Давление твердых тел, жидкостей и газов.

1. Изменение давления
2. Давление газа
3. Закон Паскаля
4. Давление в жидкости
5. Сообщающиеся сосуды

Людям сложно идти пешком по рыхлому снегу, но на лыжах эта задача дается намного легче. Площадь поверхности лыж приблизительно в 20 раз больше, чем у подошвы.

Результат действия силы зависит не только от величины самой силы, но также и от площади поверхности, перпендикулярно которой она действует. В физике для этого есть специальная величина, которая наименовывается давлением.

Под давлением понимается такая величина, которая равняется отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности к площади самой этой поверхности.

Имеется следующая формула:

p = S / F

F является силой, которая действует на поверхность, а S – площадью поверхности. P – это давление.

Ньютон является единицей измерения силы. Квадратный метр является единицей измерения площади. Поэтому единицей измерения давления является Н/м².

Эта единица измерения получила название Паскаль в честь знаменитого французского ученого Блейза Паскаля.

1 Паскаль равен 1 Н/м²

Изменение давления

Изменить давление можно путем изменения площади соприкосновения объекта с поверхностью.

К примеру, шины грузовых автотранспортных средств производят более широкими, чем у легковых автомобилей, чтобы соприкосновение грузового транспорта с дорожным покрытием было больше, для меньшего давления.

Лезвия ножей, а также ножниц, изготавливают более острыми, чтобы уменьшить площадь соприкосновения и увеличить показатели давления. По этой причине даже прикладывая небольшие усилия человек может запросто разрезать твердые элементы.

К примеру, если взять пластилин и надавить на него одним пальцем, то материал будет деформироваться намного быстрее, чем если использовать весь кулак целиком.

Давление газа

Главное отличие газов от твердых и жидких тел – отсутствие формы, а также полное заполнение всего объема сосуда, в который помещается газ.

Такое явление можно наблюдать, взглянув, на шину или же футбольный мячик. Мяч имеет шарообразную форму благодаря тому, что газ равномерно заполняет весь объем.

Газ взаимодействует с поверхностями и предметами, и оказывает на них давление. К примеру, газ, находящийся внутри колбы, оказывает давление на ее дно, крышку и стенки.

Молекулы газа постоянно находятся в хаотичном движении. По этой причине во время своего движения они могут сталкиваться как друг с другом, так и со стенками колбы. В газе содержится большое количество молекул, по этой причине количество ударов молекул о стенки колбы тоже большое.

Зависимость давления от объема газа

Давление газа повышается при уменьшении его объема, и, наоборот, понижается при увеличении объема.

Рассмотрим все на конкретном примере.

Берется стеклянная трубочка, конец которой плотно закрыт пленкой из резины. В трубочку вставляется специальный поршень.

При выдвигании этого поршня будет происходить увеличение объема газа внутри трубочки, а пленка из резины начнет выгибаться во внутреннюю часть. Число молекул в единице объема при повышении этого объема начнет снижаться, поэтому снизится и количество ударов о стенки трубочки, а значит снизятся и показатели самого давления.

При вдвигании поршня произойдет обратное – уменьшение объема воздуха и увеличение числа молекул в единице данного объема, и, соответственно, увеличение давления. Пленка из резины будет выгибаться наружу.

При проведении множества опытов, физиками было замечено, что при повышении температуры газа в закрытом сосуде его давление повышается.

При нагревании увеличивается скорость молекул. По этой причине повышается и число ударов молекул о стенку и друг о друга. Так как число ударов о стенку повысилось, повысилось и общее давление газа в колбе.

Закон Паскаля

Частицы газа или же жидкости могут свободно передвигаться в различных направлениях. Частицы твердых веществ всегда располагаются в четком порядке и имеют ограниченное передвижение.

Давление, которое производится на молекулы газа или же жидкости, передается во все точки вещества, а не лишь в направлении действия этой силы.

Рассмотрим конкретный пример, раскрывающий это явление детальнее.

Имеется сосуд, который наполнен газом. Его частицы равномерно распределены. Есть специальный поршень, который можно двигать вниз или же вверх.

Прикладывается некоторая сила для более глубокого вхождения поршня в сосуд. Происходит сжатие газа прямо под поршнем. Частицы стали иметь более плотное расположение друг к другу.

По той причине, что частички газа будут передвигаться во всех направлениях, их расположение снова станет равномерным.

Повышение давления на газ около поршня на один Паскаль повысит давление на 1 Паскаль в каждой точке внутри газа.

Математик и физик из Франции Блейз Паскаль в 1653 году сформулировал этот закон следующим образом:

Давление, которое производится на газ или же жидкость, передается в любую точку без каких-либо изменений в каждом направлении.

Опыты и примеры

Существует множество жизненных примеров, в которых наблюдается закон Паскаля. К примеру, водопровод работает таким способом: хаотическое движение молекул воды, а также давление, которое оказывается на стенки труб.

Если в стандартный пакет налить воду, завязать его, а затем надавить, то он лопнет. Стоит заметить, что лопнет он не в том месте, где было оказано давление. Если же пакет лопнет одновременно в нескольких местах, то напор струй воды будет идентичен.

К примеру, у нас есть шар, который имеет небольшое количество узких отверстий. К этому шару прикреплена специальная трубочка с поршнем. Производится заполнение шара дымом. Если нажать на поршень, то дым начнет выходить из всех отверстий равномерными струями.

Все это дает очередное подтверждение, что жидкости и газы передают оказываемое на них давление без изменений по каждому направлению.

Давление в жидкости

Внутри жидкости тоже есть давление.

На каждое тело на нашей планете действует сила тяжести. По этой причине все слои жидкости давят собственным весом на предыдущие и создают давление.

К примеру, имеется сосуд из стекла, у которое отверстие снизу закрыто пленкой из резины.

Справедливо будет дать предположение, что чем большее количество воды будет в верхней части над пленкой, тем больше будет оказываться давления на саму эту пленку.

Если же отпустить идентичный стеклянный сосуд в большую баночку с водой, то сначала дно из резины будет выгнуто наружу, а затем, постепенно погружаясь пленка начнет выпрямление.

Пленка полностью выпрямится после того, как уровень воды в стеклянном сосуде будет совпадать с количеством воды в баночке.

Разберемся в причинах произошедшего. На специальную пленку оказывает влияние сила тяжести воды, которая располагается над ней. В свою очередь вода в баночке тоже давит на пленку, с другой стороны. Этот эксперимент показывает, что более глубокое погружение стеклянного сосуда создает более сильное давление воды в баночке на пленку, компенсируя силу тяжести жидкости в сосуде.

Подытожим:

Давление, существующее в жидкости одинаково во всех направлениях, и увеличивается с повышением глубины.

Давление жидкости не имеет зависимости от формы самого сосуда – оно зависит лишь от показателей плотности самой жидкости и высоты ее столба. Стоит понимать, что, когда говорят о высоте столба, обычно подразумевают глубину.

Существует следующая формула:

p = ρ g h

Благодаря этой формуле можно произвести вычисление давления на стенки сосуда или же внутри самой жидкости, т. к. на одной глубине в жидкости будет одинаковое давление в каждом направлении.

Давление на дно сосуда станет больше, если плотность новой жидкости будет в 2 раза больше, площадь дна в 2 раза меньше, а высота столба никак не изменится.

Разберем интересный вопрос: какая вода (соленая или же пресная) оказывает большее давление на дно сосуда при идентичных объемах? Вспомним, что в соленой воде человеку в разы легче плавать, а также держаться на поверхности. Все это говорит о том, что соленая вода имеет более высокие показатели плотности. Из всего вышесказанного делаем вывод, что соленая вода оказывает большее давление.

Проведем разбор простой задачи:

Необходимо определить давление керосина на дно сосуда, если высота столба керосина равняется 8 метрам, а его плотность имеет показатель 800 кг/м3.

Решение:

Используем известную нам формулу: p=ρgh.

Соответственно: р= 800 кг/м³ * 9,8 Н/кг * 8 метров = 62720 Паскаль.

Ответ:

65 кПа.

Сообщающиеся сосуды

Поговорим о сообщающихся сосудах.

К примеру, имеется 2 чайничка, у которых разная высота – h1 и h2. Их носики располагаются на одинаковом уровне h.

Может ошибочно показаться, что более высокий чайничек вместит в себя большее количество жидкости. На самом деле это не так.

Носики чайничков располагаются на одинаковой высоте, поэтому в них можно налить одинаковое количество воды: h1=h2.

Под сообщающимися сосудами понимаются такие сосуды, которые соединены между собой ниже поверхности жидкости, поэтому данная жидкость способна перетекать из 1-ого сосуда во 2-ой.

К примеру, у нас есть два специальных сосуда, соединенных между собой трубочкой из резины. Произведем зажатие трубочки по середине, а затем наполним жидкостью второй сосуд. При убирании зажима, мы увидим, что жидкость начнет перетекать во 2-ой сосуд до того момента, пока количество жидкости в них не станет идентичным.

Если же закрепить одну трубочку, а вторую опустить, поднять или же наклонить в различные направления, то можно заметить, что каждый раз жидкость начнет устанавливаться в специальных сосудах на идентичном уровне.

Сообщающиеся сосуды могут иметь различные размеры и формы. Самые яркие примеры сообщающихся сосудов в жизни:

• чайничек;
• кофейник;
• лейка.

Подытожим:

Однородные жидкости всегда устанавливаются на одинаковом уровне в сообщающихся сосудах различных размеров и форм. Главное условие – единое давление воздуха над этой жидкостью.

Это явление объясняется простым образом. Когда какая-либо определенная жидкость находится в состоянии покоя, то давление р1 и р2 в этих двух специальных сосудах будет идентичным на любом уровне.

В нашем примере однородная жидкость, а значит, она обладает одинаковой плотностью: р1=р2.  Делаем вывод, что ее высота тоже идентична: h1=h2.

Если поднять один из сосудов, то в нем повысится давление, а жидкость перельется во второй сосуд. Это будет происходить до того момента, пока их уровни не станут идентичными.

Родники являются ярчайшим примером сообщающихся сосудов в окружающем мире.

Разберем небольшой пример, в котором жидкость в таких сосудах будет иметь разное количество и различную плотность. Давление жидкости на дно будет прямо пропорциональным высоте плотности и столба (различные плотности), поэтому высоты столбов данных жидкостей будут разными.

Подытожим:

При одинаковом давлении высота столба жидкости с более высокой плотностью будет меньше высоты столба с более низкой плотностью.

Использование сообщающихся сосудов

Водопроводная вода, имеющаяся практически в каждом доме, является ярким примером существования принципа сообщающихся сосудов. Специальные насосы осуществляют закачку воды в водонапорную башню. Такая башня специально имеет очень высокие размеры, чтобы жидкость могла подняться до каждого этажа здания.

В настоящее время существуют альтернативные, инновационные технологии. В любом случае, водонапорные башни применяются по сей день.

Сообщающиеся сосуды также применяются в устройстве гидравлического пресса.

Этот принцип используется в Панамском канале. Канал располагается в максимально узком месте Панамского перешейка Центральной Америки. Сам канал был открыт в 1920 году.

В Панамском канале рассматриваемый принцип был применен в системе шлюзов, соединяющих пространство воды с различными ее уровнями. Шлюзы последовательно открываются и закрываются для осуществления выравнивания воды. Благодаря этой технологии канал обладает способностью беспрепятственного пропуска абсолютно любого судна, без его посадки на мель.