Definition and meaning of Barometer

Barometer

Een barometer is een meetinstrument waarmee de luchtdruk gemeten kan worden. In feite is het een specifieke toepassing van een manometer.

  Geschiedenis

  De angst voor de leegte

Ten tijde van Galileo, rond 1635, ontwierpen ingenieurs fonteinen (en dus ook pompen) voor de stad Florence. Ze merkten dat de enorme pompen er niet in slaagden om water meer dan zo'n 12 meter omhoog te zuigen. Galileo werd om hulp gevraagd, maar hij stierf voordat hij het probleem op kon lossen. In zijn aantekeningen 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 aantekeningen van zijn voorganger en wilde bewijzen dat het de luchtdruk was die het water omhoog bracht. Om niet met buizen van 12 m hoog te werken, kreeg hij het idee om met kwik te werken, bijna 14 maal zo zwaar als water.

In 1643 deed Torricelli als eerste de bekende kwikbuisproef, al had zijn opstelling nog geen schaalverdeling en was het dan ook niet echt een barometer.^[1] Het besef van de weersvoorspellende waarde ervan kwam pas na zijn dood. Torricelli vulde een dunne buis van een 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 circa 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 doordat 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 bovendien bij deze onderdruk bovenin de kolom gaan verdampen, waardoor de dampspanning de meting zou verstoren.)

  Torricelli die de barometer uitvindt, een gravure uit een boek van Flammarion (1923)

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 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 onmogelijk was.

Verder kwam Torricelli tot de vaststelling dat het kwikniveau licht varieert, nu weten we dat dit veroorzaakt wordt door de plaatselijke luchtdruk (hoge- of lage drukgebied). Pas omstreeks 1660, lang na Torricelli’s dood kreeg de kwikbuis een schaalverdeling en kon er pas echt van een barometer worden gesproken.

De Franse fysicus René Descartes (1596-1650) verbeterde na Torricelli’s door de kwikbuis door het toevoegen van een schaalverdeling. Pas toen kon er echt van een barometer worden gesproken. Pascal was ook degene die het idee opperde dat de atmosferische druk lager is op grotere 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 breekbaar;
• kwik is een duur metaal, kwikverbindingen en -damp zijn giftig;
• door de hoge oppervlaktespanning van het kwik is het oppervlak convex; in smalle buisjes is het kwikniveau iets onder zijn theoretische waarde, een correctie moet dus aangebracht worden (afhankelijk van de diameter van de buis);
• kwik heeft een relatief grote uitzettingscoëfficiënt (vandaar het gebruik ervan in thermometers).

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

Principe van de barometer van Huygens   Principe van barometer met wijzerplaat   Barometer van Hooke, rond 1660   Barometer van Gay-Lussac en Bunten

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.

  Innovacelli barometer

Omwille van het uit 2009 daterende Europese verbod op kwikbarometers werd in navolging van de Eco-celli een nieuw type barometer ontwikkeld dat de tekortkoming (temperatuurgevoeligheid) van de Eco-celli niet langer had. In 2010 kwam de gepatenteerde Innovacellibarometer op de markt welke bestaat uit 8 aneroïde dozen, inerte vloeistof en een membraan. Deze nauwkeurige membraanbarometer vervangt momenteel de kwikbarometer.

  Donderglas

De Nederlander Cornelis Drebbel heeft de oudst bekende barometer, de motus perpetuus, voorloper van het donderglas omstreeks 1610 uitgevonden, al wordt de vinding in 1619 in een document toegeschreven aan ene Gijsbrecht de Donckere. In het tweede kwart van de 17de eeuw werd Drebbels principe vereenvoudigd en verscheen het donderglas ten tonele. De lucht die opgesloten zit in een deel van het apparaat zet uit of krimpt naar gelang 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 werden zowel op schepen gebruikt als aan de wal. De uitdrukking ‘gedonder in de glazen’ komt van dit donderglas vandaan. Johann Wolfgang von Goethe bestudeerde rond 1792-93 het donderglas en populariseerde het in Duitsland, waar het een Goethe Glas wordt genoemd, hetgeen als apocrief dient te worden beschouwd. Een andere discutabele benaming is waterbarometer.

Donderglazen zijn geen nauwkeurige meetinstrumenten; ze reageren niet alleen op luchtdruk maar ook op temperatuur. Mits opgehangen in een ruimte waar de temperatuur redelijk constant is, vormt het donderglas echter een snel reagerende indicator voor atmosferische drukverschillen. Donderglazen werden tot in de 20ste eeuw als geliefd ‘waterweerglas’ vervaardigd. De hieronder afgebeelde exemplaren zijn replica’s.

Donderglazen

  Stormglas

Een stormglas of baroscoop bevat een van de buitenlucht afgesloten oplossing van onder andere kamfer en alcohol. Bij helder weer is deze oplossing helder, maar afhankelijk van de weersomstandigheden (niet alleen luchtdruk maar ook temperatuur) vormen zich kristallen. De hoeveelheid en de vorm van de kristallen geven een indicatie van het te verwachten weer.^[2]

  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.

Bourdon barometer   Barometer, begin 20e eeuw   Barometer, begin 20e eeuw

  Barograaf

Dit apparaat meet de luchtdruk, en houdt deze ook bij. Het 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).

Barograaf   Barograaf uit de USSR   De capsules

  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 voordat 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.^[3]

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 werd ontworpen en vervaardigd in 1985 door Bert Bolle voor het Barometermuseum dat 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 later naar Australië waar hij in 1999 werd opgesteld in het bezoekerscentrum van Denmark. In 2011 kwam de barometer weer in het bezit van Bolle en ligt sindsdien opgeslagen.

  Werking

Eenmaal opgesteld wordt het ruim twaalf meter hoge instrument 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 te berekenen en te vergelijken met de digitale standaardbarometer. Daarna wordt de glazen pijp belucht en daalt al het water terug in het reservoir. De cyclus van zes minuten is dan voorbij en begint opnieuw.

Zie de categorie Barometers van Wikimedia Commons voor meer mediabestanden.