Передача давления газами, жидкостями и твердыми телами. Закон Паскаля и его применение в гидравлических машинах

Твердые тела передают производимое на них давление в сторону действия силы. Для определения давления (p) необходимо силу (F), действующую пер­пендикулярно поверхности, разделить на площадь поверхности ()- Давление измеряют в паскалях: 1 Па = 1 Н/м 2 . Давление, производимое на жидкость и газ, передается не только в направлении действия силы, а в каждую точку жидкости или газа. Это объясняется подвижностью частиц газа и жидкости. Закон Паскаля. Давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каж­дую точку жидкости или газа. Подтверждением за­кона являются опыты с шаром Паскаля и работа гидравлических машин. Остановимся на работе этой машины (см. рис.). F 1 и F 2 - силы, действующие на поршни, S 1 и S 2 - площади поршней. Давление под малым порш­нем. Под большим поршнем. По закону Паскаля p 1 =p 2 , т. е. давление во всех точках покоящейся жидкости одинаково, или, откуда. Машина дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз пло­щадь большого поршня больше площади малого. Это наблюдается в работе гидравлического пресса, используемого для изготовления стальных валов машин, железнодорожных колес или выжима­ния масла на маслобойных заводах, а также в гид­равлических домкратах.

Атмосферное давление. Приборы для измерения атмосферного давления. Воздушная оболочка Земли и ее роль в жизнедеятельности человека

Атмосфера - воздушная оболочка вокруг Земли, простирающаяся на высоту нескольких тысяч километров. Вследствие действия силы тяжести воз­душ­ный слой, прилегающий к Земле, сжат больше всего и передает производимое на него давление по всем направлениям. В результате этого земная по­верхность и тела, находящиеся на ней, испытывают атмосферное давление. Впервые измерил атмосферное давление итальянский физик Торричелли с помощью стеклянной трубки, запаянной с одного конца и заполненной ртутью (см. рис.). Давление в трубке на уровне аа создается си­лой тя­жес­ти столба ртути высотой h = 760 мм, в тоже время на поверхность ртути в чашке действует атмосферное давление. Эти давления уравновеши­вают друг друга. Так как в верхней части трубки после опускания ртутного столба осталось безвоз­душное пространство, то, измерив высоту столба мож­но определить численное значение атмосферного дав­ления по формуле: р = = 9,8 Н/кг × 13 600 кг/м 3 × 0,76 м = 101 300 Па = 1013 ГПа.Приборами для измерения атмосферного давления являются ртутный барометр и барометранероид. Принцип действия последнего основан на сжатии пустотелой гофрированной металлической коробочки и передачи ее деформации через систему рычагов на стрелку-указатель. Барометр-анероид имеет две шкалы: внутренняя проградуирована в мм рт. ст. (1 мм рт. ст. = 133,3 Па), внешняя - в килопаскалях. Знание атмосферного давления весьма важно для предсказания погоды на ближайшие дни. Тропосфера (нижний слой атмосферы) представляет собой благодаря диффузии однородную смесь азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. Эта смесь газов и поддерживает нормальную жизнедеятельность всего живого на Земле. Вредные выбросы в атмосферу загрязняют окружающую сре­ду. Например, авария на Чернобыльской АЭС, ава­рии на атомных подводных лодках, выбросы в атмо­сферу промышленных предприятий и т. п.

В отличие от твердых тел отдельные слои и мелкие частицы жид­кости и газа могут свободно перемещаться относительно друг друга по всем направлениям. Достаточно, например, слегка подуть на поверх­ность воды в стакане , чтобы вызвать движение этой воды; на реке или озере при малейшем ветерке появляется рябь.

Свободной подвижностью частиц газа и жидкости объясняется, что давление, производимое на них, передается не только в направле­нии действия силы, как в твердых телах, а по всем направлениям. Рассмотрим это явление подробнее.

На рисунке 86 изображен сосуд, в нем содержится газ (или жид­кость). Сосуд закрыт поршнем, который может перемещаться, Точками изображены частицы газа (жидкости), они равномерно распределены по всему объему сосуда (рис. 86, а).

Прилагая некоторую силу, заставим поршень немного войти в сосуд и сжать газ, находящийся непосредственно под ним. Тогда частицы расположатся в этом месте более плотно, чем прежде (рис. 86, б). Благодаря подвиж­ности частицы газа будут пере­мещаться по всем направлениям, вследствие чего их расположение опять станет равномерным, но более плотным, чем раньше (рис. 86, в), поэтому давление газа везде возрастет. Отсюда следует, что добавочное давление передается всем частицам газа или жидкости.

Например, если давление на газ около самого поршня увеличится на 1 Па , то во всех точках внутри газа давление станет больше прежнего настолько же. На 1 Па увеличится давление и на стенки сосуда.

Давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каждую тонну жидкости или газа. Это утверждение называют законом Паскаля.

На основе закона Паскаля легко объяснить следующие опыты.

На рисунке 87 изображен полый шар, имеющий в различных местах узкие отверстия. К шару присоединена трубка, в которую вставлен поршень. Если набрать воды в шар и вдвинуть в трубку пор­шень, то вода польется из всех отверстий шара. В этом опыте поршень давит на поверхность воды в трубке. Частицы воды, находящиеся под поршнем, уплотняясь, передают его давление другим слоям, лежащим глубже. Таким образом, давление поршня передается по всем направлениям. В результате часть воды выталкивается из шара в виде струек, вытекающих из всех отверстий.

Если шар заполнить дымом, то при вдвигании в трубку поршня из всех отверстий шара начнут выходить струйки дыма (рис, 88). Это подтверждает, что и газы передают производимое на них давление во все стороны одинаково.

Вопросы. 1. Как передают давление жидкости и газы? 2. Чем объяснить, что жидкости и газы передают давление во все стороны одинаково? 3. Как читается закон Паскаля? 4. Как на опыте можно показать особенность передачи давления жидкостями и газами?

Упражнения. 1. По схеме рисунка 89 объясните передачу давления твердым, сыпучим телом и жид­костью. Изобразите стрелками, как передается давление. 2. Брезентовый водопро­водный рукав, когда он не запол­нен водой, имеет вид плоской ленты. Какую форму примет рукав после заполнения его водой? Почему? 3. При изготовлении бутылок через трубку вдувают воздух, и расплавленное стекло принимает форму бутылки (рис, 90). Какое физическое явление здесь используют?

Задания

1. Изготовьте мыльную жид­кость и с помощью стеклянной трубки получите мыльные пузыри. Какую форму они принимают и почему?
2. Исследуйте передачу да­вления в сыпучем теле. Для этого в бумажный пакет насыпьте песок (или горох), сверху сильно нада­вите руной. Е сть ли здесь сходство с передачей давления в жидкости и газе?

Это и есть закон Паскаля.

Согласно этому закону, давление внутри жидкостей и газов распространяется по всевозможным направлениям. Следовательно, жидкости и газы оказывают давление во всех направлениях: влево, вправо и даже вверх! Это подтверждается опытами. Рассмотрим некоторые из них.

Возьмем стеклянную трубку и легкий диск на нити (рис. "а"). Натянув нить, мы получим сосуд с отпадающим дном (рис. "б"). Погрузим этот сосуд в широкий стакан с водой. Удивительно, но теперь дно не отпадет, даже если нить не натягивать (рис. "в").

В. Как вы думаете, почему так происходит?

О. Так происходит потому, что верхние слои воды в стакане создают давление на нижележащие слои, в том числе и на слой воды под диском. Согласно закону Паскаля, давление передается через этот слой и действует на диск снизу вверх. Сила этого давления и поддерживает диск, прижимает его к краям стеклянной трубки.

Продолжим опыт. Нальем в трубку столько подкрашенной воды, чтобы ее уровень оказался ниже, чем у воды в стакане (рис. "г"). Мы увидим, что диск не отпадает.

В. Почему диск не отпадает?

О. Так происходит потому, что давление на диск снизу больше, чем сверху. Увеличим высоту слоя подкрашенной воды. Диск отпадет (рис. "д"). Значит, давление на диск сверху, созданное подкрашенной водой, превысило давление снизу, созданное водой в стакане.

Закон Паскаля имеет интересное следствие: вне зависимости от формы и размеров сосуда давление внутри жидкости на одной и той же глубине одинаково.

Докажем это утверждение.

Пусть рассматриваемым "сосудом" будет морская бухта с подводной пещерой. Взгляните на рисунок. Казалось бы, что давление воды в пещере меньше, чем давление в открытом море. Однако, если бы это было так, то под действием большего из давлений вода из моря устремилась бы в пещеру, и уровень воды в море стал бы понижаться. Невероятно, да?

Следовательно, поскольку вода у входа в пещеру (и в море тоже) остается в покое, значит давление воды в пещере равно давлению воды в открытом море.

В. Подчиняются ли твердые тела закону Паскаля?

О. Нет, т.к. в твердых телах подвижность молекул ограничена.

Правильно, если мы поставим на стол тяжелый предмет, то вес этого предмета создает давление лишь на площадь под этим предметом, т.е. только по направлению действия силы.

В. Какие главные выводы вы можете сделать?

О. Молекулы жидкости и газа очень подвижны.

Благодаря подвижности молекулы жидкости и газа передают производимое на них давление во все точки без изменения его величины.

Твердые тела не подчиняются закону Паскаля.

Твердые тела передают производимое на них давление в сторону действия силы. Для определения давления (p) необходимо силу (F) , действующую перпендикулярно поверхности, разделить на площадь поверхности () - Давление измеряют в паскалях: 1 Па = 1 Н/м 2 . Давление, производимое на жидкость и газ, передается не только в направлении действия силы, а в каждую точку жидкости или газа. Это объясняется подвижностью частиц газа и жидкости. Закон Паскаля. Давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каждую точку жидкости или газа. Подтверждением закона являются опыты с шаром Паскаля и работа гидравлических машин. Остановимся на работе этой машины (см. рис.) . F 1 и F 2 - силы, действующие на поршни, S 1 и S 2 - площади поршней. Давление под малым поршнем . Под большим поршнем. По закону Паскаляp 1 =p 2 , т. е. давление во всех точках покоящейся жидкости одинаково, или , откуда. Машина дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого. Это наблюдается в работе гидравлического пресса, используемого для изготовления стальных валов машин, железнодорожных колес или выжимания масла на маслобойных заводах, а также в гидравлических домкратах.

12. Атмосферное давление. Приборы для измерения атмосферного давления. Воздушная оболочка Земли и ее роль в жизнедеятельности человека

Атмосфера - воздушная оболочка вокруг Земли, простирающаяся на высоту нескольких тысяч километров. Вследствие действия силы тяжести воздушный слой, прилегающий к Земле, сжат больше всего и передает производимое на него давление по всем направлениям. В результате этого земная поверхность и тела, находящиеся на ней, испытывают атмосферное давление. Впервые измерил атмосферное давление итальянский физик Торричелли с помощью стеклянной трубки, запаянной с одного конца и заполненной ртутью (см. рис.) . Давление в трубке на уровне аа создается силой тяжести столба ртути высотой h = 760 мм, в тоже время на поверхность ртути в чашке действует атмосферное давление. Эти давления уравновешивают друг друга. Так как в верхней части трубки после опускания ртутного столба осталось безвоздушное пространство, то, измерив высоту столба можно определить численное значение атмосферного давления по формуле: р = = 9,8 Н/кг Ч 13 600 кг/м 3 Ч 0,76 м = 101 300 Па = 1013 ГПа. Приборами для измерения атмосферного давления являются ртутный барометр и барометранероид. Принцип действия последнего основан на сжатии пустотелой гофрированной металлической коробочки и передачи ее деформации через систему рычагов на стрелку-указатель. Барометр-анероид имеет две шкалы: внутренняя проградуирована в мм рт. ст. (1 мм рт. ст. = 133,3 Па) , внешняя - в килопаскалях. Знание атмосферного давления весьма важно для предсказания погоды на ближайшие дни. Тропосфера (нижний слой атмосферы) представляет собой благодаря диффузии однородную смесь азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. Эта смесь газов и поддерживает нормальную жизнедеятельность всего живого на Земле. Вредные выбросы в атмосферу загрязняют окружающую среду. Например, авария на Чернобыльской АЭС, аварии на атомных подводных лодках, выбросы в атмосферу промышленных предприятий и т.п.