Přetlak a podtlak
Na plastové stříkačce (bez tekutiny, naplněné jenom vzduchem) si můžeme demonstrovat dva fyzikální jevy. Nejdříve píst stříkačky natáhneme do půlky, pak vzduchotěsně ucpeme výpusť a zkusíme zatlačit. Vzduch je stlačitelný a do určité míry můžeme píst posunout směrem k výpusti, avšak musíme vyvinout mnohem více síly než kdyby stříkačka nebyla ucpána. Tím, že píst posouváme, zmenšujeme prostor, ve kterém byl původně vzduch s normálním atmosférickým tlakem. Vzduch houstne, tlak stoupá oproti vnějšímu prostředí. Vytvořili jsme tzv. přetlak (A).
Pokud bychom natáhli píst opačným směrem a zvětšili prostor pro vzduch, opět by nás to v případě ucpané stříkačky stálo více sil než v neucpané. Vytvořili bychom podtlak, vzduch ve stříkačce by byl řidší a měl nižší tlak než normální atmosférický za daných podmínek (B).
A v obou případech by platilo, že pokud bychom přestali na píst působit silou a výpusť stříkačky zůstala ucpaná, píst by se sám vrátil do původní rovnovážné polohy.
Praktické využití
Přetlak a podtlak jsou všude kolem nás a mají obrovské využití, např. když pijeme brčkem, vytvoříme ve slánce podtlak a kapalina, na kterou v brčku působí nižší tlak než jinde, začne stoupat k ústům. Funguje tak i sání mléka z láhve přes dudlík u miminek. Dalšími aplikacemi jsou pumpy vzdušné i vodní a spousta dalších zařízení.
K vytvoření přetlaku používáme kompresor, zařízení určené ke stlačování (kompresi) plynů a par. Jeho využití je velmi široké, v domácnosti od nafukování balónku po udržováni lednice v chodu (tlačí do její konstrukce chladicí médium v plynném stavu).Vakuum
Pokud chceme tlak výrazně snížit, např. kvůli fyzikálním pokusům, musíme vzduch uzavřít do vzduchotěsné nádoby, abychom porušili jeho spojení s vnějším prostředím. Pak vzduch vysajeme, čímž získáváme prostředí s nižším až nulovým tlakem, tzv. vakuum. Ve vakuu by se mohlo zdát, že spousta věcí funguje jinak než známe. Nešíří se tu zvuk, zápach ani teplo (vakuum je nejlepší izolant např. do termosek). A například kapalina ve vakuu by začala vřít i bez toho, že bychom ji zahřívali. Proto je využití vakua při experimentech velice široké.
Proč se nerozpadneme?
Velikost atmosférického tlaku v našich podmínkách se pohybuje kolem 1000 hPa (100 kPa). Atmosféra tedy působí na každý čtverečný centimetr zemského povrchu takovou silou, jako kdyby na něm bylo položeno závaží 1 kg, tedy například na plochu těla je tlaková síla téměř 100000 N (to je tíha tělesa o hmotnosti 10000 kg na celé tělo nebo 100 kg jenom na ruku). Naše tělo musí tím pádem ustát každý den obrovskou zátěž. Lidské tělo je tvořeno pevnými látkami, kapalinami a plynem. První dvě jsou velmi málo stlačitelné, takže tento tlak ustojí. A plyn v nás, např. vzduch v plicích je natlakovaný stejně jako plyn venku, tudíž jsou v rovnováze.
Lidské tělo dokáže svojí stavbou dokonce ustát mnohonásobně vyšší tlak, např. při potápění. Každý potápěč si ale musí pamatovat, že v čím větší hloubce se nadechuje z kyslíkového přístroje, tím více vzduchu vdechuje do plic, aby vyrovnal vnější rostoucí tlak vody. Jestliže stoupá směrem vzhůru, tlak klesá a potápěč musí vzduch vydechnout. Pokud by tak neučinil, rozpínání vzduchu by mohlo způsobit až prasknutí plic. Proto se musí potápěči vynořovat pomalu a přitom vzduch vdechovat a vydechovat. Pokud se však jedná o free-diving (potápění do hloubky bez přístroje), tak tento problém nehrozí, protože vzduch nabraný do plic nad hladinou má stejný objem i při vynoření.
Také horolezci stoupající na vrchol osmitisícovek musí často dýchat z kyslíkových přístrojů, protože vzduch v těchto výškách je mnohem řidší než jsme zvyklí.
Kosmonauti mohou do volného prostoru ve vesmíru také vstupovat v jenom ve skafandru, jenž je naplněn tak, že vytváří tlak, na který je naše tělo zvyklé. V kosmu totiž panuje vakuum a životnost lidského těla ve vakuu se počítá na sekundy. Při nulovém tlaku by byl ohrožen prasknutím plic, pokud by zadržel vzduch v plicích, nebo zastavením krevního oběhu (kapaliny ve vakuu se začínají rozpínat a vřít).
Toricelliho pokus a Magdeburské polokoule
Pro naše předky bylo velmi těžké představit si, že vzduch, který nás obklopuje od narození, a který ani necítíme, má svojí hmotnost nebo že existuje něco jako vzduchoprázdno/vakuum. I samotný Aristoteles, nejvýznamnější starověký filozof, tvrdil, že příroda má strach z prázdnoty. S tím souhlasila i církev, která říkala, že Bůh nechce strpět prázdno, protože odporuje jeho stvořitelskému úsilí.
Ale to bylo vyvráceno v 17. století, když do historie objevování atmosférického tlaku a vakua vstoupily dva experimenty. Německý fyzik Otto von Guericke, také starosta Magdeburgu, demonstroval existenci atmosférického tlaku na tzv. magdeburských polokoulích, což byly dvě kovové polokoule vzduchotěsně upevněné k sobě. Poté, co z nich byl odsát vzduch (pomocí vývěvy, tehdy nového vynálezu na odsávání vzduchu), nebylo možné je od sebe oddělit, ačkoli se o to snažilo 15 koní na každé straně. Avšak jen co se do koule vpustil vzduch kohoutkem v jedné z polokoulí, odpadly od sebe bez jakékoliv pomoci. Koule totiž k sobě obrovskou silou tlačil atmosférický tlak, který byl vyrovnán až po opětovném vpuštění vzduchu do koule.
Ve stejném století experimentoval s tlakem i italský fyzik Evangelista Torricelli. Je autorem tzv. Torricelliho pokusu. Nejprve se vezme dlouhá trubička, na jednom konci zaslepená. Druhým koncem se až po okraj naplní tekutinou, např. rtutí, která má hustotu 13534 kg/m3, tj. 13× větší hustotu než voda. Otevřený konec se uzavře např. prstem a vloží se do nádrže se stejnou kapalinou. Dalo by se očekávat, že rtuť z trubičky vyteče do nádrže. Ale není tomu tak. Na hladinu nádrže působí atmosférický tlak kolem 1000 hPa (modré šipky) a tlačí rtuť do trubičky s nižším tlakem. Hladina rtuti se ustálila v takové výšce, aby se její hydrostatický tlak rovnal vnějšímu atmosférickému tlaku. U prvního Torricelliho experimentu to bylo ve výšce 76 cm a nad její hladinou vzniklo ve trubičce vakuum. Tato výška a vzorec na výpočet hydrostatického tlaku se pak mohou použít na určení atmosférického tlaku:
