§ 44. Манометри

Гідростатичний тиск у рідині на тій чи іншій глибині, зумовлений дією сили тяжіння, можна досить просто визначити за висотою її стовпчика над цим рівнем і густиною. Проте у водогонах, нафто- і газопроводах у процесі виробництва необхідно постійно контролювати тиск і стежити за його змінами. Певні значення повинен мати тиск повітря у шинах коліс автомобілів і літаків. Командир підводного човна, коли той рухається під водою, має слідкувати, щоб тиск води на корпус його корабля не перевищував допустимий, і утримувати певну глибину занурення.

Для вимірювання тиску рідин і газів використовують спеціальні прилади — манометри (від грец. manos — рідкий, розріджений, metreo — міряю). Пригадайте, будь-який вимірювальний прилад містить перетворювач вимірюваного параметра в фізичну величину, зміну якої можна легко простежити за допомогою пристрою, з якого знімаються покази (стовпчик рідини, стрілка і шкала, цифровий дисплей тощо). Основа вимірювальної системи манометрів — чутливий елемент, фізичні властивості якого змінюються під дією тиску. Залежно від принципу дії й конструкції чутливого елемента манометри поділяють на рідинні, поршневі, деформаційні та ін.

Рідинний манометр. Ідея використати рідину як чутливий елемент для вимірювання тиску належить Е. Торрічеллі. Найпростішим манометром є водяний манометр, зображений на мал. 3.101, а. Це дві сполучені посудини у вигляді U-подібної скляної трубки, прикріпленої до шкали. Якщо в трубку налити підфарбовану воду (отвори трубки відкриті), то в обох колінах трубки поверхні рідини встановляться на одному рівні. Адже тиск, створюваний на обидві поверхні рідини навколишнім середовищем, однаковий. Приєднаємо один кінець сполученої посудини до двогорлої посудини за допомогою трубки. Ніяких змін не відбуватиметься, оскільки тиск у посудині такий самий, як і навколишнього середовища (мал. 3.101, б). Якщо тиск на поверхню рідини в одному коліні збільшити, рівень рідини в ньому знижуватиметься, а в іншому коліні підвищуватиметься.

Так триватиме доти, поки тиск стовпчика рідини, яка піднялася, не компенсує зміну тиску в посудині (мал. 3.101, в).

У зображеному на малюнку манометрі різниця рівнів води у лівому і правому колінах становить 20 см, що відповідає тиску

Такого тиску можна досягти, якщо дмухнути в гумову трубку, приєднану до одного з колін манометра.

Якщо замість води в манометр налити ртуть, густина якої

то різниця її рівнів у колінах манометра 20 см від

повідатиме тиску

Оскільки тиск у рідині прямо пропорційний висоті її стовпчика, його інколи вимірюють у міліметрах і сантиметрах водяного або ртутного стовпчика. Записують це відповідно так: 1 мм в. ст., 1 см в. ст. або 1 мм рт. ст., 1 см рт. ст. Тобто

Зрозуміло, якщо в посудині тиск газу менший, ніж тиск навколишнього середовища, то рівень рідини у трубці, з’єднаній з цією посудиною, підніматиметься, поки сумарний тиск стовпчика рідини і тиск повітря в посудині не зрівняються з зовнішнім тиском, що діє на поверхню рідини у відкритому коліні манометра (мал. 3.101, г).

Використовуючи рідинний манометр, можна легко переконатися, що тиск у рідині залежить від глибини і у різних напрямках однаковий. Для дослідження використовують спеціальну круглу коробочку-датчик тиску, з’єднану з водяним манометром (мал. 3.102). Замість кришки один бік коробочки закрито гумовою плівкою. В дні коробочки є ніпель. На ніпель одягають гнучку гумову або пласти-кову трубку. Інший кінець трубки приєднують до манометра.

Натиснувши на гумову плівку — мембрану, можна зменшити об’єм повітря в коробочці і, відповідно, збільшити його тиск у ній. Це збільшення тиску через повітря в трубці передається рідині в манометрі. Занурюючи коробочку за допомогою дротяного тримача на різну глибину і повертаючи її в різні боки, можна визначати тиск у рідині на тому чи іншому рівні, а також спостерігати за його змінами залежно від глибини занурення.

Деформаційний манометр. За допомогою рідинних манометрів можна вимірювати порівняно невеликі тиски або різницю тисків у різних посудинах. Металеві деформаційні манометри дають змогу з високою точністю вимірювати як великі, так і малі тиски. Такі манометри надійні й прості за конструкцією. У них вимірювані сили тиску урівноважуються силами пружності, які виникають у чутливих елементах приладів. Такими елементами можуть бути мембрани, трубчаті пружини, силь-фони та ін. Деформація цих елементів пропорційна тиску, що діє на них. Після припинення дії тиску чутливий елемент повертається у початковий стан. Пружний елемент за допомогою важелів з’єднують зі стрілкою-покажчиком. Коробочка, закрита гумовою плівкою, є прикладом мембранного перетворювача тиску, який використовують в мембранних манометрах. Найпростіший мембранний манометр показано на мал. 3.103.

Тонка пружна пластинка — мембрана 1 — герметично закриває коробку 2. До мембрани приєднаний покажчик — стрілка 3, що обертається на осі О. Якщо патрубок коробочки 4 з’єднати за допомогою трубки з резервуаром чи трубопроводом, у яких необхідно виміряти тиск, газ (рідина) заповнить її та тиснутиме на мембрану. Мембрана прогинається, і стрілка рухається по шкалі. Кожному положенню стрілки відповідає певний прогин мембрани, а отже, і певна сила тиску. Знаючи площу мембрани, можна від сил тиску перейти до самих тисків. Тиск можна вимірювати й безпосередньо, якщо заздалегідь проградуювати манометр. Для градуювання потрібно діяти на манометр відомим тиском і ставити на шкалі відмітки, відповідні положенню стрілки.

Для вимірювання значних тисків (сотні кіло- й мегапаска-лів) найчастіше використовують трубчасті пружинні манометри. Конструкцію такого манометра наведено на мал. 3.104. Його чутливим елементом є плоска (овальна) металева трубка 1. Один її кінець закріплюють у корпусі приладу і з’єднують зі штуцером 4, за допомогою якого прилад можна приєднати до ємності або трубопроводу. Другий, запаяний кінець трубки може вільно рухатися. Вільний кінець за допомогою передавального пристрою, що складається з тяги 5, зубчатого сектора і зубчатого коліщати 3, з’єднується зі стрілкою 2. Якщо тиск усередині трубки зростає, трубка розгинається і рух її закритого кінця передається стрілці. Стрілка обертається і показує значення тиску на шкалі.

Слід пам’ятати, що пружні елементи манометра (мембрана, трубка) — це пристрої, необхідні лише для виявлення і вимірювання сил тиску в рідинах і газах. Самі сили тиску є наслідком пружних властивостей рідин і газів. Такі самі сили тиску діяли б з боку рідини чи газу на поверхню будь-якого іншого тіла, розміщеного там само, де і мембрана чи трубка.

Зверніть увагу!-

І рідинні, і металеві манометри показують, на скільки тиск рідини або газу в посудині, трубопроводі, шині автомобіля більший або менший, ніж зовнішній атмосферний тиск.

Оскільки тиск у рідині залежить від глибини, то манометр можна пристосувати для вимірювання глибини. Такі манометри називають глибиноміри. їх використовують водолази й аквалангісти для визначення глибини занурення відносно поверхні моря (мал. 3.105). Без глибиномірів неможливе безпечне плавання і маневрування підводних човнів, адже для кожного підводного човна визначена допустима глибина занурення.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Як називають прилади для вимірювання тиску в рідинах і газах?

2.    Поясніть, як діє відкритий рідинний манометр?

4.    Яка будова і принцип дії металевого манометра?

5.    Манометр, з’єднаний із патрубком шини автомобіля, показав тиск 150 000 Па. Чи можна стверджувати, що тиск повітря у шині становить 150 000 Па? Пояснити відповідь.

6.    На мал. 3.106 зображено манометр, у якого нижня межа вимірювання тиску становить -100 кПа. Але тиск не може бути від’ємним. Про що тоді свідчать такі покази манометра? Який насправді тиск газу, якщо манометр покаже -50 кПа?

7. Щоб зрозуміти принцип дії трубчатих манометрів, зробіть іграшку, яку називають “довгий язик”. Склейте трубку, накрутивши два шари паперу, наприклад, на олівець. Заклейте один її кінець. Сплюсніть трубку і скрутіть її в спіраль. Якщо ви дмухнете в трубку, то вона розправиться. Подібні іграшки можна знайти в продажу. У них як довгий язик використовують пластикові або гумові плоскі трубки (мал. 3.107). Так само поводять себе й плоскі металеві трубки, виготовлені, наприклад, із латуні. Проте, на відміну від паперової, металеві трубки пружні і після припинення дії сил тиску відновлюють свою попередню форму.

Це матеріал з підручника Фізика 7 клас Бойко, Венгер, Мельничук.