давление в1005 mb будет скорее «высоким», если в окружающих регионах оно ниже. Всегда нужно учитывать особенности региона, описанные в лоциях. Обычно высокому давлению сопутствует хорошая погода со слабыми ветрами, в то время как при низком давлении (ниже 1000 mb) следует ожидать плохой погоды со свежими и сильными ветрами при полностью закрытом облаками небе и с дождями.
Отмечая важность актуальных показаний барометра на данный момент времени, необходимо сказать, что для яхтсменов наиболее полезным в использовании барометра является определение барической тенденции – изменения давления с течением времени.
Общепринято, что падение давления на 1mb в час заслуживает нашего внимания. Падение на 2-3mb в час может означать приход шторма, хотя мы еще имеем на месте штилевую погоду. Исследуя множество записей барических тенденций при приближении штормов, замечено, что обычно им сопутствует медленное неуклонное падение на 2-3 mb за каждые три часа в течение полусуток, пока падение давления не ускорится. Жестокие шторма при своем прохождении могут вызвать падение давления в 5-10mb за 3 часа, но рекордные падения принадлежат прохождению глаза тропического шторма – до 12 mb в час!
Для яхтсмена важно знать какое падение давления может быть для него опасным. Запомните правило «4-5-6». Оно означает: падение давления на 4 или 5 mb за 6 часов является сигналом к изменению погоды в худшую сторону. Всегда ведите журнал учета показаний барометра. Обычно данные снимаются при смене вахт или каждые 3 – 4 часа, но если замечено «4-5-6» падение, то переходите на почасовое снятие показаний.»
Однако всё изложенное справедливо для обстановки, о которой мы условились в самом начале – мы не перемещаемся в пространстве. Моряки перемещаются на тысячи километров, но всегда находятся на уровне моря, поэтому проблемы помех для них не существует. Следующий раздел мы посвятим факторам, которые нужно непременно учитывать, оценивая показания барометра, чтобы отличать изменение состояния атмосферы от помех, вносимых нашим перемещением.
На что ещё реагирует барометр?
На всё, что изменяет давление окружающей среды. Чаще всего это высота. Поскольку давление это масса воздушного столба над нами, Мы поднимаемся несколькими этажами выше и показатели давления падают. Это так называемая барическая ступень – при подъёме на каждые 8 м. давление опускается на 1 гПа (0,75 мм.рт.ст. или 0,03 д.рт.ст.). То есть даже при подъёме на десятый этаж типовой многоэтажки (высота около 30 м.) мы увидим резкое падение давления на 4 гПа (3 мм.рт.ст. или 0,12 д.рт.ст.). Разумеется, это не будет означать… ничего, кроме того, что мы поднялись на 10 этажей. Однако изменения в атмосфере идут своим чередом и, если, упав на 4 гПа, давление не останавливается и продолжает снижаться, значит это уже общее снижение давления. Вот здесь кроется серьёзный минус Протрека – повышение и понижение более, чем на 5 гПа на шкале компаса он не показывает – она становится просто пустой. Точно так же может опустеть и экранчик графика, на котором будет мигать только точка последнего замера, но даже понять в сторону повышения или понижения зашкаливает барометр, будет невозможно. Вот такой парадокс. На наших болотах не напрягает, но при перемещениях в горной местности придётся всякий раз задумываться над тем, насколько изменения на графике спровоцированы погодой, а насколько – спуском или подъёмом. Также на показания барометра влияют мощная вентиляция (у меня давление повышается, когда в машине вентилятор на максимуме) и вообще всё, что повышает давление на датчике. Ради эксперимента, попробуйте дунуть в датчик (в режиме барометра конечно) так, будто пытаетесь надуть свой Протрек, Вы через пару секунд увидите как меняются показания. Впрочем, это уже баловство, которое, однако, позволяет наглядно увидеть работу прибора.
Итого.
Такая вот история. Возможно, форумчанам, среди которых окажутся синоптики или просто более опытные товарищи, статья покажется поверхностной. С радостью выслушаю критику и замечания. Ну и, если кому-то это поможет крепче подружиться со своим хронометром и сделает отдых или работу приятнее (у меня к примеру шашлыки теперь проходят со 100% уверенностью в том, что никто не вымокнет и т.п.), буду счастлив. Точного хода и ясного неба!
Зачем нужны часы с барометром?
Многофункциональные модели часов Casio уже давно снабжаются одной функцией, о предназначении и пользе которой не все догадываются. Речь сегодня пойдет о барометре, который пригодится многим: туристам, рыбакам, морякам, спортсменам, водителям, да и обычным людям в повседневной жизни он тоже не помешает. Кроме этого, мы рассмотрим некоторые часы с барометром, которые стоит рассмотреть, если присматриваться к моделям из коллекций ProTrek и G-SHOCK.
Предназначение барометра
Главная задача барометра – это измерение атмосферного давления, что позволяет прогнозировать изменение погодных условий. Согласитесь, очень полезная функция, когда находишься в путешествии или на рыбалке, где от погоды зависит практически все. Помимо этого, измерять давление довольно часто приходится метеозависимым людям, которые резко реагируют на изменения погоды. Это дает им возможность заранее подготовиться к изменению самочувствия, а в некоторых случаях даже вовремя принять необходимые лекарства.
Как прогнозировать погоду по часам?
Как правило, часы с барометром выводят все данные на экран в виде диаграммы с изменяемым графиком колебания давления. Если часы показывают устойчивую диаграмму, то это свидетельствует о стабильности погоды, которая существует во время произведения замеров. Если видно понижение давления или резкий скачок диаграммы вниз, то это явный признак приближения непогоды. В случае, если диаграмма показывает ровную линию в нижних своих значениях, то стоит приготовиться к устойчивой плохой погоде, когда ровная линия в верхних значения диаграммы, наоборот, показывает устойчивость хорошей погоды. В некоторых моделях диаграмма заменяется цифровой индикацией, которая действует по тому же принципу.
Стоит знать, что во многих моделях датчик барометра автоматически считывает окружающее атмосферное давление один раз в три часа, но если активировать вручную кнопку барометра, то он начнет считывать данные каждые 5 секунд.
ProTrek и G-SHOCK
В протреках функция барометра есть практически во всех старших моделях, а также в тех часах, где установлен Triple Sensor, а это практически все часы ProTrek, кроме самых старых и начальных моделей.
Что касается G-SHOCK, то функцию барометра можно найти далеко не во всех моделях. Как правило, эта опция присутствует в премиальных линейках, таких как Mudmaster, Gulfmaster, Gravitymaster и Rangeman. Мы совсем недавно делали обзор часов с компасом, так в предложенных нами моделях есть и функция барометра, поэтому мы просто продублируем список:
В финансовом плане дешевле обойдутся часы с барометром линейки ProTrek, где за разумные деньги можно получить богатый функционал. В джишоках за приличный набор функций придется заплатить больше, но тут уже личное дело каждого, так как обе коллекции однозначно стоят внимания и могут предложить своим покупателям множество стилистических и функциональных вариантов для покупки.
Что такое термометр в смарт часах
Сегодня современные часы выполняют не только функцию украшения, нарядного элемента, но и наручного персонального помощника. Среди моделей можно отметить часы с компасом и термометром, а также прочими важными функциями. Часовой хронометр облегчает жизнь человека, мотивирует заниматься спортом, следить за своим здоровьем.
Смарт-часы с градусником получают информацию из окружающей среды с помощью встроенного электронного датчика, который способен измерить температуру.
Обновления датчика температурного датчика и их частота:
Рассмотрим, в каких единицах исчисляются измерения, и что именно показывает браслет с градусником?
Чтобы скорректировать информацию, полученную от другого проверенного температурного датчика, в часах используется калибровка.
Отметим, что для проверки точных показателей температуры, измерение проводится не на запястье, так как от руки поступает дополнительное тепло, что может исказить данные. И, конечно же, измерение температуры не проводят при прямом попадании солнечных лучей.
Что такое барометр?
Некоторые многофункциональные модели снабжены различными интересными функциями, полностью значение которых, не все знают. Среди механизмов можно выделить часы с барометром наручные или стационарные. Эта функция будет полезна для туристов, рыбаков, моряков, спортсменов, водителям или простому обывателю в повседневной жизни.
Барометр предназначен для измерения атмосферного давления. Благодаря полученным показателям, человек может спрогнозировать для себя ближайшие погодные условия. Наверное, многие согласятся, что это очень удобная функция.
От погоды зависит та же рыбалка или путешествие. Полезная функция часового механизма заранее оповестит о приближающихся осадках. Зная информацию, человек спокойно может планировать свой досуг.
Людям, которые зависимы от метеоусловий, смогут измерить давление. Ведь на погодные изменения у них часто реагирует сердечнососудистая система. Вооружившись информацией, которые показывают смарт-часы с барометром, можно быть готовым к изменению самочувствия, своевременно принять лекарства.
Как по барометру можно спрогнозировать погоду?
Часовой механизм, снабженный барометром, на дисплей выводит полученные данные. График рисуется в зависимости от колебаний атмосферного давления. О стабильности погодных условий говорит устойчивая диаграмма. Показания верны на момент произведения замеров.
Если на графике линия резко пошла вверх или вниз, это указывает на приближающееся изменение погодных условий. Когда линия идет ровно и в пониженных значениях, нужно подготовиться к длительной плохой погоде.
Лучшие смарт-часы с термометром и барометром
Garmin Fenix 5X Sapphire
Для путешествий со сложными маршрутами рекомендуется покупать барометр с часами марки Garmin Fenix 5X Sapphire, чтобы ориентироваться на погодные условия. Спортивный часовой механизм отличается многофункциональностью. В часах имеются топографические карты, модуль GPS/Глонасс. С такими часами никто не заблудится.
Основные функциональные возможности механизма:
Если GPS датчики активны, тогда часы смогут отработать без подзарядки целые сутки. В экономном режиме – до 60 часов, не заменяя батарейку.
Casio Protrek PRW-2500-1E
Компания Casio представляет линию часов с барометром: наручные и стационарные, которыми чаще всего пользуются любители путешествовать. Основное преимущество заключено в использовании моделей, имеющих различные функциональные возможности.
Путешественники без особого труда в широкой линии коллекции смогут выбрать для себя подходящую модель. Среди них особо выделяется Protrek PRW-2500-1E. Механизм способен работать при низкой температуре, которая характерна для России. Аккумуляторную зарядку повторно заряжают через 5-6 месяцев. Если часы использовать в экономном режиме – до 23.
Наличие функциональности у этой модели:
Mykronoz Zesport
Умный гаджет способен заменить сразу несколько важных устройств. Интересная новинка окажется палочкой-выручалочкой в экстремальном путешествии. Механизм снабжен сенсорным экраном, позволяющим настраивать интерфейс смарт-часов под свои нужды.
Как пользоваться градусником в умных часах?
Чтобы в наручных часах корректно работал градусник, после покупки требуется его калибровать. Первичное калибрование проводится в процессе сборки сотрудниками сборочного цеха на производстве.
При видимых разногласиях полученных показателей с другим источником, нужно самостоятельно сделать калибровку, внеся корректную информацию в механическое устройство. После проведенного процесса, необходимо проверить корректность показаний, которые выдают смарт-часы. Механизм убирают на некоторое время в другое место, где отличается температура. Затем данные часов снова сверяют.
Барометр в телефоне и смарт-часах для «чайников». Как он работает и для чего нужен?
Если вы не особо увлекаетесь физикой, эта статья должна вас немного поразвлечь, так как обычно человек даже не задумывается о таких на первый взгляд «очевидных» вещах.
Я попытаюсь на пальцах объяснить, как работает датчик давления (он же — барометр), используемый в современных смартфонах и смарт-часах. Но прежде, чем говорить об этом, нам нужно понять, для чего вообще он нужен и что конкретно измеряет.
Да, каждый взрослый человек слышал словосочетание атмосферное давление. И все знают, что это давление может повышаться или понижаться. Многие даже знают, что когда давление падает, стоит ждать ухудшения погоды. А если падает очень быстро — скорее всего, будет очень сильный ветер. Всё это — банальные вещи, хотя и они требуют объяснений.
Но что, если я скажу вам, что именно благодаря атмосферному давлению вы можете попивать апельсиновый фреш через трубочку? Как иначе сок может преодолеть силу тяжести и направиться вверх? Ведь не существует никакой «силы всасывания» или «силы вакуума». Если бы вы смогли попробовать попить сок через трубочку в космосе, где нет атмосферного давления, вам бы не удалось этого сделать.
Или подумайте, почему, когда вы втягиваете ртом воздух из пластиковой бутылки, она сжимается? Кто или что сжимает бутылку? Однозначно, это не воздух, который вы втягиваете.
В общем, давайте разбираться с мобильным барометром и давлением, которое он измеряет. Я хочу, чтобы вы хорошо понимали суть атмосферного давления, прежде чем говорить о датчике, который его измеряет. Поэтому в первой части статьи уделим внимание именно сути такого явления, как атмосферное давление.
Если вы хорошо в этом разбираетесь, тогда сразу переходите к той части, где мы будем непосредственно обсуждать мобильный барометр.
Что такое атмосферное давление?
Рыбы живут под водой. Они могут легко передвигаться не только вперед-назад, но и вверх-вниз. Однако мало кто задумывается над тем, что мы также «погружены» в что-то наподобие жидкости — атмосферу. И благодаря этой «жидкости» также можем не только передвигаться по горизонтали, но и подниматься вверх на самолетах и вертолетах, отталкиваясь от воздуха.
Но что такое атмосфера и почему мы погружены в нее?
Атмосфера — это воздух, а воздух — это смесь различных газов, то есть, «плавающих» в пространстве молекул различных веществ. И я говорю не только о банальном кислороде или углекислом газе. В воздухе также летают молекулы обычной воды (H2O) и других веществ.
Когда вода испаряется, с ее молекулами (H2O) ничего не происходит. Вопреки распространенному заблуждению, они не «рассыпаются» на атомы кислорода (О) и водорода (H2), а ровно в том же виде, в котором были водой, начинают парить в воздухе. Когда количество таких молекул (H2O) в воздухе становится большим, мы говорим, что повысилась влажность воздуха, то есть, в воздухе буквально стало очень много обычной воды.
Мы находимся на самом дне этого «воздушного океана», глубиной примерно в 100 км. То есть, над нами нависает гигантский слой воздуха толщиной
100 км и весом в несколько миллионов миллиардов тонн:
Но если над нами так много воздуха и он имеет вес, почему мы не ощущаем никакой тяжести?
Прежде всего, воздух очень тяжелый. Если взять обычный маленький столик (метр на метр), то воздух будет давить на него с такой же силой, как если бы мы разместили на этом столе 10 легковых автомобилей:
И на каждый квадратный сантиметр любой поверхности, будь-то листочек на дереве или макушка головы, воздух давит с такой же силой, как килограммовая гиря. Получается, на каждый квадратный метр любой поверхности давит груз в 10 тонн!
Но как так получается, что мы не можем удержать на вытянутой руке 20-килограммовую гирю и в то же время можем легко держать раскрытую ладонь, на которую давит примерно 70 килограмм воздуха?
Весь секрет в том, что воздух не давит на все предметы только сверху вниз. Давление здесь работает так же, как и под водой, то есть, давит со всех сторон сразу. Нам не нужно пытаться удержать руку под весом атмосферы, ведь на нее давит 70 килограмм воздуха не только сверху, но и снизу:
Более того, ровно такое же давление испытывает наше тело не только снаружи, но и изнутри (воздух в легких, в желудке, в ушах за барабанными перепонками, давление крови). Поэтому суммарное давление на тело равняется нулю и мы его не ощущаем.
Когда мы вставляем трубочку в стакан с жидкостью, она не поднимается вверх, но как только мы начинаем вытягивать (высасывать) из трубочки воздух, его становится меньше и давление воздуха внутри трубки падает. В этот момент, атмосферное давление прижимает жидкость в стакане и она поднимается вверх по трубочке:
То есть, жидкость поднимается не потому, что мы ее как-то «притягиваем». Мы просто выкачиваем немножко воздуха из трубочки и атмосфера своим весом тут же поднимает жидкость. В космосе этот трюк не сработает, так как ничто не будет давить на сок в стакане.
То же касается и бутылки. Когда мы вытягиваем из нее воздух, давление внутри уменьшается и вот теперь бутылка начинает «ощущать» на себе всю тяжесть атмосферы. Ведь до этого давление воздуха снаружи бутылки полностью компенсировалось таким же давлением изнутри бутылки.
И чем больше воздуха мы выкачаем откуда-то, тем сильнее атмосфера раздавит этот предмет.
Или возьмите обычную присоску. Как она работает? Неужели весь секрет в ее «липкой» поверхности? Конечно же, нет. Весь секрет в том, что прижимая присоску к гладкой поверхности, вы выталкиваете из-под присоски воздух, создавая там пониженное атмосферное давление. И теперь атмосфера с огромной силой (10 тонн на квадратный метр) давит на присоску с внешней стороны и удерживает ее. Чем больше размер присоски, тем большая площадь, на которую будет давить атмосфера и тем сильнее она будет прижимать ее.
В общем, главное понимать одну простую вещь — мы находимся на «дне» атмосферы, то есть, на «дне океана» из различных молекул. И давление атмосферы постоянно изменяется.
Например, когда солнце нагревает землю, молекулы воздуха начинают ускоряться и расширяться, такие «горячие» молекулы поднимаются вверх, в результате чего давление внизу падает. Но как только давление в каком-то месте упало, сюда сразу же устремляются молекулы из близлежащих участков с высоким давлением:
Такое резкое движение мы ощущаем как ветер. Если разница в давлении слишком высокая, то и «напор» молекул будет очень сильным. Настолько сильным, что может вырывать деревья или разрушать дома.
Зачем на телефонах и часах нужен барометр, измеряющий давление?
Итак, мы живем на «дне океана» под названием атмосфера и неплохо было бы знать текущее давление. Как минимум, это позволило бы нам лучше предугадывать погоду на ближайший вечер.
Как я уже сказал, если давление воздуха вокруг вас падает, можете быть уверены в том, что рано или поздно оно начнет выравниваться. То есть, молекулы воздуха из области высокого давления устремятся к тому месту, где вы находитесь. Этот процесс будет сопровождаться ветром и плохой погодой.
Мы часто слышим от синоптиков такие слова как циклон или антициклон. Это и есть области низкого давления (циклон) и высокого давления (антициклон). То есть, вся погода крутится вокруг атмосферного давления.
К примеру, в день подготовки этой статьи барометр на моем смартфоне показал такую картину:
Уже в ближе к 18:00 я понимал, что ночью будет очень плохая погода. Так и произошло. К девяти часам вечера погода очень испортилась, начались сильные порывы ветра, метель.
Ровно то же мне могли показать и смарт-часы:
Для тех, кто увлекается рыбалкой, барометр в часах или смартфоне также является незаменимым инструментом. Ведь рыбы чувствуют изменение давления и по-разному себя ведут в зависимости от этого давления.
Но изменение погоды — далеко не главная функция барометра. В основном, барометр на фитнес-трекерах и многих спортивных часах используется для определения высоты. То есть, так называемый альтиметр (высотомер) — это и есть барометр, который сразу переводит давление в высоту.
На самом деле, концепция здесь очень простая. Взять, к примеру, бутылку с водой. Мы можем легко поделить эту воду на секции:
Интуитивно понятно, что давление воды на стенки бутылки будет разным в зависимости от секции. Мы даже можем убедиться в этом экспериментально, проколов маленькие отверстия в каждой секции:
Там, где давление воды выше, вода будет выталкиваться под более сильным напором и наоборот. Получается, мы можем измерять глубину, просто измеряя, с какой силой вода давит на наш измеритель.
Ровно то же происходит и с атмосферой. Чем «глубже» мы находимся, тем сильнее давление молекул воздуха. Соответственно, чем выше мы поднимаемся, тем ниже это давление:
Если бы у нас был какой-то прибор, ощущающий давление воздуха, мы могли бы легко переводить его показания в метры. Ведь мы хорошо знаем, какое нормальное давление на уровне моря. Получается, если это давление падает, значит мы либо поднимаемся, либо портится погода.
Кроме того, многим устройствам нужна калибровка альтиметра (высотомера), чтобы устройство изначально понимало, какое атмосферное давление принимать за условные 0 метров высоты. Ведь вам зачастую не нужно знать свою высоту над уровнем моря, вы хотите знать ее над уровнем земли, на которой стоите.
Для такой калибровки обычно используются показания GPS-трекера (в смартфоне или часах). Когда устройство по спутникам определяет свои координаты, оно сразу же получает высоту этого места над уровнем моря (скажем, 150 метров) и принимает ее за условный ноль. Теперь, при подъеме на 9-й этаж, устройство покажет не 179 метров высоты над уровнем моря, а 29 метров от земли.
И прежде, чем мы уже наконец-то поймем, как работает барометр, осталось ответить на последний вопрос.
В чем же измеряется атмосферное давление?
К сожалению, для отображения давления используется множество разных единиц измерения. Одни часы могут отображать давление в миллиметрах ртутного столба, другие — в гектопаскалях. Полный же список всех единиц выглядит так:
Зачастую, на часах, смарт-часах и фитнес-браслетах указывается влагозащита именно в атмосферах (atm) или барах (bar). Все современные фитнес-трекеры, начиная от Apple Watch и заканчивая Mi Band, имеют влагозащиту в 5 atm (атмосфер) или 5 bar. Эти единицы взаимозаменяемые, так как 1 atm = 1 bar.
Представить себе давление в атмосферах очень легко, так как 1 атмосфера — это и есть то давление, которое оказывает вся наша атмосфера на поверхность земли. Если бы мы взвесили столб воздуха высотой в 100 км (вся атмосфера, содержащая молекулы) и диаметром в
1 см, он бы весил 1 кг.
Конечно же, когда речь идет о часах, производитель подразумевает не воздух, а воду. Эта маркировка в атмосферах указывает, на какую глубину можно безопасно погружать устройство. Однако вода почти в 775 раз тяжелее воздуха и соответственно давление под водой увеличивается гораздо быстрее.
Если мы хотим поднять давление воздуха с одной атмосферы до двух, нам нужно разместить над головой столб воздуха в 2 раза превышающий высоту атмосферы, то есть, нужны буквально две атмосферы.
Но чтобы ровно настолько же увеличить давление под водой, нам достаточно погрузится на 10 метров. Поэтому, давление в атмосферах под водой можно считать очень просто: 1 атм = 10 метр глубины. Если часы выдерживают давление в 5 атм, это значит, что они выдерживают давление, создаваемое водой на глубине 50 метров.
Одна атмосфера — это также 760 миллиметров ртутного столба или около 10 метров водяного столба. Это значит, что если бы мы попытались выпить ртуть со стакана через трубочку, то нам бы удалось это сделать только, если длина этой трубочки будет менее 76 сантиметров. Одна атмосфера просто не сможет поднять ртуть выше этого значения.
То же касается и воды. Если бы мы налили в очень длинную (например, 15 метровую) пробирку воду, а затем перевернули ее и поставили в ведро с водой, то вода в пробирке опустилась бы под своим весом до отметки в 10 метров, так как дальше давление атмосферы сравнилось бы с силой тяжести:
Почему такая разница между ртутью и водой? Просто ртуть в 13 раз тяжелее воды, именно поэтому давление в 1 атмосферу (давление воздуха над уровнем моря) поднимает воду в пробирке гораздо выше (10 метров против 76 см).
Таким образом, если ваши часы или смартфон показывают давление, например, 730 мм рт. ст., это значит, что атмосферное давление понизилось, так как нормой считается именно 760 мм. Когда давление понизилось, оно уже не сможет поднять так высоко ртуть, соответственно, уровень ртути в трубочке (или пробирке) опустится с 76 см до 73 см.
К слову, именно таким образом и измеряли давление очень долгое время — смотрели, как сильно опускается и поднимается ртуть в стеклянной трубке. Но в современных гаджетах, конечно же, нет никакой ртути. И здесь мы плавно переходим к главному вопросу.
Как работает барометр в смартфонах и часах?
В мобильных устройствах используются MEMS-барометры. MEMS — это аббревиатура, которую можно расшифровать как микроэлектромеханические системы (МЭМС). Собственно, это микроскопические механизмы с электроникой внутри.
Теоретически измерить давление очень легко. Для этого можно сделать небольшую коробочку с гибкой мембраной:
Что будет внутри коробочки — решать вам. Можно полностью откачать все молекулы воздуха, чтобы там образовался вакуум. Тогда мембрана будет изгибаться внутрь под давлением атмосферы. Чем выше давление, тем сильнее будет изогнута мембрана и наоброт:
Можно внутри коробочки сделать давление, равное одной атмосфере, то есть, идеальному давлению на уровне моря — 760 мм рт. ст.
В таком случае наша мембрана будет прогибаться то внутрь, когда атмосферное давление будет выше нормы (выше давления внутри коробочки), то наружу, когда атмосферное давление упадет и станет ниже того, что внутри коробочки:
Это примерно как наши уши. Когда мы взлетаем на самолете или поднимаемся на скоростном лифте, давление атмосферы резко падает (мы «выплываем со дна» атмосферы на «поверхность», где давление гораздо ниже). Но давление воздуха внутри уха (за барабанной перепонкой) осталось прежним, каким было еще на земле.
В результате барабанная перепонка продавливается наружу и мы чувствуем, будто уши заложило. Если глотнуть слюну, в глотке автоматически откроются небольшие отверстия, ведущие прямо к ушам и воздух (избыточное давление в ушах) по трубкам выйдет прямо в носоглотку.
Только в случае с барометром нам ни в коем случае нельзя запускать воздух в коробочку, ведь смысл именно в том, чтобы мембрана изгибалась.
Вот как выглядит реальный мобильный барометр:
Обратите внимание на его размеры (2*2*0.75 мм). И это даже не коробочка с воздухом внутри. Это общая «упаковка», под которой скрывается сама коробочка с мембраной и микросхема. То есть, сам чувствительный элемент здесь еще раз в 6-7 меньше. Вот еще одно фото барометра рядом с линейкой для оценки масштаба:
Ну хорошо, с этим всё ясно. Мембрана движется в ответ на изменение давления, это чисто механический процесс, понятный даже ребенку. Но как смартфон отслеживает это изменение? Какой датчик и каким образом может уловить столь ничтожные колебания кремниевой мембраны? А они действительно настолько незначительные, что увидеть их невооруженным глазом невозможно.
Для отслеживания изгиба мембраны используется мост Уитстона.
Я, правда, не хочу выходить за рамки популярной статьи и углубляться в подробности, которые будут неинтересны широкому кругу читателей. Но, с другой стороны, объяснение принципа работы барометра останется неполным, так как совершенно неясно, как же смартфон фиксирует изгибы мембраны.
Поэтому давайте поступим так. Если тема кажется вам уже раскрытой, не стоит портить впечатление от статьи, погружаясь в детали. Можете просто поставить оценку статье и подписаться на наш Telegram-канал, чтобы не пропускать другие интересные материалы.
Но если вы все еще здесь, тогда продолжим!
Что такое мост Уитстона и как он работает?
Изгиб мембраны регистрируется смартфоном очень просто — чем сильнее она деформируется, тем выше будет электрическое напряжение на ее контактах. То есть, если давление повышается, мембрана изгибается сильнее и электрическое напряжение растет, если понижается — электрическое напряжение падает.
Измерив, сколько вольт «выдает мембрана», мы узнаем, какое там напряжение и, соответственно, как сильно давление воздуха деформировало мембрану.
Остается лишь одна задача — превратить механическую деформацию мембраны в электрический ток. Для этого используют тензорезисторы. Еще их называют пьезорезисторами из-за так называемого пьезорезистивного эффекта, который очень многие путают с пьезоэлектрическим эффектом.
Теперь давайте выдохнем и забудем обо всех этих терминах!
Когда ток идет по проводу, мы можем сделать так, чтобы его стало меньше, то есть, мы можем сделать так, чтобы в какой-то точке электроны «замедлялись»:
Для этого мы используем простую детальку под названием резистор. В физическом плане это может быть просто очень тонкий проводок (тоньше того, по которому ток шел до резистора), спрятанный в «коробочку» или какой-то материал, хуже проводящий ток. Главное то, что после резистора падает напряжение и сила тока (количество электронов, проходящих за секунду).
Это как шланг с водой. Воде гораздо проще течь по широкой трубе, чем по очень узкой. Возвращаясь к нашим трубочкам, попробуйте попить сок из широкой и узкой трубочек. В первом случае вам придется прикладывать гораздо меньше усилий, так как сок будет течь свободнее.
А теперь представьте, что у нас есть резистор, который может физически растягиваться. И когда он растягивается, провода, по которым течет ток, становятся более узкими и длинными. Соответственно, такой резистор будет еще сильнее препятствовать протеканию тока. Но когда резистор будет сжиматься, провода станут более широкими и короткими, то есть, сопротивление такого резистора упадет:
Это и есть тензорезистор! То есть, резистор, сопротивление которого изменяется при физической деформации. Конечно, в современных MEMS-барометрах нет никаких растягивающихся проводков, но принцип ровно тот же. Так называемые пьезорезисторы (по сути — те же тензорезисторы) — это полупроводниковый материал, который изменяет сопротивление при механических воздействиях.
Итак, у нас есть резисторы и тензорезисторы. Что с ними делать дальше? А дальше мы делаем невероятно простую схему, соединяя 4 резистора вот таким образом:
Это и есть мост Уитстона. Когда мы подключим к этому мосту напряжение от батарейки смартфона или часов, то по нему потечет ток и в каждом резисторе этот ток будет замедляться в зависимости от того, какое у каждого резистора сопротивление.
Всё, что нам осталось сделать — это измерить напряжение между точками A и B:
Весь смысл моста Уитстона заключается в том, что если правильно подобрать все четыре сопротивления, между этими точками не будет никакого напряжения, то есть, разницы потенциалов.
Другими словами, если на верхнем и нижнем проводе будет по 5 вольт, то между этими проводами не будет никакого напряжения (потенциал на верхнем и нижнем проводе одинаков), а значит и ток по проводу между точками A и B не будет протекать:
Как же подобрать эти резисторы? Я упущу несложные расчеты и просто скажу, что напряжения между точками A и B не будет в том случае, если R1*R3 = R4*R2. То есть, если умножив сопротивление первого резистора на сопротивление третьего, мы получим такое же значение, как если бы умножили сопротивление четвертого резистора на сопротивление второго, то между точками A и B ток проходить не будет.
Каким образом мы получили эту закономерность (R1*R3=R4*R2), я расскажу только в комментариях, если это вообще кому-то будет интересно.
И вот теперь самое главное! У нас уже есть мост Уитстона, который мы предварительно сбалансировали (балансировка моста — это и есть подбор резисторов нужных сопротивлений, чтобы работала наша простая формула).
Теперь вместо одного из резисторов или же вообще вместо всех резисторов, мы ставим тензорезисторы, которые изменяют свое сопротивление при деформации. А сами резисторы размещаем на мембране, которая изгибается под давлением.
Когда мембрана будет деформироваться, она изменит и форму тензорезисторов (показаны зеленым цветом), из-за чего тот изменит свое сопротивление:
Но как только один из резисторов меняет сопротивление, происходит разбалансировка моста Уитстона, то есть, теперь уже R1*R3 не будет равняться R4*R2 и между точками A и B возникнет напряжение, которое смартфон моментально зафиксирует, так как он непрерывно измеряет электрическое напряжение между точками A и B.
Более того, мост Уитстона позволяет не только определить напряжение, но и направление тока. При определенных значениях сопротивлений напряжение в точке A будет меньше, чем в точке B и ток потечет от B к A, в противном случае, ток потечет в обратную сторону. То есть, мы можем легко определять в какую сторону отклонилась мембрана (падает ли атмосферное давление или растет).
Вот так и замеряют смартфоны и часы атмосферное давление, если они, конечно, оснащены барометром!
Более того, именно на этом принципе и основана работа любых весов. То есть, во всех весах также есть тензорезисторы и мост Уитстона. Когда вы становитесь на весы, то немного деформируете «мембрану», которая изменяет и сопротивление тензорезистора.
И последнее! Если в вашем смартфоне есть датчик давления, тогда для того, чтобы им воспользоваться, нужно скачать соответствующее приложение. Их очень много как на Android, так и для iPhone. Просто в магазине приложений введите в поиск слово «барометр» и скачайте понравившуюся программу. Если же в смартфоне нет датчика, то и приложение работать не будет.
Алексей, глав. редактор Deep-Review
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!
Как бы вы оценили эту статью?
Нажмите на звездочку для оценки
Внизу страницы есть комментарии.
Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!
Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?