Формула давления воздуха, пара, жидкости или твердого тела. Как находить давление (формула)? Давление жидкости. Поверхностные явления
При решении задач на тему гидростатического давления необходимо различать и не смешивать понятия абсолютного давления Р А, избыточного давления Р, вакуума Р ВАК, знать взаимосвязь между давлением (Па) и соответствующей ей пьезометрической высотой (h), уяснить понятие напора, знать закон Паскаля и свойства гидростатического давления.
При определении давления в точке объема или на точку площадки используется основное уравнение гидростатики (1.1.13).
При решении задач с системой сосудов необходимо составить уравнение абсолютных давлений, обеспечивающих неподвижность системы, т.е. равенства нулю алгебраической суммы всех действующих давлений. Уравнение составляется для какой - либо поверхности равного давления, выбранной в качестве поверхности отсчета.
Все единицы измерения величин следует принимать в системе СИ: масса – кг; сила – Н; давление – Па; линейные размеры, площади, объемы – м, м 2 , м 3 .
ПРИМЕРЫ
Пример 1.1.1 . Определить изменение плотности воды при ее нагревании от t 1 = 7 о С до t 2 = 97 о С, если коэффициент температурного расширения b t =0,0004 о С -1 .
Решение . При нагревании удельный объем воды увеличивается от V 1 до V 2 .
По формуле (1.1.1) плотность воды при начальной и конечной температурах составляет:
r 1 = М / V 1 , r 2 = М / V 2 .
Так как масса воды постоянна, то изменение плотности выражается:
Из формулы (1.4) увеличение объема воды 
, тогда
Примечание: изменение плотности жидкости при сжатии определяется аналогично с использованием коэффициента объемного сжатия по формуле (1.1.2). При этом V 2 = V 1 - DV.
Пример 1.1.2 . Определить объем расширительного бачка системы водяного охлаждения вместимостью 10 литров при нагревании от температуры t 1 = 15 о С до t 2 = 95 о С при давлении, близком к атмосферному.
Решение . Без учета коэффициента запаса объем бачка равен дополнительному объему воды при температурном расширении. Из формулы (1.1.4) увеличение объема воды
.
Плотности воды принимаем по таблице 1: r 1 = 998,9 кг/м 3 , r 2 = 961,8 кг/ м 3 . Коэффициент температурного расширения определяем по формуле (1.1.5):
Первоначальный объем V =10л = 10 . 10 -3 м 3 = 0,01 м 3 .
Дополнительный объем воды:
DV = 10 . 10 -3 (95 -15) 0,46 . 10 -3 = 368 . 10 -6 м 3 = 0,368 л
Пример 1.1.3 . В охлаждаемом сосуде газ, имеющий первоначальное давление Р 1 = 10 5 Па. и занимающий объем V 1 = 0,001 м 3 , сжимается до давления Р 2 = 0,5 . 10 6 Па. Определить объем газа после сжатия.
Решение . В случае охлаждаемого сосуда процесс является изотермическим (t = const) при котором уравнение состояния газа (1.1.8) принимает вид:
Р V = const или Р 1 V 1 = Р 2 V 2
Откуда определяем объем газа после сжатия
V 2 = Р 1 V 1 / Р 2 = 1 . 10 5 . 0.001 / 0,5 . 10 6 = 0,0002 м 3 =0,2 л.
Пример 1.1.4. Определить объем воды, который необходимо дополнительно подать в трубопровод диаметром d = 500 мм и длиной L = 1км, заполненный водой перед гидравлическим испытанием при атмосферном давлении и температуре t = 20 о С, для повышения давления в нем на DР = 5 . 10 6 Па. Материал труб считать абсолютно жестким.
Решение. Для определения дополнительного объема воды, который необходимо подать используем соотношение (1.1.2):
= 
Первоначальный объем воды в трубопроводе равен объему трубопровода:
Приняв по справочным данным модуль объемной упругости воды
Е = 2 . 10 9 Па, определяем коэффициент объемного сжатия:
b V = 1 /Е = 1 / 2 . 10 9 = 5 . 10 -10 , Па -1
Преобразовывая соотношение (1.1.2) относительно DV, получаем:
b V DР V ТР + b V DР DV = DV; b V DР V ТР = (1 + b V DР) DV
Выражая DV, получаем искомый дополнительный объем:
Пример 1.1.5 . Определить среднюю толщину отложений d ОТЛ в трубопроводе внутренним диаметром d = 0,3 м и длиной L = 2 км, если при выпуске воды в количестве DV =0,05 м 3 давление в нем падает на величину DР = 1 . 10 6 Па.
Решение. Взаимозависимость изменения объема и давления воды характеризуется модулем объемной упругости.
Принимаем: Е = 2 . 10 9 Па.
Из формул (1.1.2) и (1.1.3) находим объем воды в трубопроводе с отложениями:
Этот же объем равен вместимости трубопровода:
Откуда определяем средний внутренний диаметр трубы с отложениями
Средняя толщина отложений составляет:
Пример 1.1.6 . Вязкость нефти, определенная по вискозиметру Энглера, составляет 8,5 о Е. Вычислить динамическую вязкость нефти, если ее плотность r = 850 кг/м 3 .
Решение . По эмпирической формуле Убеллоде (1.1.9) находим кинематическую вязкость нефти:
n = (0,0731 о Е – 0,0631 / о Е) 10 -4 =
= (0,0731 . 8,5 – 0.0631/8,5) = 0,614 . 10 -4 м 2 /с
Динамическую вязкость находим из соотношения (1.1.7):
m = n r = 0,614 . 10 -4 . 850 = 0,052 Па. с.
Пример 1.1.7 . Определить высоту подъема воды в капиллярной трубке диаметром d = 0,001 м при температуре t = 80 О С.
Решение. По справочным данным находим:
плотность воды при температуре 80 О С r = 971,8 кг/м 3 ;
поверхностное натяжение воды при температуре 20 О С s О = 0,0726 Н/м;
коэффициент b = 0,00015 Н/м О С.
По формуле (1.1.11) находим поверхностное натяжение воды при температуре 80 О С:
s = s О - b Dt = 0,0726 – 0,00015 . (80 -20) = 0,0636 Н/м
По формуле (1.1.12) изменение поверхностного давления, определяющего высоту капиллярного поднятия h КАП, составляет:
Р ПОВ = 2s / r или r g h КАП = 2s / r ,
откуда находим высоту подъема воды в трубке:
h КАП = 2 s / r g r = 2 . 0,0636 / 971,8 . 9,81 . 0,0005 =
0,1272 / 4,768 = 0,027 м =2,7 см.
Пример 1.1.8 . Определить абсолютное гидростатическое давление воды на дно открытого сосуда, наполненного водой. Глубина воды в сосуде h = 200 см. Атмосферное давление соответствует 755 мм рт. ст. Температура воды 20 о С. Выразить полученное значение давления высотой ртутного столба (r РТ = 13600 кг/м 3) и водного столба.
Решение: По основному уравнению гидростатики для открытого резервуара абсолютное давление в любой точке объема определяется по формуле (1.1.14):
Р А = Р а + r g h
По таблице 1 принимаем плотность воды при температуре 20 о С:
r = 998,23 кг/м 3 .
Переводя единицы измерения атмосферного давления и глубины воды в сосуде в систему СИ, определяем абсолютное давление на дне сосуда:
Р А = 755 . 133,322 + 998.23 . 9,81 . 2 =
100658 + 19585 = 120243 Па =120,2 КПа
Находим соответствующую высоту ртутного столба:
h А = Р/ r РТ g =120243 /13600 . 9,81 = 0, 902 м.
Находим высоту водного столба, соответствующую данному абсолютному давлению:
h А = Р А / r g = 120243 / 998,23 . 9,81 = 12, 3 м.
Это означает, что если к уровню дна сосуда присоединить закрытый пьезометр (трубку, в которой создан абсолютный вакуум), то вода в нем поднимется на высоту 12,3 м. Давление этого столба воды уравновешивает абсолютное давление, оказываемое на дно сосуда жидкостью и атмосферным давлением.
Пример 1.1 .9. В закрытом резервуаре с водой давление на свободной поверхности Р О =14,7 . 10 4 Па. На какую высоту Н поднимется вода в открытом пьезометре, присоединенном на глубине h = 5 м. Атмосферное давление соответствует h а = 10 м вод. ст.
Решение. Для решения данной задачи необходимо составить уравнение равенства абсолютных давлений со стороны резервуара и со стороны пьезометра относительно выбранной плоскости равного давления. Выберем плоскость равного давления 0-0 на уровне свободной поверхности в резервуаре.
Абсолютное давление со стороны резервуара на выбранном уровне равно поверхностному давлению:
Р А = Р О. (1)
Абсолютное давление на том же уровне со стороны жидкости в пьезометре складывается из атмосферного давления Р а и давления воды высотой h 1:
Р А = Р а + r g h 1 (2)
Так как система находится в равновесии (покое), то абсолютные давления со стороны резервуара и со стороны пьезометра уравновешиваются. Приравнивая правые части равенств (1) и (2), получим:
Р О = Р а + r g h 1 ,
Величина атмосферного давления в системе СИ составляет:
Р а = 9,806 . 10 000 мм = 9,806 . 10 4 Па.
Находим высоту превышения уровня воды в пьезометре над выбранной плоскостью равного давления:
h 1 = (Р О - Р а) / r g = (14,7 . 10 4 - 9,806 . 10 4) /1000 . 9,81 = 5 м.
Это превышение не зависит от точки подключения пьезометра, так как давления столбов жидкости высотой h ниже плоскости сравнения слева и справа взаимно компенсируются.
Общая высота воды в пьезометре больше высоты h 1 на глубину погружения точки присоединения пьезометра. Для данной задачи
Н = h 1 + h = 5 + 5 = 10 м.
Примечание: аналогичный результат можно получить, выбрав в качестве плоскости равного давления уровень подключения пьезометра.
Пример 1.1.10 . Построить эпюру абсолютного давления жидкости на ломаную стенку в открытом резервуаре.
Решение
. Абсолютное давление в случае открытого резервуара определяется по формуле (1.1.14):
Р А = Р а + r g h, т.е. избыточное давление в каждой точке увеличивается на величину поверхностного давления (закон Паскаля).
Избыточное давление определяется:
в т. С: Р = r g . 0 = 0
в т. В: Р = r g . Н 2
в т. А: Р = r g (Н 2 + Н 1)
Отложим значение избыточного давления в точке В по нормали к стенке СВ и соединим с точкой С. Получим треугольник эпюры избыточного давления на стенку СВ. Для построения эпюры абсолютного давления в каждой точке необходимо добавить значение поверхностного давления (в данном случае атмосферного).
Аналогично ведется построение эпюры для отрезка АВ: Отложим значения избыточного давления в точке В и в точке А в направлении нормали к линии АВ, соединим полученные точки. Абсолютное давление получаем, увеличивая длину вектора на величину, соответствующую атмосферному давлению.
Пример 1.1.11.
Определить абсолютное давление воздуха в сосуде с водой, если показание ртутного манометра h = 368 мм, Н = 1 м, плотность ртути r РТ =13600 кг/м 3 . Атмосферное давление соответствует 736 мм рт.ст.
Решение .
Выберем свободную поверхность ртути в качестве поверхности равного давления. Атмосферное давление на поверхности ртути уравновешивается абсолютным давлением воздуха в сосуде Р А, давлением столба воды высотой Н и столба ртути высотой h.
Составим уравнение равновесия и определим из него абсолютное давление воздуха (переводя все единицы в систему СИ):
Р а = Р А + r В g Н + r РТ g h , откуда
Р А = Р а - r В g Н - r РТ g h =
736 . 133,3 - 1000 . 9,81 . 1 - 13600 . 9,81 . 0,368 = 39202 Па
Так как абсолютное давление воздуха в сосуде меньше атмосферного, то в сосуде имеет место вакуум, равный разности атмосферного и абсолютного давлений:
Р ВАК = Р а – Р А = 736 . 133,3 - 39202 = 58907 Па = 59 КПа.
Примечание: тот же результат можно получить, выбрав в качестве поверхности равного давления свободную поверхность воды в сосуде или поверхность раздела воды и ртути.
Пример 1.1.12
. Определить избыточное давление Р О воздуха в напорном баке по показаниям батарейного ртутного манометра. Соединительные трубки заполнены водой. Отметки уровней даны в м. Какой высоты должен быть пьезометр для измерения этого давления?
Решение . Избыточное давление Р О = Р А – Р а в баке уравновешивается давлением столбов ртути и воды в манометре.
Давления взаимно уравновешивающихся высот на участках изгиба манометра из рассмотрения исключаем. Суммируя (с учетом направления действия давления) показания манометра от открытого конца до уровня свободной поверхности, составим уравнение равновесия:
Р О = r РТ g (1,8 – 0,8) - r В g (1,6 – 0,8) +r РТ g (1,6 – 0,6) - r В g (2,6 – 0,6) =
R РТ g (1,8 – 0,8 +1,6 – 0,6) - r В g (1,6 – 0,8 + 2,6 – 0,6) =
13600 . 9,81 . 2 – 1000 . 9,81 . 2.8 = 239364 Па = 0,24 МПа
Из формулы (1.16) находим высоту столба воды, соответствующую избыточному давлению Р О:
h ИЗБ = Р О / r В g = 0,24 . 10 6 / 1000 . 9,81= 24,5 м
Высота пьезометра выше на величину превышения свободной поверхности воды в баке над плоскостью с нулевой отметкой:
Н = h ИЗБ + 2,6 = 27,1 м.
Пример 1.13.
Определить толщину s стальной стенки бака диаметром D = 4 м для хранения нефти (r Н = 900 кг/м 3) при высоте слоя нефти Н = 5 м. Давление на поверхности нефти Р О = 24,5 . 10 4 Па. Допустимое напряжение на растяжение материала стенки s = 140 МПа.
Решение . Расчетная толщина стенки круглого бака (без коэффициента запаса) определяется из условия сопротивления максимальному избыточному давлению. Атмосферное давление в баке не учитывается, так как оно компенсируется атмосферным давлением с внешней стороны бака.
Максимальное избыточное давление Р стенка испытывает у дна:
Р = Р А – Р а = Р О + r Н g Н - Р а =
24,5 . 10 4 + 900 . 9,81 . 5 – 10 . 10 4 = 18,91 . 10 4 Па
Расчетная толщина стенки определяется по формуле:
Пример 1.1.14. Определить перепад давлений воды в вертикальном трубном кольце, если в точке А она нагревается до температуры t 1 = 95 о С, а в точке В остывает до t 2 = 70 о С. Расстояние между центрами нагревания и охлаждения h 1 = 12 м.
Решение
. Перепад давлений обусловлен разностью гидростатических давлений столба горячей воды в левой трубе и остывшей воды в правой трубе.
Давления столбов воды высотой h 2 в левой и правой трубах взаимно уравновешиваются и в расчете не учитываются, так как температура воды в них и, соответственно, плотность, одинаковы. Аналогично исключаем из расчета давления в левом и правом стояках высотой h 3 .
Тогда давление слева Р 1 = r Г g h 1 , давление справа Р 2 = r О g h 1 .
Перепад давлений составляет:
DР = Р 2 – Р 1 = r О g h 1 - r Г g h 1 = g h 1 (r О - r Г)
Принимаем по справочным данным (таблица 1) плотности воды при температуре t 1 = 95 о С и t 2 = 70 о С: r Г = 962 кг/м 3 , r О = 978 кг/м 3
Находим разность давлений
DР = g h 1 (r 2 - r 1) = 9,81 . 12 (978 –962) = 1882 Па.
Пример 1.1.15 . а) Определить избыточное давление воды в трубе, если Р МАН = 0,025 МПа, Н 1 = 0,5 м, Н 2 = 3 м.
б)Определить показания манометра при том же давлении в трубе, если вся трубка заполнена водой, Н 3 =5 м.
а)Решение
. Избыточное давление в трубе уравновешено поверхностным давлением Р О = Р МАН в точке подключения манометра и системой столбов воды и воздуха в трубке. Давлением столбов воздуха можно пренебречь ввиду незначительности.
Составим уравнение равновесия с учетом направления давления столбов воды в трубке:
Р = Р МАН + r ВОД g Н 2 - r ВОД g Н 1 =
0,025 + 1000 . 9,81 . 10 -6 (3 – 0,5) = 0,025 + 0,025 = 0,05 МПа
б) Решение . Уравнение равновесия для данного случая
Р = Р МАН + r ВОД g Н 3 ,
откуда Р МАН = Р - r ВОД g Н 3 = 0,05 - 1000 . 9,81 . 10 -6 . 5 = 0,05 – 0,05 = 0 МПа.
Задача 1
Турист проехал на велосипеде за один день 40 км. При этом с 9.00 до 11.20 он ехал со скоростью, которая равномерно возрастала со временем от 10 км/ч до 14 км/ч. Затем турист загорал на пляже. На оставшийся путь он потратил время с 18.30 до 20.00. Определите среднюю скорость туриста на вечернем участке поездки.
Возможное решение
С 9.00 до 11.20 турист ехал со средней скоростью (10 + 14)/2 = 12 км/ч (так как скорость возрастала равномерно со временем). Значит, за это время турист проехал расстояние
За время с 18.30 до 20.00 велосипедист проехал 40 – 28 = 12 км. Следовательно, средняя скорость туриста на вечернем участке поездки равна:
Критерии оценивания
- Средняя скорость туриста на утреннем участке поездки (12 км/ч): 4 балла
- Расстояние, которое проехал турист с 9.00 до 11.20 (28 км): 2 балла
- Расстояние, которое проехал турист с 18.30 до 20.00 (12 км): 2 балла
- Средняя скорость туриста на вечернем участке поездки (8 км/ч): 2 балла
Максимум за задачу – 10 баллов .
Задача 2
Система, состоящая из двух однородных стержней разной плотности, находится в равновесии. Масса верхнего стержня m 1 = 1,4 кг. Трение пренебрежимо мало.
Определите, при какой массе m 2 нижнего стержня возможно такое равновесие.
Возможное решение
Так как нижний стержень подвешен за концы, находится в равновесии и его центр тяжести располагается посередине, то силы реакции нитей, действующие на него, одинаковы и равны по модулю m 2 g/2 . Запишем уравнение моментов для верхнего стержня относительно точки крепления левой (верхней) нити:
Критерии оценивания
Силы реакции нитей, действующие на нижний стержень, равны: 3 балла
Значения модулей этих сил реакций (m 2 g/2 ): 2 балла
Уравнение моментов: 4 балла
m 2 = 1,2 кг : 1 балл
Максимум за задачу – 10 баллов .
Задача 3
В цилиндрическом сосуде с водой находится частично погружённое в воду тело, привязанное натянутой нитью ко дну сосуда. При этом тело погружено в воду на две трети своего объёма. Если перерезать нить, то тело всплывёт и будет плавать погружённым в воду наполовину. На сколько при этом изменится уровень воды в сосуде? Масса тела m = 30 г, плотность воды ρ = 1,0 г/см 3 , площадь дна сосуда S = 10 см 2 .
Возможное решение 1
Сила давления стакана на стол (после перерезания нити) не изменится, следовательно,
T = ρ·g· ∆h· S, где ܶT – сила реакции со стороны нити, ∆h – изменение уровня воды. Запишем уравнение равновесия тела в первом случае:
Mg = ρg·(1/2)·V
Из последних двух уравнений находим, что ܶT = 1/3 · mg
Окончательно получаем: 
Критерии оценивания
- Сила давления стакана на стол не изменится: 2 балла
- Уравнение равновесия тела в первом случае: 2 балла
- Уравнение равновесия тела во втором случае: 2 балла
- T = 1/3 · mg: 1 балл
- ∆h = T/(ρ·g · S): 2 балла
- ∆h = 0,01м: 1 балл
Возможное решение 2
Уравнение равновесия тела во втором случае:
mg = ρg · ½ · V ⟹ V = 2m/ρ, где ܸV – объём тела.
Изменение объёма погружённой части тела равно:
Окончательно получаем:
Критерии оценивания
- mg = ρg · ½ · V: 4 балла
- ∆V = 1/6 · V : 2 балла
- ∆h = ∆V/S: 3 балла
- ∆h = 0,01 м: 1 балл
Максимум за задачу – 10 баллов .
Задача 4
Определите давление воздуха над поверхностью жидкости в точке А внутри закрытого участка изогнутой трубки, если ρ = 800 кг/м 3 , h = 20 см, p 0 = 101 кПа, g = 10 м/с 2 . Жидкости плотностями ρ и 2ρ друг с другом не смешиваются.
Гидростатическое давление.
Основным понятием гидростатики является гидростатическое давление – давление в данной точке покоящейся жидкости. Из курса физики известно, что давление есть величина, равная отношению силы давления (направленной перпендикулярно к площадке) к площади поверхности, на которую она действует.
Р = F / S (2-1)
В формуле (2-1) определяется среднее давление, так как сила может действовать на поверхность площадки неравномерно. Внутри жидкости каждая частица подвергается всестороннему сжатию со стороны соседних частиц. Если мысленно окружить рассматриваемую частицу жидкости очень маленькой сферой, площадь которой имеет значение ∆S – (знак ∆ указывает на её малое значение), то среднее давление на сферу можно определить как
Р = ∆F / ∆S (2-2)
Если площадь поверхности сферы (очень маленькую) продолжать уменьшать до нуля, то в пределе она превратиться в точку. При этом среднее давление станет истинным давлением в рассматриваемой точке внутри жидкости (гидростатическим ). Математически это можно записать следующим образом:
Р= lim (∆ F / ∆S) = δF/ δS (2-3)
∆S →0
lim означает предел; в пределе малая величина ∆ превращается в бесконечно малую δ (дифференциал).
Гидростатическое давление имеет два важных свойства:
-оно всегда направлено перпендикулярно к площадке;
-его действие не зависит от ориентации площадки в пространстве, т.е. со всех сторон оно одинаково.
2.2. Основное уравнение гидростатики.
В общем случае равновесия некоторого объёма жидкости под действием приложенных к нему сил знаменитым учёным Российской Академии наук Леонардом Эйлером было получено дифференциальное уравнение, решение которого позволяет получить расчётные формулы для нахождения гидростатического давления в разных конкретных случаях. Так, если на частицы жидкости действует только сила тяжести, то дифференциальное уравнение равновесия частиц внутри жидкости имеет следующий вид:
δ Р = - ρ gdz (2-4)
Здесь осьZ – вертикальная ось; ускорение свободного падения имеет направление, противоположное оси Z (на это указывает знак минус "–" в уравнении). Плотность жидкости ρ, как и ускорениеg , постоянные величины, не зависящие от давления и температуры
Решение (интегрирование) уравнения имеет следующий вид:
Р = - ρ gz + с (2-5)
Постоянную интегрирования находим следующим образом. Пусть рассматриваемая точка жидкости m находится на расстоянии Н от поверхности жидкости. При z = z 0 P = P 0
Следовательно, P 0 = - ρ gz + с Отсюда: с = P 0 + ρ gz 0 Подставляем значение с в формулу (2-5) и окончательно получаем формулу для расчёта гидростатического давления в точке, находящейся под слоем жидкости высотой Н :
Р = P 0 + ρ g Н (2-6)
Давление Р называют абсолютнымдавлением в точке, P 0 - внешнее поверхностное давление (в открытом сосуде оно равно атмосферному давлению),
Р - P 0 =P в = ρ g Н – давление столба жидкости высотой Н (его также называют весовым или избыточным давлением). В технике приборами, как правило, измеряется избыточное давление.
В дальнейшем атмосферное давление условимся обозначатьР атм, абсолютное – Р А, а избыточное – Р изб.
Выражение (2-6) называется основным уравнением гидростатики. Согласно этому уравнению, давление на поверхности жидкости P 0 передаётся всем точкам объёма жидкости и по всем направлениям одинаково (закон Паскаля – гиперссылка.
Из формулы (2-1) следует, что в системе СИ единицей измерения давления служит паскаль: Па = н/ м 2 . Это небольшая величина и на практике часто используют более крупные единицы КПа=10 3 Па и МПа=10 6 Па.
2.3. Виды давления: атмосферное, избыточное, весовое, абсолютное, вакуумметрическое .
Атмосферное давление было открыто ещё в 16 в. известным итальянским учёным Торичелли. В земной атмосфере на любое тело, находящееся на поверхности земли давит воздушный столб. Его среднее давление Р = ρg Н определяется средней плотностью воздуха ρ и высотой воздушного столбаН. Согласно измерениям Торичелли это давление соответствует давлению столба ртути высотой 733 мм. Более поздние исследования показали, что это давление (его назвали нормальным атмосферным давлением) составляет 760 мм.рт.ст. или в системе СИ -0,1013 МПа=101,3 КПа. Округлённо в расчётах его берут равным 100 КПа=0,1 МПа.
В закрытом сосуде над поверхности жидкости с помощью, например, компрессора, можно создать избыточное давление Р изб. В этом случае абсолютное давление в точке под слоем жидкости на глубине Н будет равно:
Р А = P 0 + ρ g Н = Р атм + (Р изб + ρ g Н) (2-7)
В подобных случаях давление столба жидкости принято называть весовым давлением. Из определения избыточного давления следует, что в закрытом сосуде на глубине Н оно складывается из Р изб воздуха и весового P в = ρ g Н (давления столба жидкости высотой Н).
Рисунок 2.1
Избыточное давление Р изб в воздухе над поверхностью жидкости можно определить с помощью простого прибора, называемого пьезометром . Это стеклянная трубка малого диаметра, подсоединённая к сосуду с жидкостью (рис. 1-2). Из формулы (1-12) следует, что изменение величины P 0 одинаково для всех точек внутри жидкости. Если давление над поверхностью жидкости равно атмосферному (P 0 =Р атм), то, согласно формуле (2-4) жидкость в трубке установится на той же высоте, что и в сосуде (уровень 0-0). При увеличении давления
P 0 =P атм + Р изб это избыточное давление Р изб передаётся всем точкам жидкости, в том числе и тем, которые лежат на границе жидкость-воздух в трубке
(уровень 0-0; абсолютные давления в точках 1 и 2 одинаковы).
Р 0 =Р атм + Р
Р атм
Рис. 2.2. Схема измерения избыточного давления
Так как давление со стороны жидкости на них превысит давление воздуха P атм, жидкость в трубке начнёт подниматься до нового положения равновесия (на высоту h ). Следовательно, Р изб = ρ gh.
За нулевой уровень можно принять любой другой уровень, например, проходящий на глубине Н (уровень 0 1 -0 1). Абсолютные давления в точках 3 и 4 одинаковы.
Но P 3 =P 0 + ρ g Н =P атм + Р + ρ g Н ;
В данном случае давление Р является избыточным давлением Р =Р изб.P 4 =P атм + ρ gh + ρ g Н . Сравнивая правые части, снова получаем Р=Р изб = ρ gh .
Пьезометры рассчитаны на измерение малых давлений (избыточное давление 0,1 ат поднимает воду в пьезометре на высоту 1 м).
Рассмотрим случай, когда абсолютное давление над поверхностью жидкости P А становится меньше атмосферного (при откачивании воздуха из пространства над жидкостью), Давление в точке 1 при условии Р А <Р атм можно измерить с помощью, так называемого обратного пьезометра или вакуумметра (см. рис. 1-3). Очевидно, что горизонт жидкости в изогнутой трубке опустится ниже уровня точки 1 на высоту h вак. Эта высота по отношению к уровню, проходящему через точку 1, будет отрицательной, если высоту Н считать положительной.
Давление в точке 1 сверху будет равно:
Р А = Р 0 + ρ g Н .
Давление в точке 1 со стороны трубки 
равно:
Р атм - ρ gh вак .
Из равенства этих формул следует, что давление Р А = Р атм - ρ gh вак . Отсюда
h вак =(Р атм – Р А)/ ρ g. (2-8) Эту величину называют вакуумметрической высотой ,
Рисунок 2.3. Схема измерения вакуумметрической высоты с помощью вакуумметра.
Она характеризует разность двух давлений Р атм – Р А в точке 1. Именно эту разность и называютвакуумом.
Избыточное давление в жидкости можно создать с помощью насос, оказывая на неё силовое действие (рабочим органом насоса). При движении рабочего органа (поршень, ротор и т.п.) на входе в насос образуется вакуум (разряжение), а нв выходе насоса-избыточное давление. Измеряются они с помощью приборов (манометров, мановакуумметров).
2.4. Давление жидкости на плоскую и цилиндрическую стенки.
Рис. 2.4. Схема к определению равнодействующей гидростатического давления на плоскую поверхность. Эпюра сил давления. Справа- развёрнутая поверхность стенки.
На плоскую стенку в сосуде с жидкостью действуют силы давления, направленные перпендикулярно к ней.
С ростом глубины погружения Н растёт и величина избыточного давления Р = ρ g Н, а, следовательно, и сила давления на стенку. Можно показать, что средняя сила давления на вертикальную стенку равна произве-дению давления в центре стенки на площадь стенки:
F = P c S, где P c = ρ gН с = ρ g Н/2 (2-9)
Давление на горизонтальную поверхность дна сосуда во всех точках одинаково, поэтому сила давления на дно сосуда равна
Рис.2.5.Эпюра сил давления для наклонной стенки.
F = P∙ S, где P= ρ g Н (2-10)
В случае криволинейных стенок чаще всего необходимо определить силу, действующую на цилиндрическую поверхность, имеющую вертикальную ось симметрии. Возможны два варианта. Первый вариант -жидкость воздействует на стенку изнутри.
Во втором варианте жидкость действует на стенку снаружи. Рассмотрим первый вариант.
Выделим объём жидкости, ограниченный рассматриваемым участком цилиндрической поверхности AB , участком свободной поверхности CD, расположенным над участком AB, и двумя вертикальными поверхностями BC и CD , проходящими через точки A и B . Эти поверхности ограничивают объём ABCD , который находится в равновесии. Рассмотрим условия равновесия этого объёма в вертикальном и горизонтальном направлениях. Заметим, что, если жидкость действует на поверхность AB, c какой то силой F , то с такой же силой, но в обратном направлении, и поверхность действует на рассматриваемый объём жидкости. Эту силу, перпендикулярную поверхности AB , можно представить в виде горизонтальной F г и вертикальной F в составляющих.
Условие равновесия объёма ABCD в вертикальном направлении выглядит, так: F в = P 0 S г + G (2-10)
где P 0 – внешнее давление, S г – площадь горизонтальной проекции поверхности AB, G – вес выделенного объёма жидкости.
| P 0 |
| h c |
| G |
| C |
| E |
| D |
| A |
| F x |
| D |
| F R |
| F R |
| δ |
| P |
Рассмотрим трубу длиной l с внутренним диаметром D и толщиной стенок δ , находящуюся под действием гидростатического давления P . Это давление порождает разрывающие силы F x . Из-за симметричности трубы такие разрывающие силы будут действовать одинаково во всех направлениях. Для вертикальной плоскости эта сила будет равна
F х = πDl (2-12) ,
где произведение Dl – есть вертикальная проекция площади стенки трубы.
Рис.2.7. К определению разрывающей силы в трубе.
Разрывающей силе будут противодействовать силы реакции F R , возникающие в стенках трубы. Площадь стенок трубы S c в любом осевом сечении составит:
S c =2l δ (2-13)
Под действием разрывающих сил в стенках трубы будет возникать суммарная сила реакция F R , равная по величине разрывающей силе, но направленная в противоположную сторону:
Отсюда находится напряжение σ в стенках трубы, вызываемое давлением внутри трубы. Оно равняется
σ = F R /S c = (PDl)/ (2l δ) =PD/2 δ (2-14)
Человек на лыжах, и без них.
По рыхлому снегу человек идёт с большим трудом, глубоко проваливаясь при каждом шаге. Но, надев лыжи, он может идти, почти не проваливаясь в него. Почему? На лыжах или без лыж человек действует на снег с одной и той же силой, равной своему весу. Однако действие этой силы в обоих случаях различно, потому что различна площадь поверхности, на которую давит человек, с лыжами и без лыж. Площадь поверхности лыж почти в 20 раз больше площади подошвы. Поэтому, стоя на лыжах, человек действует на каждый квадратный сантиметр площади поверхности снега с силой, в 20 раз меньшей, чем стоя на снегу без лыж.
Ученик, прикалывая кнопками газету к доске, действует на каждую кнопку с одинаковой силой. Однако кнопка, имеющая более острый конец, легче входит в дерево.
Значит, результат действия силы зависит не только от её модуля, направления и точки приложения, но и от площади той поверхности, к которой она приложена (перпендикулярно которой она действует).
Этот вывод подтверждают физические опыты.
Опыт.Результат действия данной силы зависит от того, какая сила действует на единицу площади поверхности.
По углам небольшой доски надо вбить гвозди. Сначала гвозди, вбитые в доску, установим на песке остриями вверх и положим на доску гирю. В этом случае шляпки гвоздей лишь незначительно вдавливаются в песок. Затем доску перевернем и поставим гвозди на острие. В этом случае площадь опоры меньше, и под действием той же силы гвозди значительно углубляются в песок.
Опыт. Вторая иллюстрация.
От того, какая сила действует на каждую единицу площади поверхности, зависит результат действия этой силы.
В рассмотренных примерах силы действовали перпендикулярно поверхности тела. Вес человека был перпендикулярен поверхности снега; сила, действовавшая на кнопку, перпендикулярна поверхности доски.
Величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности, называется давлением .
Чтобы определить давление, надо силу, действующую перпендикулярно поверхности, разделить на площадь поверхности:
давление = сила / площадь .
Обозначим величины, входящие в это выражение: давление - p , сила, действующая на поверхность, - F и площадь поверхности - S .
Тогда получим формулу:
p = F/S
Понятно, что бóльшая по значению сила, действующую на ту же площадь, будет производить большее давление.
За единицу давления принимается такое давление, которое производит сила в 1 Н, действующая на поверхность площадью 1 м 2 перпендикулярно этой поверхности .
Единица давления - ньютон на квадратный метр (1 Н / м 2). В честь французского ученого Блеза Паскаля она называется паскалем (Па ). Таким образом,
1 Па = 1 Н / м 2 .
Используется также другие единицы давления: гектопаскаль (гПа ) и килопаскаль (кПа ).
1 кПа = 1000 Па;
1 гПа = 100 Па;
1 Па = 0,001 кПа;
1 Па = 0,01 гПа.
Запишем условие задачи и решим её.
Дано : m = 45 кг, S = 300 см 2 ; p = ?
В единицах СИ: S = 0,03 м 2
Решение:
p = F /S ,
F = P ,
P = g·m ,
P = 9,8 Н · 45 кг ≈ 450 Н,
p = 450/0,03 Н / м 2 = 15000 Па = 15 кПа
"Ответ": p = 15000 Па = 15 кПа
Способы уменьшения и увеличения давления.
Тяжелый гусеничный трактор производит на почву давление равное 40 - 50 кПа, т. е. всего в 2 - 3 раза больше, чем давление мальчика массой 45 кг. Это объясняется тем, что вес трактора распределяется на бóльшую площадь за счёт гусеничной передачи. А мы установили, что чем больше площадь опоры, тем меньше давление, производимое одной и той же силой на эту опору .
В зависимости от того, нужно ли получить малое или большое давление, площадь опоры увеличивается или уменьшается. Например, для того, чтобы грунт мог выдержать давление возводимого здания, увеличивают площадь нижней части фундамента.
Шины грузовых автомобилей и шасси самолетов делают значительно шире, чем легковых. Особенно широкими делают шины у автомобилей, предназначенных для передвижения в пустынях.
Тяжелые машины, как трактор, танк или болотоход, имея большую опорную площадь гусениц, проходят по болотистой местности, по которой не пройдет человек.
С другой стороны, при малой площади поверхности можно небольшой силой произвести большое давление. Например, вдавливая кнопку в доску, мы действуем на нее с силой около 50 Н. Так как площадь острия кнопки примерно 1 мм 2 , то давление, производимое ею, равно:
p = 50 Н/ 0, 000 001 м 2 = 50 000 000 Па = 50 000 кПа.
Для сравнения, это давление в 1000 раз больше давления, производимого гусеничным трактором на почву. Можно найти еще много таких примеров.
Лезвие режущих и острие колющих инструментов (ножей, ножниц, резцов, пил, игл и др.) специально остро оттачивается. Заточенный край острого лезвия имеет маленькую площадь, поэтому при помощи даже малой силы создается большое давление, и таким инструментом легко работать.
Режущие и колющие приспособления встречаются и в живой природе: это зубы, когти, клювы, шипы и др. - все они из твердого материала, гладкие и очень острые.
Давление
Известно, что молекулы газа беспорядочно движутся.
Мы уже знаем, что газы, в отличие от твердых тел и жидкостей, заполняют весь сосуд, в котором находятся. Например, стальной баллон для хранения газов, камера автомобильной шины или волейбольный мяч. При этом газ оказывает давление на стенки, дно и крышку баллона, камеры или любого другого тела, в котором он находится. Давление газа обусловлено иными причинами, чем давление твердого тела на опору.
Известно, что молекулы газа беспорядочно движутся. При своем движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором находится газ. Молекул в газе много, поэтому и число их ударов очень велико. Например, число ударов молекул воздуха, находящегося в комнате, о поверхность площадью 1 см 2 за 1 с выражается двадцатитрехзначным числом. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул на стенки сосуда значительно, - оно и создает давление газа.
Итак, давление газа на стенки сосуда (и на помещенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа .
Рассмотрим следующий опыт. Под колокол воздушного насоса поместим резиновый шарик. Он содержит небольшое количество воздуха и имеет неправильную форму. Затем насосом откачиваем воздух из-под колокола. Оболочка шарика, вокруг которой воздух становится все более разреженным, постепенно раздувается и принимает форму правильного шара.
Как объяснить этот опыт?
Для хранения и перевозки сжатого газа используются специальные прочные стальные баллоны.
В нашем опыте движущиеся молекулы газа непрерывно ударяют о стенки шарика внутри и снаружи. При откачивании воздуха число молекул в колоколе вокруг оболочки шарика уменьшается. Но внутри шарика их число не изменяется. Поэтому число ударов молекул о внешние стенки оболочки становится меньше, чем число ударов о внутренние стенки. Шарик раздувается до тех пор, пока сила упругости его резиновой оболочки не станет равной силе давления газа. Оболочка шарика принимает форму шара. Это показывает, что газ давит на ее стенки по всем направлениям одинаково . Иначе говоря, число ударов молекул, приходящихся на каждый квадратный сантиметр площади поверхности, по всем направлениям одинаково. Одинаковое давление по всем направлениям характерно для газа и является следствием беспорядочного движения огромного числа молекул.
Попытаемся уменьшить объем газа, но так, чтобы масса его осталась неизменной. Это значит, что в каждом кубическом сантиметре газа молекул станет больше, плотность газа увеличится. Тогда число ударов молекул о стенки увеличится, т. е. возрастет давление газа. Это можно подтвердить опытом.
На рисунке а изображена стеклянная трубка, один конец которой закрыт тонкой резиновой пленкой. В трубку вставлен поршень. При вдвигании поршня объем воздуха в трубке уменьшается, т. е. газ сжимается. Резиновая пленка при этом выгибается наружу, указывая на то, что давление воздуха в трубке увеличилось.
Наоборот, при увеличении объема этой же массы газа, число молекул в каждом кубическом сантиметре уменьшается. От этого уменьшится число ударов о стенки сосуда - давление газа станет меньше. Действительно, при вытягивании поршня из трубки объем воздуха увеличивается, пленка прогибается внутрь сосуда. Это указывает на уменьшение давления воздуха в трубке. Такие же явления наблюдались бы, если бы вместо воздуха в трубке находился бы любой другой газ.
Итак, при уменьшении объема газа его давление увеличивается, а при увеличении объема давление уменьшается при условии, что масса и температура газа остаются неизменными .
А как изменится давление газа, если нагреть его при постоянном объеме? Известно, что скорость движения молекул газа при нагревании увеличивается. Двигаясь быстрее, молекулы будут ударять о стенки сосуда чаще. Кроме того, каждый удар молекулы о стенку будет сильнее. Вследствие этого, стенки сосуда будут испытывать большее давление.
Следовательно, давление газа в закрытом сосуде тем больше, чем выше температура газа , при условии, что масса газа и объем не изменяются.
Из этих опытов можно сделать общий вывод, что давление газа тем больше, чем чаще и сильнее молекулы ударяют о стенки сосуда .
Для хранения и перевозки газов их сильно сжимают. При этом давление их возрастает, газы необходимо заключать в специальные, очень прочные баллоны. В таких баллонах, например, содержат сжатый воздух в подводных лодках, кислород, используемый при сварке металлов. Конечно же, мы должны навсегда запомнить, что газовые баллоны нельзя нагревать, тем более, когда они заполнены газом. Потому что, как мы уже понимаем, может произойти взрыв с очень неприятными последствиями.
Закон Паскаля.
Давление передается в каждую точку жидкости или газа.
Давление поршня передается в каждую точку жидкости, заполняющей шар.
Теперь газ.
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 воды. На реке или озере при малейшем ветерке появляется рябь.
Подвижностью частиц газа и жидкости объясняется, что давление, производимое на них, передается не только в направлении действия силы, а в каждую точку . Рассмотрим это явление подробнее.
На рисунке, а изображен сосуд, в котором содержится газ (или жидкость). Частицы равномерно распределены по всему сосуду. Сосуд закрыт поршнем, который может перемещаться вверх и вниз.
Прилагая некоторую силу, заставим поршень немного переместиться внутрь и сжать газ (жидкость), находящийся непосредственно под ним. Тогда частицы (молекулы) расположатся в этом месте более плотно, чем прежде(рис, б). Благодаря подвижности частицы газа будут перемещаться по всем направлениям. Вследствие этого их расположение опять станет равномерным, но более плотным, чем раньше (рис, в). Поэтому давление газа всюду возрастет. Значит, добавочное давление передается всем частицам газа или жидкости. Так, если давление на газ (жидкость) около самого поршня увеличится на 1 Па, то во всех точках внутри газа или жидкости давление станет больше прежнего на столько же. На 1 Па увеличится давление и на стенки сосуда, и на дно, и на поршень.
Давление, производимое на жидкость или газ, передается на любую точку одинаково во всех направлениях .
Это утверждение называется законом Паскаля .
На основе закона Паскаля легко объяснить следующие опыты.
На рисунке изображен полый шар, имеющий в различных местах небольшие 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 в каждую точку жидкости, заполняющей шар. В результате часть воды выталкивается из шара в виде одинаковых струек, вытекающих из всех отверстий.
Если шар заполнить дымом, то при вдвигании поршня в трубку из всех отверстий шара начнут выходить одинаковые струйки дыма. Это подтверждает, что и газы передают производимое на них давление во все стороны одинаково .
Давление в жидкости и газе.
Под действием веса жидкости резиновое дно в трубке прогнется.
На жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому, каждый слой жидкости, налитой в сосуд, своим весом создает давление, которое по закону Паскаля передается по всем направлениям. Следовательно, внутри жидкости существует давление. В этом можно убедиться на опыте.
В стеклянную трубку, нижнее отверстие которой закрыто тонкой резиновой пленкой, нальем воду. Под действием веса жидкости дно трубки прогнется.
Опыт показывает, что, чем выше столб воды над резиновой пленкой, тем больше она прогибается. Но всякий раз после того, как резиновое дно прогнулось, вода в трубке приходит в равновесие (останавливается), так как, кроме силы тяжести, на воду действует сила упругости растянутой резиновой пленки.
Силы, действующие на резиновую пленку, |
одинаковы с обеих сторон. |
Иллюстрация.
Дно отходит от цилиндра вследствие давления на него силы тяжести.
Опустим трубку с резиновым дном, в которую налита вода, в другой, более широкий сосуд с водой. Мы увидим, что по мере опускания трубки резиновая пленка постепенно выпрямляется. Полное выпрямление пленки показывает, что силы, действующие на нее сверху и снизу, равны. Наступает полное выпрямление пленки тогда, когда уровни воды в трубке и сосуде совпадают.
Такой же опыт можно провести с трубкой, в которой резиновая пленка закрывает боковое отверстие, как это показано на рисунке, а. Погрузим эту трубку с водой в другой сосуд с водой, как это изображено на рисунке, б . Мы заметим, что пленка снова выпрямится, как только уровни воды в трубке и сосуде сравняются. Это означает, что силы, действующие на резиновую пленку, одинаковы со всех сторон.
Возьмем сосуд, дно которого может отпадать. Опустим его в банку с водой. Дно при этом окажется плотно прижатым к краю сосуда и не отпадет. Его прижимает сила давления воды, направленная снизу вверх.
Будем осторожно наливать воду в сосуд и следить за его дном. Как только уровень воды в сосуде совпадет с уровнем воды в банке, оно отпадет от сосуда.
В момент отрыва на дно давит сверху вниз столб жидкости в сосуде, а снизу вверх на дно передается давление такого же по высоте столба жидкости, но находящейся в банке. Оба эти давления одинаковы, дно же отходит от цилиндра вследствие действия на него собственной силы тяжести.
Выше были описаны опыты с водой, но если взять вместо воды любую другую жидкость, результаты опыта будут те же.
Итак, опыты показывают, что внутри жидкости существует давление, и на одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается .
Газы в этом отношении не отличаются от жидкостей, ведь они тоже имеют вес. Но надо помнить, что плотность газа в сотни раз меньше плотности жидкости. Вес газа, находящегося в сосуде, мал, и его "весовое" давление во многих случаях можно не учитывать.
Расчет давления жидкости на дно и стенки сосуда.
Расчет давления жидкости на дно и стенки сосуда.
Рассмотрим, как можно рассчитывать давление жидкости на дно и стенки сосуда. Решим сначала задачу для сосуда, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда.
Сила F , с которой жидкость, налитая в этот сосуд, давит на его дно, равна весу P жидкости, находящейся в сосуде. Вес жидкости можно определить, зная ее массу m . Массу, как известно, можно вычислить по формуле: m = ρ·V . Объем жидкости, налитой в выбранный нами сосуд, легко рассчитать. Если высоту столба жидкости, находящейся в сосуде, обозначить буквой h , а площадь дна сосуда S , то V = S·h .
Масса жидкости m = ρ·V , или m = ρ·S·h .
Вес этой жидкости P = g·m , или P = g·ρ·S·h .
Так как вес столба жидкости равен силе, с которой жидкость давит на дно сосуда, то, разделив вес P на площадь S , получим давление жидкости p :
p = P/S , или p = g·ρ·S·h/S,
Мы получили формулу для расчета давления жидкости на дно сосуда. Из этой формулы видно, что давление жидкости на дно сосуда зависит только от плотности и высоты столба жидкости .
Следовательно, по выведенной формуле можно рассчитывать давление жидкости, налитой в сосуд любой формы (строго говоря, наш расчет годится только для сосудов, имеющих форму прямой призмы и цилиндра. В курсах физики для института доказано, что формула верна и для сосуда произвольной формы). Кроме того, по ней можно вычислить и давление на стенки сосуда. Давление внутри жидкости, в том числе давление снизу вверх, также рассчитывается по этой формуле, так как давление на одной и той же глубине одинаково по всем направлениям.
При расчете давления по формуле p = gρh надо плотность ρ выражать в килограммах на кубический метр (кг/м 3), а высоту столба жидкости h - в метрах (м), g = 9,8 Н/кг, тогда давление будет выражено в паскалях (Па).
Пример . Определите давление нефти на дно цистерны, если высота столба нефти 10 м, а плотность ее 800 кг/м 3 .
Запишем условие задачи и запишем ее.
Дано :
ρ = 800 кг/м 3
Решение :
p = 9.8 Н/кг · 800 кг/м 3 · 10 м ≈ 80 000 Па ≈ 80 кПа.
Ответ : p ≈ 80 кПа.
Сообщающиеся сосуды.
Сообщающиеся сосуды.
На рисунке изображены два сосуда, соединённые между собой резиновой трубкой. Такие сосуды называются сообщающимися . Лейка, чайник, кофейник - примеры сообщающихся сосудов. Из опыта мы знаем, что вода, налитая, например, в лейку, стоит всегда на одном уровне в носике и внутри.
Сообщающиеся сосуды встречаются нам часто. Например, им может быть чайник, лейка или кофейник. |
Поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне в сообщающихся сосудах любой формы. |
Разные по плотности жидкости. |
С сообщающимися сосудами можно проделать следующий простой опыт. В начале опыта резиновую трубку зажимаем в середине, и в одну из трубок наливаем воду. Затем зажим открываем, и вода вмиг перетекает в другую трубку, пока поверхности воды в обеих трубках не установятся на одном уровне. Можно закрепить одну из трубок в штативе, а другую поднимать, опускать или наклонять в разные стороны. И в этом случае, как только жидкость успокоится, ее уровни в обеих трубках уравняются.
В сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне (при условии, что давление воздуха над жидкостью одинаково) (рис. 109).
Это можно обосновать следующим образом. Жидкость покоится, не перемещаясь из одного сосуда в другой. Значит, давления в обоих сосудах на любом уровне одинаковы. Жидкость в обоих сосудах одна и та же, т. е. имеет одинаковую плотность. Следовательно, должны быть одинаковы и ее высоты. Когда мы поднимаем один сосуд или доливаем в него жидкость, давление в нем увеличивается и жидкость перемещается в другой сосуд до тех пор, пока давления не уравновесятся.
Если в один из сообщающихся сосудов налить жидкость одной плотности, а во второй - другой плотности, то при равновесии уровни этих жидкостей не будут одинаковыми. И это понятно. Мы ведь знаем, что давление жидкости на дно сосуда прямо пропорционально высоте столба и плотности жидкости. А в этом случае плотности жидкостей будут различны.
При равенстве давлений высота столба жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба жидкости с меньшей плотностью (рис.).
Опыт. Как определить массу воздуха.
Вес воздуха. Атмосферное давление.
Существование атмосферного давления.
Атмосферное давление больше, чем давление разреженного воздуха в сосуде.
На воздух, как и на всякое тело, находящееся на Земле, действует сила тяжести, и, значит, воздух обладает весом. Вес воздуха легко вычислить, зная его массу.
На опыте покажем, как вычислить массу воздуха. Для этого нужно взять прочный стеклянный шар с пробкой и резиновой трубкой с зажимом. Выкачаем из него насосом воздух, зажмем трубку зажимом и уравновесим на весах. Затем, открыв зажим на резиновой трубке, впустим в него воздух. Равновесие весов при этом нарушится. Для его восстановления на другую чашку весов придется положить гири, масса которых будет равна массе воздуха в объеме шара.
Опытами установлено, что при температуре 0 °С и нормальном атмосферном давлении масса воздуха объемом 1 м 3 равна 1,29 кг. Вес этого воздуха легко вычислить:
P = g·m, P = 9,8 Н/кг · 1,29 кг ≈ 13 Н.
Воздушная оболочка, окружающая Землю, называется атмосфера (от греч. атмос - пар, воздух, и сфера - шар).
Атмосфера, как показали наблюдения за полетом искусственных спутников Земли, простирается на высоту нескольких тысяч километров.
Вследствие действия силы тяжести верхние слои атмосферы, подобно воде океана, сжимают нижние слои. Воздушный слой, прилегающий непосредственно к Земле, сжат больше всего и, согласно закону Паскаля, передает производимое на него давление по всем направлениям.
В результате этого земная поверхность и телá, находящиеся на ней, испытывают давление всей толщи воздуха, или, как обычно говорится в таких случаях, испытывают атмосферное давление .
Существованием атмосферного давления могут быть объяснены многие явления, с которыми мы встречаемся в жизни. Рассмотрим некоторые из них.
На рисунке изображена стеклянная трубка, внутри которой находится поршень, плотно прилегающий к стенкам трубки. Конец трубки опущен воду. Если поднимать поршень, то за ним будет подниматься и вода.
Это явление используется в водяных насосах и некоторых других устройствах.
На рисунке показан цилиндрический сосуд. Он закрыт пробкой, в которую вставлена трубка с краном. Из сосуда насосом откачивается воздух. Затем конец трубки помещается в воду. Если теперь открыть кран, то вода фонтаном брызнет в внутрь сосуда. Вода поступает в сосуд потому, что атмосферное давление больше давления разреженного воздуха в сосуде.
Почему существует воздушная оболочка Земли.
Как и все тела, молекулы газов, входящих в состав воздушной оболочки Земли, притягиваются к Земле.
Но почему же тогда все они не упадут на поверхность Земли? Каким образом сохраняется воздушная оболочка Земли, ее атмосфера? Чтобы понять это, надо учесть, что молекулы газов находятся в непрерывном и беспорядочном движении. Но тогда возникает другой вопрос: почему эти молекулы не улетают в мировое пространство, то есть в космос.
Для того, чтобы совсем покинуть Землю, молекула, как и космический корабль или ракета, должна иметь очень большую скорость (не меньше 11,2 км/с). Это так называемая вторая космическая скорость . Скорость большинства молекул воздушной оболочки Земли значительно меньше этой космической скорости. Поэтому большинство их привязано к Земле силой тяжести, лишь ничтожно малое количество молекул улетает за пределы Земли в космос.
Беспорядочное движение молекул и действие на них силы тяжести приводят в результате к тому, что молекулы газов "парят" в пространстве около Земли, образуя воздушную оболочку, или известную нам атмосферу.
Измерения показывают, что плотность воздуха быстро уменьшается с высотой. Так, на высоте 5,5 км над Землей плотность воздуха в 2 раза меньше его плотность у поверхности Земли, на высоте 11 км - в 4 раза меньше, и т. д. Чем выше, тем воздух разреженнее. И наконец, в самых верхних слоях (сотни и тысячи километров над Землей) атмосфера постепенно переходит в безвоздушное пространство. Четкой границы воздушная оболочка Земли не имеет.
Строго говоря, вследствие действия силы тяжести плотность газа в любом закрытом сосуде неодинакова по всему объему сосуда. Внизу сосуда плотность газа больше, чем в верхних его частях, поэтому и давление в сосуде неодинаково. На дне сосуда оно больше, чем вверху. Однако для газа, содержащегося в сосуде, это различие в плотности и давлении столь мало, что его можно во многих случаях совсем не учитывать, просто знать об этом. Но для атмосферы, простирающейся на несколько тысяч километров, различие это существенно.
Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли.
Рассчитать атмосферное давление по формуле для вычисления давления столба жидкости (§ 38) нельзя. Для такого расчета надо знать высоту атмосферы и плотность воздуха. Но определенной границы у атмосферы нет, а плотность воздуха на разной высоте различна. Однако измерить атмосферное давление можно с помощью опыта, предложенного в 17 веке итальянским ученым Эванджелиста Торричелли , учеником Галилея.
Опыт Торричелли состоит в следующем: стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Затем, плотно закрыв второй конец трубки, ее переворачивают и опускают в чашку с ртутью, где под уровнем ртути открывают этот конец трубки. Как и в любом опыте с жидкостью, часть ртути при этом выливается в чашку, а часть ее остается в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, равна примерно 760 мм. Над ртутью внутри трубки воздуха нет, там безвоздушное пространство, поэтому никакой газ не оказывает давления сверху на столб ртути внутри этой трубки и не влияет на измерения.
Торричелли, предложивший описанный выше опыт, дал и его объяснение. Атмосфера давит на поверхность ртути в чашке. Ртуть находится в равновесии. Значит, давление в трубке на уровне аа 1 (см. рис) равно атмосферному давлению. При изменении атмосферного давления меняется и высота столба ртути в трубке. При увеличении давления столбик удлиняется. При уменьшении давления - столб ртути уменьшает свою высоту.
Давление в трубке на уровне аа1 создается весом столба ртути в трубке, так как в верхней части трубки над ртутью воздуха нет. Отсюда следует, что атмосферное давление равно давлению столба ртути в трубке , т. е.
p атм = p ртути.
Чем больше атмосферное давление, тем выше столб ртути в опыте Торричелли. Поэтому на практике атмосферное давление можно измерить высотой ртутного столба (в миллиметрах или сантиметрах). Если, например, атмосферное давление равно 780 мм рт. ст. (говорят "миллиметров ртутного столба"), то это значит, что воздух производит такое же давление, какое производит вертикальный столб ртути высотой 780 мм.
Следовательно, в этом случае за единицу измерения атмосферного давления принимается 1 миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст.). Найдем соотношение между этой единицей и известной нам единицей - паскалем (Па).
Давление столба ртути ρ ртути высотой 1 мм равно:
p = g·ρ·h , p = 9,8 Н/кг · 13 600 кг/ м 3 · 0,001 м ≈ 133,3 Па.
Итак, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
В настоящее время атмосферное давление принято измерять в гектопаскалях (1 гПа = 100 Па). Например, в сводках погоды может быть объявлено, что давление равно 1013 гПа, это то же самое, что 760 мм рт. ст.
Наблюдая ежедневно за высотой ртутного столба в трубке, Торричелли обнаружил, что эта высота меняется, т. е. атмосферное давление непостоянно, оно может увеличиваться и уменьшаться. Торричелли заметил также, что атмосферное давление связано с изменением погоды.
Если к трубке с ртутью, использовавшейся в опыте Торричелли, прикрепить вертикальную шкалу, то получится простейший прибор - ртутный барометр (от греч. барос - тяжесть, метрео - измеряю). Он служит для измерения атмосферного давления.
Барометр - анероид.
В практике для измерения атмосферного давления используют металлический барометр, называемый анероидом (в переводе с греческого - безжидкостный ). Так барометр называют потому, что в нем нет ртути.
Внешний вид анероида изображен на рисунке. Главная часть его - металлическая коробочка 1 с волнистой (гофрированной) поверхностью (см. др. рис.). Из этой коробочки выкачан воздух, а чтобы атмосферное давление не раздавило коробочку, ее крышка 2 пружиной оттягивается вверх. При увеличении атмосферного давления крышка прогибается вниз и натягивает пружину. При уменьшении давления пружина выпрямляет крышку. К пружине с помощью передаточного механизма 3 прикреплена стрелка-указатель 4, которая продвигается вправо или влево при изменении давления. Под стрелкой укреплена шкала, деления которой нанесены по показаниям ртутного барометра. Так, число 750, против которого стоит стрелка анероида (см. рис.), показывает, что в данный момент в ртутном барометре высота ртутного столба 750 мм.
Следовательно, атмосферное давление равно 750 мм рт. ст. или ≈ 1000 гПа.
Значение атмосферного давления весьма важно для предвидения погоды на ближайшие дни, так как изменение атмосферного давления связано с изменением погоды. Барометр - необходимый прибор для метеорологических наблюдений.
Атмосферное давление на различных высотах.
В жидкости давление, как мы знаем, зависит от плотности жидкости и высоты ее столба. Вследствие малой сжимаемости плотность жидкости на различных глубинах почти одинакова. Поэтому, вычисляя давление, мы считаем ее плотность постоянной и учитываем только изменение высоты.
Сложнее дело обстоит с газами. Газы сильно сжимаемы. А чем сильнее газ сжат, тем больше его плотность, и тем большее давление он производит. Ведь давление газа создается ударами его молекул о поверхность тела.
Слои воздуха у поверхности Земли сжаты всеми вышележащими слоями воздуха, находящимися над ними. Но чем выше от поверхности слой воздуха, тем слабее он сжат, тем меньше его плотность. Следовательно, тем меньшее давление он производит. Если, например, воздушный шар поднимается над поверхностью Земли, то давление воздуха на шар становиться меньше. Это происходит не только потому, что высота столба воздуха над ним уменьшается, но еще и потому, что уменьшается плотность воздуха. Вверху она меньше, чем внизу. Поэтому зависимость давления воздуха от высоты сложнее, чем жидкости.
Наблюдения показывают, что атмосферное давление в местностях, лежащих на уровне моря, в среднем равно 760 мм рт. ст.
Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °С, называется нормальным атмосферным давлением .
Нормальное атмосферное давление равно 101 300 Па = 1013 гПа.
Чем больше высота над уровнем моря, тем давление меньше.
При небольших подъемах, в среднем, на каждые 12 м подъема давление уменьшается на 1 мм рт. ст. (или на 1,33 гПа).
Зная зависимость давления от высоты, можно по изменению показаний барометра определить высоту над уровнем моря. Анероиды, имеющие шкалу, по которой непосредственно можно измерить высоту над уровнем моря, называются высотомерами . Их применяют в авиации и при подъеме на горы.
Манометры.
Мы уже знаем, что для измерения атмосферного давления применяют барометры. Для измерения давлений, бóльших или меньших атмосферного, используется манометры (от греч. манос - редкий, неплотный, метрео - измеряю). Манометры бывают жидкостные и металлические .
|
|
Рассмотрим сначала устройство и действие открытого жидкостного манометра . Он состоит из двухколенной стеклянной трубки, в которую наливается какая-нибудь жидкость. Жидкость устанавливается в обоих коленах на одном уровне, так как на ее поверхность в коленах сосуда действует только атмосферное давление.
Чтобы понять, как работает такой манометр, его можно соединить резиновой трубкой с круглой плоской коробкой, одна сторона которой затянута резиновой пленкой. Если надавить пальцем на пленку, то уровень жидкости в колене манометра, соединенном в коробкой, понизится, а в другом колене повысится. Чем это объясняется?
При надавливании на пленку увеличивается давление воздуха в коробке. По закону Паскаля это увеличение давления передается и жидкости в том колене манометра, которое присоединено к коробке. Поэтому давление на жидкость в этом колене будет больше, чем в другом, где на жидкость действует только атмосферное давление. Под действием силы этого избыточного давления жидкость начнет перемещаться. В колене со сжатым воздухом жидкость опустится, в другом - поднимется. Жидкость придет в равновесие (остановится), когда избыточное давление сжатого воздуха уравновесится давлением, которое производит избыточный столб жидкости в другом колене манометра.
Чем сильнее давить на пленку, тем выше избыточный столб жидкости, тем больше его давление. Следовательно, об изменении давления можно судить по высоте этого избыточного столба .
На рисунке показано, как таким манометром можно измерять давление внутри жидкости. Чем глубже погружается в жидкость трубочка, тем больше становится разность высот столбов жидкости в коленах манометра , тем, следовательно, и большее давление производит жидкость .
Если установить коробочку прибора на какой-нибудь глубине внутри жидкости и поворачивать ее пленкой вверх, вбок и вниз, то показания манометра при этом не будут меняется. Так и должно быть, ведь на одном и том же уровне внутри жидкости давление одинаково по всем направлениям .
На рисунке изображен металлический манометр . Основная часть такого манометра - согнутая в трубу металлическая трубка 1 , один конец которой закрыт. Другой конец трубки с помощью крана 4 сообщается с сосудом, в котором измеряют давление. При увеличении давления трубка разгибается. Движение её закрытого конца при помощи рычага 5 и зубчатки 3 передается стрелке 2 , движущейся около шкалы прибора. При уменьшении давления трубка, благодаря своей упругости, возвращается в прежнее положение, а стрелка - к нулевому делению шкалы.
Поршневой жидкостный насос.
В опыте, рассмотренном нами ранее (§ 40), было установлено, что вода в стеклянной трубке под действием атмосферного давления поднималась вверх за поршнем. На этом основано действие поршневых насосов.
Насос схематически изображен на рисунке. Он состоит из цилиндра, внутри которого ходит вверх и вниз, плотно прилегая к стенкам сосуда, поршень 1 . В нижней части цилиндра и в самом поршне установлены клапаны 2 , открывающиеся только вверх. При движении поршня вверх вода под действием атмосферного давления входит в трубу, поднимает нижний клапан и движется за поршнем.
При движении поршня вниз вода, находящаяся под поршнем, давит на нижний клапан, и он закрывается. Одновременно под давлением воды открывается клапан внутри поршня, и вода переходит в пространство над поршнем. При следующем движении поршня вверх в месте с ним поднимается и находящаяся над ним вода, которая и выливается в отводящую трубу. Одновременно за поршнем поднимается и новая порция воды, которая при последующем опускании поршня окажется над ним, и вся эта процедура повторяется вновь и вновь, пока работает насос.
Гидравлический пресс.
Закон Паскаля позволяет объяснить действие гидравлической машины (от греч. гидравликос - водяной). Это машины, действие которых основано на законах движения и равновесия жидкостей.
Основной частью гидравлической машины служат два цилиндра разного диаметра, снабженные поршнями и соединительной трубкой. Пространство под поршнями и трубку заполняют жидкостью (обычно минеральным маслом). Высоты столбов жидкости в обоих цилиндрах одинаковы, пока на поршни не действуют силы.
Допустим теперь, что силы F 1 и F 2 - силы, действующие на поршни, S 1 и S 2 - площади поршней. Давление под первым (малым) поршнем равно p 1 = F 1 / S 1 , а под вторым (большим) p 2 = F 2 / S 2 . По закону Паскаля давление покоящейся жидкостью во все стороны передается одинаково, т. е. p 1 = p 2 или F 1 / S 1 = F 2 / S 2 , откуда:
F 2 / F 1 = S 2 / S 1 .
Следовательно, сила F 2 во столько раз больше силы F 1 , во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого поршня . Например, если площадь большого поршня 500 см 2 , а малого 5 см 2 , и на малый поршень действует сила 100 Н, то на больший поршень будет действовать сила, в 100 раз бóльшая, то есть 10 000 Н.
Таким образом, с помощью гидравлической машины можно малой силой уравновесить бóльшую силу.
Отношение F 1 / F 2 показывает выигрыш в силе. Например, в приведенном примере выигрыш в силе равен 10 000 Н / 100 Н = 100.
Гидравлическая машина, служащая для прессования (сдавливания), называется гидравлическим прессом .
Гидравлические прессы применяются там, где требуется большая сила. Например, для выжимания масла из семян на маслобойных заводах, для прессования фанеры, картона, сена. На металлургических заводах гидравлические прессы используют для изготовления стальных валов машин, железнодорожных колес и многих других изделий. Современные гидравлические прессы могут развивать силу в десятки и сотни миллионов ньютонов.
Устройство гидравлического пресса схематически показано на рисунке. Прессуемое тело 1 (A) кладут на платформу, соединенную с большим поршнем 2 (B). При помощи малого поршня 3 (D) создается большое давление на жидкость. Это давление передается в каждую точку жидкости, заполняющей цилиндры. Поэтому такое же давление действует и на второй, большой поршень. Но так как площадь 2-го (большого) поршня больше площади малого, то и сила, действующая на него, будет больше силы, действующей на поршень 3 (D). Под действием этой силы поршень 2 (B) будет подниматься. При подъеме поршня 2 (B) тело (A) упирается в неподвижную верхнюю платформу и сжимается. При помощи манометра 4 (M) измеряется давление жидкости. Предохранительный клапан 5 (P) автоматически открывается, когда давление жидкости превышает допустимое значение.
Из малого цилиндра в большой жидкость перекачивается повторными движениями малого поршня 3 (D). Это осуществляется следующим образом. При подъеме малого поршня (D) клапан 6 (K) открывается, и в пространство, находящееся под поршнем, засасывается жидкость. При опускании малого поршня под действием давления жидкости клапан 6 (K) закрывается, а клапан 7 (K") открывается, и жидкость переходит в большой сосуд.
Действие воды и газа на погруженное в них тело.
Под водой мы легко можем поднять камень, который с трудом поднимается в воздухе. Если погрузить пробку под воду и выпустить ее из рук, то она всплывет. Как можно объяснить эти явления?
Мы знаем (§ 38), что жидкость давит на дно и стенки сосуда. И если внутрь жидкости поместить какое-нибудь твердое тело, то оно также будет подвергаться давлению, как и стенки сосуда.
Рассмотрим силы, которые действуют со стороны жидкости на погруженное в нее тело. Чтобы легче было рассуждать, выберем тело, которое имеет форму параллелепипеда с основаниями, параллельными поверхности жидкости (рис.). Силы, действующие на боковые грани тела, попарно равны и уравновешивают друг друга. Под действием этих сил тело сжимается. А вот силы, действующие на верхнюю и нижнюю грани тела, неодинаковы. На верхнюю грань давит сверху силой F 1 столб жидкости высотой h 1 . На уровне нижней грани давление производит столб жидкости высотой h 2 . Это давление, как мы знаем (§ 37), передается внутри жидкости во все стороны. Следовательно, на нижнюю грань тела снизу вверх с силой F 2 давит столб жидкости высотой h 2 . Но h 2 больше h 1 , следовательно, и модуль силы F 2 больше модуля силы F 1 . Поэтому тело выталкивается из жидкости с силой F выт, равной разности сил F 2 - F 1 , т. е.
