Tlak je velmi užitečná veličina. Můžeme se o tom přesvědčit například při chůzi v hlubokém sněhu. Aby se nohy do sněhu nebořily, je třeba zvětšit plochy, kterou se dotýkáme sněhové vrstvy. Můžeme použít lyže nebo sněžnice (viz obrázek). Tlaková síla, kterou působí noha na sníh, se přitom nezmění, ale síla se rozloží do větší plochy. Jinými slovy: zmenší se tlak mezi botou a sněhem a sníh se díky tomu neproboří.

Takto můžeme pomocí tlakové síly \(F\) a obsahu plochy \(S\), na kterou síla působí, definovat tlak

Jednotkou tlaku je N/m² = Pa (pascal). Tlak je skalární veličina: nemá směr (ve vzorci vystupuje velikost síly).

Tlak 1 Pa si můžete představit jako tlak vyvolaný volně ležícím kancelářským papírem o gramáži 100 g/m². Často se proto setkáte s násobky kPa a MPa. Kromě toho se používá ještě jednotka bar neboli technická atmosféra. Její hodnota je přibližně odvozena od atmosférického tlaku: 1 bar = 100 kPa.

V této kapitole budeme zkoumat převážně plyny. Plyny a kapaliny označujeme jedním slovem jako tekutiny, neboť jejich společnou vlastností je právě tekutost. Tlak v tekutině je definován podobně jako tlak u pevných těles pomocí tlakové síly \(F\) a obsahu plochy \(S\). Podstatným rozdílem je fakt, že tlaková síla způsobí stejný nárůst tlaku ve všech místech tekutiny, zatímco v pevném tělese se takto jednoduše tlak nešíří (viz obrázky v galerii). Fakt, že změny tlaku se v kapalinách šíří všemi směry stejně, bývá na počest svého objevitele označován jako Pascalův zákon.

Z Pascalova zákona pak vyplývá, že tlak v tekutině nemá směr. O směru můžeme mluvit jen u tlakové síly. Pokud si vybereme libovolnou plochu (například stěnu nádoby, píst), bude na ni tekutina působit tlakovou silou \(F=pS\) vždy ve směru kolmém na zvolenou plochu. Snadné šíření tlaku v tekutinách se využívá v hydraulických zařízeních. Pomocí kapaliny můžeme přenášet a zvětšovat síly v hydraulickém lisu, automobilových brzdách nebo stavebních strojích.

Tlak a hydraulická zařízení

Hydrostatický tlak

Tlak v tekutině nemusí vznikat jen působením vnější tlakové síly. Pokud je tekutina v gravitačním poli, působí na ni gravitační síla a ta vyvolává v tekutině hydrostatický tlak. V případě kapaliny, kterou můžeme považovat za nestlačitelnou, je situace docela jednoduchá. Jsme-li v určité hloubce \(h\) pod hladinou, je hydrostatický tlak dán gravitační silou \(F_\mathrm{G}=mg\) působící na kapalinu o hustotě \(\varrho\), která se nachází nad námi (viz obrázek):

\[ p_\mathrm{H} = \frac{F_\mathrm{G}}{S} = \frac{mg}{S} = \frac{V\varrho g}{S} = \frac{Sh\varrho g}{S} = h\varrho g \]

Uvážíme-li navíc, že nad hladinou je ještě atmosférický tlak \(p_\mathrm{A}\) a ten se dle Pascalova zákona přenáší kapalinou, dostaneme pro celkový tlak v hloubce h:

Více o fyzice potápění se dočtete v motivačním článku.

Z uvedeného vzorce dále vyplývá, že rozdíl tlaků mezi dvěma hloubkami vypočítáme snadno jako \(\Delta p = \Delta h\varrho g\). Můžeme tak snadno spočítat, že platí:

Rozdíl výšek 1 m vodního sloupce: \(\Delta p = 1{,}0\cdot 9{,}8\cdot 1000\ \mathrm{Pa} = 9{,}8\ \mathrm{kPa} = 10\ \mathrm{kPa}\).

Rozdíl výšek 1 mm rtuťového sloupce: \(\Delta p = 0{,}001\,00\cdot 9{,}81\cdot 13\,595\ \mathrm{Pa} = 133\ \mathrm{Pa} = 1\ \mathrm{torr}\) (starší jednotka tlaku).

Atmosférický tlak

Zemská atmosféra dosahuje výšky asi 100 km. Pod „hladinou“ tohoto plynného tělesa musí být tlak, podobně jako je pod hladinou moře. Jeho velikost však nemůžeme jednoduše vypočítat podle vzorce \(p=h\varrho g\), protože plyn je velmi dobře stlačitelný a jeho hustota s výškou klesá. Pak jsou tu další vlivy jako změny teploty a vlhkosti vzduchu. Jak tedy můžeme změny tlaku v tomto vzdušném oceánu popsat?

1. Pokud není rozdíl výšek příliš velký, můžeme použít pro přibližný výpočet rozdílu tlaků vzorec \(\Delta p = \Delta h\varrho g\) a dosadit hustotu vzduchu platnou v daných podmínkách. Například při tlaku 1 bar a teplotě 20 °C je hustota vzduchu 1,2 kg/m³. Pak nám vyjde pro rozdíl výšek 1 m: \(\Delta p=1\cdot 9{,}8\cdot 1{,}2\ \mathrm{Pa}=12\ \mathrm{Pa}\).
2. Závislost tlaku na nadmořské výšce je možné popsat pomocí exponenciální funkce (kterou lze odvodit pomocí vyšší matematiky): \[ p_\mathrm{A} = p_0 \mathrm{e}^{-\frac{\varrho_0}{p_0}gz} \]

\(z\) je nadmořská výška, \(p_0\) je tlak v nulové výšce (na hladině moře). Dohodou je tato hodnota stanovena jako normální atmosférický tlak \(p_0=101{,}3\ \mathrm{kPa}\). \(\varrho_0\) je podobně hustota vzduchu v nulové výšce (přibližně 1,2 kg/m³), \(\mathrm{e}=2{,}718\) je Eulerovo číslo (matematická konstanta). Lepší představu o poklesu tlaku s výškou získáme, pokud si tuto funkci vykreslíme do grafu. Tento model už odpovídá realitě velmi dobře, přesto nepostihuje změny tlaku v důsledku pohybu vzduchových hmot s rozdílnou teplotou a vlhkostí. Tyto změny tlaku jsou velmi důležité v meteorologii.

Pokles atmosférického tlaku s výškou má některé praktické důsledky, o kterých je dobré vědět. V předchozím příkladu jsme viděli, že už ve výšce Mt. Blancu je atmosférický tlak zhruba poloviční oproti hladině moře. Přestože koncentrace kyslíku ve vzduchu se nemění, s tlakem klesá také jeho celkové množství v daném objemu vzduchu, který vdechujeme do plic. Proto má naše tělo ve větších nadmořských výškách problémy se zásobováním kyslíkem a to se projevuje jako výšková nemoc. Drobné problémy jako zadýchávání se můžete pociťovat ve výškách už kolem 2 500 metrů. Ve větších výškách pak hrozí bolest hlavy, zvracení a celková slabost. Pokud v případě těchto problémů člověk nesestoupí dolů, ale naopak pokračuje ve výstupu, hrozí smrtící otok plic či mozku. Zajímavé je, že naše tělo si na menší množství kyslíku časem zvykne. Tomu se říká aklimatizace na výšku, která je nezbytná při pobytu ve vysokých horách. S poklesem tlaku musí počítat také konstruktéři letadel, která se pohybují ve výškách okolo 10 km. S poklesem tlaku a hustoty sice klesá odpor vzduchu, ale také vztlak na křídlech. Kromě toho musí být trup letadla vyztužen, aby odolal rozdílu tlaků uvnitř a vně. S poklesem tlaku se ale můžete setkat i při obyčejné jízdě lanovkou nebo rychlým výtahem, kdy vám v důsledku rychlé tlakové změny „zalehnou uši“. Pomocí atmosférického tlaku je rovněž možné měřit nadmořskou výšku. Podrobněji se o tom dočtete v následujícím oddílu.

Někdy může být užitečné snížit tlak v určitém prostoru – vytvořit podtlak. A není nutné kvůli tomu stoupat do velké nadmořské výšky. Podtlak umíme vytvářet pomocí speciálních čerpadel; nejjednodušším z nich je obyčejný vysavač. Na principu podtlaku pracuje také sací pumpa. V technické praxi se zařízení, které slouží k vytváření velkého podtlaku, nazývá vývěva. Onen prostor, v němž je tlak plynu podstatně nižší než atmosférický, pak označujeme jako vakuum. Číselnou představu o různých druzích vakua nabízí následující tabulka.

Poznámka: počet molekul na cm³ je počítán při teplotě 20 °C (výpočet si můžete ověřit sami – viz stavová rovnice).

Podtlak v praxi

Měření tlaku

Tlak je jednou z veličin, se kterými se často setkáváme v každodenním životě (více v galerii). Než se seznámíme s nejdůležitějšími způsoby jeho měření, musíme zmínit rozdíl mezi absolutním a relativním tlakem.

absolutní tlak = tlak měřený vůči vakuu (nulovému tlaku)

relativní tlak (přetlak/podtlak) = tlak měřený vůči atmosférickému (okolnímu) tlaku.

Ve většině případů měříme relativní tlak. Pokud například napumpujete pneumatiku kola tlakem 3 bary, znamená to, že celkový tlak v pneumatice bude 4 bary.

Kapalinový manometr

Nejstarší způsob měření tlaku je pomocí trubice naplněné kapalinou, kdy porovnáváme měřený tlak s hydrostatickým tlakem vybrané kapaliny. Pokud necháme oba konce trubice otevřené (viz obrázek a), budeme měřit relativní tlak. Takto funguje například klasický lékařský manometr pro měření krevního tlaku. Trubice je naplněna rtutí kvůli její větší hustotě (1 mm rtuťového sloupce odpovídá tlaku 133,3 Pa = 1 torr). Pokud vám lékař naměří tlak 120/80, znamená to, že maximum vašeho krevního tlaku je 120 torrů = 16 kPa (relativně vůči atmosférickému tlaku).

Pokud jeden konec trubice naplníme kapalinou a uzavřeme, bude tlak plynu na této straně trubice nulový (viz obrázek b). Přesněji: bude zde pouze tlak syté páry kapaliny, což je pro rtuť za pokojové teploty méně než 1 Pa. Rtuťový barometr byl vynalezen Evangelistou Torricellim v roce 1643. Od té doby začali lidé měřit a sledovat změny atmosférického tlaku. Vy si můžete Torricelliho pokus vyzkoušet s vodou v rámci motivační aktivity.

Deformační manometr

Kapalinový manometr není příliš praktické zařízení, neboť kapalina se může vylít, a hlavně pro větší tlakový rozsah je potřeba dlouhá trubice. Proto se tlak nejčastěji měří manometrem s Bourdonovou trubicí (viz obrázek). Jeho základ tvoří dutá kovová zatočená trubice, která se při zvětšení tlaku mírně rozevře (narovná). Tento pohyb je převeden na ručičku doplněnou stupnicí.

Membránový senzor tlaku

V digitální době máme samozřejmě možnost měřit tlak také pomocí elektronického senzoru. Existuje několik způsobů konstrukce a zapojení. Nejčastěji se jedná o miniaturní dutinu vyplněnou vakuem (případně plynem o známém tlaku). Při změnách tlaku se jedna stěna dutiny nepatrně deformuje a to je převáděno na elektrické napětí pomocí tenzometru. Tento senzor tlaku může bez problému sloužit také jako barometr v meteostanicích nebo jako výškoměr s citlivostí na metry.

Měření tlaku

Pojďme se podrobněji podívat na vlastnosti plynných těles. Můžeme je zkoumat experimentálně při mnoha různých dějích, jako je třeba prudké stlačování vzduchu v pístu (viz obrázek). Při prudkém stlačení vzduchu v pístu vzroste teplota plynu natolik, že dojde ke vzplanutí malého kousku papíru. V řeči fyzikálních veličin můžeme říct, že při rychlém stlačení (zmenšení objemu) dojde k nárůstu tlaku a teploty plynu. Úplně stejný proces probíhá také v pístech spalovacího motoru.

Stav plynu v určitém okamžiku můžeme popsat pomocí tří měřitelných veličin: tlaku \(p\), objemu \(V\) a teploty \(T\). Kromě těchto tří veličin můžeme měřit ještě množství plynu. To můžeme udělat například pomocí počtu částic \(N\), který lze vyjádřit také pomocí látkového množství (\(N=nN_\mathrm{A},\) kde je \(N_\mathrm{A}\) Avogadrova konstanta).

Tyto čtyři veličiny označujeme jako stavové veličiny:

\(p\) = tlak

\(V\) = objem

\(T\) = teplota

\(n\) = látkové množství (nebo \(N\) = počet částic)

Pokud budeme sledovat, co se děje s plynem v pevné uzavřené nádobě, budou dvě ze čtyř stavových veličin (počet částic a objem) neměnné. Tím se situace velmi zjednoduší, neboť budeme moci sledovat, jak se mění tlak v závislosti na teplotě. Jak se plyn ohřívá, roste i jeho tlak. Přesněji to lze vyčíst z grafu (viz obrázek).

Podobně můžeme sledovat, co se děje s plynem za stálé teploty. Objem měníme velmi pomalu, aby plyn stihl vyrovnávat teplotu s okolím. Zjistíme, že při zmenšení objemu roste tlak plynu. Tentokrát nám z grafu vyjde nepřímá úměrnost (viz obrázek).

Podobná měření prováděli fyzikové převážně v průběhu 18. století a postupně experimentálně odvodili vztah mezi stavovými veličinami pro konkrétní množství plynu (vy si tyto experimenty můžete sami vyzkoušet v praktiku). Z těchto měření vyplývá, že tlak je přímo úměrný teplotě a nepřímo úměrný objemu plynu. To můžeme zapsat pomocí neznámé konstanty (značíme ji zkratkou konst) jako \(p=\mathrm{konst.}\cdot T/V\). Odtud vyplývá, že výraz \(pV/T\) se musí rovnat neznámé konstantě:

\[ \frac{pV}{T} = \mathrm{konst.} \]

Zdůrazněme, že se jedná o termodynamickou teplotu (v Kelvinech), proto ji značíme velkým písmenem \( \mathrm{T} \).

Tento vztah mezi stavovými veličinami se nazývá stavová rovnice ideálního plynu. V modelu ideálního plynu považujeme molekuly plynu za kuličky zanedbatelného objemu, které se mohou srážet dokonale pružnými srážkami. Tlak plynu pak vysvětlíme nárazy kuliček (molekul) na stěny nádoby. Trochu složitější je souvislost teploty a rychlosti pohybu částic, o které si můžete přečíst v rozšiřující poznámce souvislost teploty a energie.

Stavovou rovnici ideálního plynu je možné odvodit také teoreticky a můžeme ji zapsat ve dvou různých tvarech. Oba říkají to samé, ale pomocí jiných veličin. Při počítání si pak můžeme vybrat, který tvar se nám lépe hodí.

V reálných plynech budeme vždy pozorovat menší či větší odchylky od tohoto jednoduchého modelu. Přesnější popis nabízí van der Waalsova stavová rovnice, která zohledňuje skutečnost, že nelze zanedbat vlastní objem částic, a také to, že přitažlivé síly mezi částicemi ovlivňují jejich pohyb. Za normálních podmínek (tlak 1 bar, teplota 0 °C) je náš model velmi přesný, neboť molekuly zaujímají řádově jen 0,1 % prostoru a rovněž vliv mezimolekulových sil je zanedbatelný.

Použití stavové rovnice

Stavová rovnice obsahuje kompletní informace o plynném tělese. Prakticky ji tedy můžeme použít pro výpočet čtvrté stavové veličiny při znalosti zbylých tří. Ukázku najdete v řešeném příkladu.

Další možností použití stavové rovnice je porovnání dvou různých stavů konkrétního plynného tělesa (N je konstantní). Pak můžeme napsat rovnici ve tvaru

Pokud je navíc některá z veličin \(p\), \(V\), \(T\) neměnná, její hodnota na obou stranách rovnice je stejná, a můžeme ji zkrátit. Například pro děj, který probíhá za stálé teploty, bude platit

\[ \frac{p_1V_1}{T_1} = \frac{p_2V_2}{T_2}\;,\quad T_1=T_2=T \quad\Rightarrow\quad \frac{p_1V_1}{T} = \frac{p_2V_2}{T} \quad\Rightarrow\quad p_1V_1 = p_2V_2 \quad\Rightarrow\quad pV=\mathrm{konst.} \]

Speciální děje, při kterých je stálá hodnota jedné stavové veličiny, mají své názvy. Můžeme je přehledně zapsat do následující tabulky.

Konkrétní použití uvidíme v řešených příkladech.

Voda je látkou, která má rozhodující vliv na podobu naší planety. V tabulce si můžete prohlédnout zastoupení vody v různých částech hydrosféry.

Vidíme, že voda v atmosféře tvoří jen tisícinu procenta z celkového množství vody na Zemi. Přesto je její význam mnohem větší, neboť má rozhodující vliv na podnebí a počasí v každém místě naší planety. Pro porozumění jevům, které v atmosféře probíhají, jsou velmi důležité změny skupenství vody. Právě těm se budeme věnovat v poslední části této kapitoly.

Sytá pára

Nejčastěji se v atmosféře setkáváme s vypařováním a kapalněním, proto je nyní podrobněji prozkoumáme. Začneme detailním rozborem vypařování ve třech různých případech. Vlevo je vždy výchozí stav za pokojové teploty (20 °C) a vpravo výsledný rovnovážný stav.

1. Voda v uzavřené nádobě

Z fázového diagramu vody můžeme odečíst, že při nulovém tlaku (výchozí stav v nádobě) a teplotě 20 °C by voda měla být v plynném skupenství. Proto se voda začne vypařovat (díky absenci tlaku dokonce vařit). Tím se ale začne zvětšovat tlak páry nad hladinou a s ním také koncentrace molekul. Některé molekuly se začnou zase vracet zpět do vody, čímž se proces vypařování bude zpomalovat, až se nakonec úplně zastaví. Prostor nad hladinou kapaliny bude maximálně nasycen plynem, což označujeme pojmem sytá pára. Vznikne rovnovážný stav, který lze popsat pomocí tlaku syté páry nad hladinou kapaliny. Ve fázovém diagramu mu odpovídá hranice mezi kapalným a plynným skupenstvím. V grafu vidíte výřez z fázového diagramu vody, který ukazuje závislost tlaku syté páry na teplotě. Dodejme ještě, že pro vypařování je vždy potřeba energie, proto se voda při vypařování zároveň ochlazuje.

2. Voda v uzavřené nádobě se vzduchem

Tato situace je mnohem blíž naší běžné zkušenosti. Prostě nalijete vodu do nádoby a zavřete ji. Nad hladinou vody zůstává vzduch o atmosférickém tlaku. I tato soustava dospěje do rovnovážného stavu. Voda se bude vypařovat (tentokrát už jen z hladiny) a tlak vodní páry nad hladinou nakonec dosáhne hodnoty odpovídající syté páře stejně jako v předchozím případě. Nyní se ovšem jedná o parciální tlak plynu (vodní páry). Parciální tlak si můžete představit jednoduše tak, jako by na stěny nádoby působily jen vybrané molekuly (např. vodní páry). Podle Daltonova zákona parciálních tlaků je celkový tlak směsi plynů roven součtu jejich parciálních tlaků. Proto se tlak vodní páry prostě přičte k tlaku dusíku, kyslíku a ostatních plynů. To ale není vše. Plyny obsažené ve vzduchu mohou pronikat do vody, tomu říkáme rozpouštění plynu v kapalině. Všeobecně platí, že rozpustnost určitého plynu ve vodě roste s tlakem a klesá s rostoucí teplotou. V našem případě (20 °C, atmosférický tlak) můžeme najít tyto hodnoty rozpustnosti: dusík 0,02 g/l, kyslík 0,04 g/l. Díky tomu parciální tlak těchto plynů nad hladinou mírně klesne podle toho, kolik se jich ve vodě rozpustí.

3. Voda v otevřené nádobě

Jedná se opět o dobře známou situaci. Ze zkušenosti víme, že voda se nakonec (třeba za týden) všechna vypaří. Jak dlouho bude vypařování trvat? A může se stát, že v nádobě nějaká voda zůstane? Abychom mohli odpovědět, je potřeba si uvědomit, že nestačí sledovat jen samotnou nádobu. Dejme tomu, že je nádoba umístěna v uzavřené místnosti. Soustava, jejíž rovnovážný stav hledáme, je teď tvořena celou místností. Vypařená voda se proto rozptýlí po celé místnosti. Zvýší se zde celkové množství vodní páry. Pokud by byla místnost extrémně malá nebo v ní již na začátku byl tlak vodní páry velmi blízko tlaku syté páry, nemuselo by dojít k vypaření veškeré vody.

Z předchozích případů vyplývá vliv tlaku par nad povrchem kapaliny na rychlost vypařování. Dalšími významnými faktory jsou také teplota a velikost povrchu kapaliny.

Rychlost vypařování závisí na:

1. teplotě kapaliny,
2. velikosti povrchu kapaliny,
3. tlaku páry nad povrchem.

Vypařování

Vlhkost vzduchu

Vlhkost vzduchu ovlivňuje celou řadu jevů. A nejde jen o schnutí prádla či nepříjemné letní dusno. Vlhkost vzduchu v interiéru budov má velký vliv také na naše zdraví. Koncentraci vody ve vzduchu můžeme popsat pomocí parciálního tlaku vodní páry. Častěji se ale používá absolutní vlhkost vzduchu, která udává hmotnost vodní páry v určitém objemu vzduchu. Značí se velkým řeckým písmenem \(\Phi\) a definuje se jednoduchým zlomkem.

Nejčastěji používanou jednotkou je g/m³. Převod tlaku na absolutní vlhkost je možný pomocí stavové rovnice ideálního plynu (můžete si to sami vyzkoušet ve cvičení). Symbolem \(\Phi_\mathrm{max}\) označujeme maximální možnou absolutní vlhkost za dané teploty, která odpovídá syté vodní páře. Graf závislosti tlaku syté vodní páry na teplotě díky tomu můžeme překreslit do podoby \(\Phi_\mathrm{max}=f(t)\).

Pro praktické použití je se nejvíc hodí relativní vlhkost vzduchu, která udává, z kolika procent je vzduch nasycen vodní párou. Rychlost vypařování totiž nezávisí na absolutní, ale právě na relativní vlhkosti vzduchu.

Jde o bezrozměrnou veličinu, která se udává v procentech. Stoprocentní vlhkost vzduchu znamená, že vzduch je vodní párou zcela nasycen. Jinak řečeno, jde o sytou páru.

Velmi důležitý je fakt, že při změně teploty vzduchu se jeho relativní vlhkost mění, přestože absolutní vlhkost zůstává neměnná. Je to díky závislosti \(\Phi_\mathrm{max}\) na teplotě a dobře to bude patrné z následujícího příkladu.

Relativní vlhkost nemůže překročit 100 %. Co se ale stane v případě, že při ochlazování vzduchu „narazíme“ na křivku \(\Phi_\mathrm{max}\)? V případě, kdy vzduch dosáhne 100 % vlhkosti, začíná voda měnit skupenství z plynného na kapalné (případně pevné). V tomto bodě začíná kondenzace (případně desublimace), která pokračuje při dalším ochlazování vzduchu. Teplota, při které vzduch dosáhne 100 % vlhkosti, se nazývá rosný bod. Můžeme ho opět snadno vyčíst z grafu \(\Phi_\mathrm{max}=f(t)\), což ukazuje další příklad.

Relativní vlhkost nejjednodušším způsobem vystihuje nasycení vzduchu vodní parou. Zároveň je to také poměrně snadno měřitelná veličina. Zařízení, které měří relativní vlhkost, se nazývá vlhkoměr neboli hygrometr. V galerii si můžete prohlédnou některé druhy vlhkoměrů.

Vlhkoměry

Jak vzniká oblačnost a srážky?

Při překročení rosného bodu vlhkost ve vzduchu kondenzuje (při teplotách nad 0 °C), nebo desublimuje (při teplotách „pod nulou“). Jakým způsobem bude tento proces probíhat, záleží na konkrétní situaci. Například v místnosti začíná kondenzace na nejchladnějším místě, nejčastěji na oknech. V přírodě vzniká rosa nebo jinovatka, nejchladnějším místem bývají předměty na zemském povrchu, které se přes noc ochladí vyzařováním.

Co když ale kondenzace proběhne v celém objemu vzduchu? Takto vzniká mlha nebo oblačnost tvořená malými kapičkami vody, které jsou unášeny vzdušnými proudy. Při jejich formování hraje velkou roli přítomnost kondenzačních jader. Jsou to mikroskopické částečky (prach, saze, mořská sůl), které výrazně usnadňují vznik těchto kapiček. Pro kondenzaci vody ve vzduchu sice nejsou kondenzační jádra nezbytná, ale bez nich by voda ve volném prostoru zkondenzovala až při vlhkosti výrazně vyšší než 100 %. Upřesněme tedy tvrzení, že relativní vlhkost nemůže nikdy překročit 100 %. V některých případech, kdy nejsou v blízkosti žadné předměty ani kondenzační jádra, může dojít k přesycení vzduchu vodní párou a k překročení 100 % vlhkosti.

Ochlazováním vlhkého vzduchu vznikají na kondenzačních jádrech malé kapičky vody tvořící oblačnost. Kdy ale začne z oblačnosti pršet? K tomu je potřeba, aby kondenzace pokračovala dál. Kapičky se postupně zvětšují a spojují. V jednom momentě jejich velikost překročí kritickou hranici a výstupný proud vzduchu už je neunese (viz úloha – výpočet mezní rychlosti – kapitola 5). Kapičky začínají padat a cestou nabírají další a zvětšují se. Z vysokého oblaku proto vypadávají velké kapky. To je případ bouřek a silných přeháněk. Naopak jemné mrholení je známkou toho, že dešťové kapky se tvoří přímo nad naší hlavou.

Meteorologie

Tlak, teplota, proudění a vlhkost vzduchu hrají klíčovou roli v meteorologii. Meteorologie je aplikovaná věda, někdy také označovaná jako fyzika atmosféry. Zabývá se všemi procesy, které probíhají v zemské atmosféře. Podstatnou úlohou meteorologie je předpovídání počasí, neboť to ovlivňuje náš život doslova každý den. V dnešní době máme k dispozici desítky meteorologických družic, tisíce automatických meteostanic a modely, které předpovídají počasí pomocí nejvýkonnějších počítačů. Přesto bez pochopení základních principů tvorby oblačnosti a srážek nemůžete výstupům z těchto modelů správně porozumět. Díky složitosti procesů v atmosféře je v principu nemožné předpovědět přesně, že „zítra ve 14.30 začne ve vaší obci bouřka“. Mnohem důležitější je znalost určitého charakteru počasí v daném místě a čase.

Pojďme nyní stručně popsat souvislost čtyř základních meteorologických veličin, které určují počasí. O meteostanicích, které tyto veličiny měří, si můžete přečíst v motivačním článku meteostanice.

Tlak

Pro vývoj počasí je podstatné horizontální rozložení tlaku vzduchu, které dobře známe z meteorologických map.

Jednoduchý fyzikální princip říká, že vzduch vždy proudí směrem od vyššího tlaku k nižšímu. Tím se tlakové rozdíly vyrovnávají. V atmosféře má však proudění složitější charakter, proto se vítr stáčí a vytváří víry. Obecně ale platí, že z oblasti vysokého tlaku je vzduch nasáván do oblasti nízkého tlaku. V oblasti nízkého tlaku vzduchu díky tomu dochází k mísení teplého a studeného vzduchu za vzniku výstupných vzdušných proudů. To je optimální příležitost pro vznik oblačnosti a srážek.

Teplota

Teplota vzduchu v určitém místě je ovlivněna především dvěma faktory. Zaprvé je to množství slunečního svitu, které přijme zemský povrch. To závisí na roční době (určuje úhel dopadu paprsků) a samotném povrchu, na který záření dopadá. Oblačnost nebo sníh ho odrážejí, zatímco tmavší povrchy či vodní plochy většinu záření pohltí. Druhým faktorem ovlivňujícím teplotu je vítr, jehož směr vyplývá z rozložení tlaku vzduchu. V našich končinách zhruba platí, že severní proudění přináší vzduch chladný, zatímco jižní vítr přináší teplý vzduch.

Nezapomínejme ale také na změny teploty s výškou. Jestliže vzduch stoupá vzhůru, při tom se rozpíná a také ochlazuje. Pro suchý vzduch je pokles teploty přibližně 1 °C na 100 m výšky, pro vlhký vzduch o něco méně. Může ale nastat i situace, kdy se naopak studený vzduch, který má větší hustotu, drží dole, zatímco nad ním se udržuje vrstva teplejšího vzduchu. Tato situace nastává zejména v chladných měsících roku a nazýváme ji teplotní inverze.

Vlhkost

Vlhkost vzduchu je rozhodující pro vznik oblačnosti a srážek. Obecně platí, že voda se do vzduchu dostává výparem z vodních ploch, případně také z půdy a vegetace. Důležitou roli zde hraje teplota, neboť teplejší vzduch pojme větší množství vody (\(\Phi_\mathrm{max}\) závisí na teplotě).

Proudění

Proudění vzduchu v atmosféře je nesmírně složité a zároveň rozhodující pro vznik oblačnosti a srážek. Naštěstí je to právě oblačnost, která nám umožňuje proudění zviditelnit, jako například v následujícím časosběrném záznamu oblačnosti.

Přestože je proudění složité a často i chaotické, je možné vystihnout a pochopit jeho typické rysy. Asi nejdůležitějším poznatkem je fakt, že oblačnost vzniká při ochlazování vlhkého vzduchu ve výstupném vzdušném proudu. Vzduch může stoupat třeba proto, že je ohříván od zemského povrchu (viz obrázek), nebo proto, že narazí na překážku v podobě hor (proto je na horách víc srážek).

Prakticky je významnější stoupání vzduchu v tlakové níži při promíchávání teplého a studeného vzduchu. Zde můžeme pozorovat dvě základní situace. Pokud přichází teplý vzduch do oblasti vzduchu studeného, je nucen stoupat vzhůru a vytváří vrstevnatou oblačnost. Rozhraní mezi přicházejícím teplým vzduchem a studeným vzduchem se nazývá teplá fronta (viz obrázek). Srážky jsou většinou mírnější intenzity, avšak delšího trvání. Teplá fronta postupuje většinou pozvolna, její příchod je možné velmi dobře předpovědět.

Pokud naopak přichází studený vzduch do oblasti vzduchu teplého, je teplý vzduch vytlačován nahoru a vzniká kupovitá a bouřková oblačnost. Rozhraní mezi přicházejícím studeným vzduchem a teplým vzduchem se nazývá studená fronta (viz obrázek). Srážky bývají prudké a kratší, často doprovázené silným větrem. Po přechodu studené fronty se zpravidla poměrně rychle vyjasní a prudce ochladí.

O tom, jak se teplá a studená fronta projevují na obloze, si můžete přečíst v motivačním článku (10 types of clouds). Na závěr se ještě vraťme k meteorologické mapě. Fronty na ní najdete vyznačeny barevnými značkami.