Сообщающиеся сосуды. Манометры

Каждое утро мы умываемся. А знаете ли вы, почему течет вода из крана, когда мы его открываем? А почему выливается вода из носика чайника, если чайник наклонить? А как «работает» артезианский колодец? Может, кто-то из вас уже знает, что все эти устройства являются сообщающимися сосудами. Именно о сообщающихся сосудах, их свойствах и применении будет идти речь в этом параграфе.

исследуем сообщающиеся сосуды

Сообщающиеся сосуды — это сосуды, которые соединены между собой так, что между ними может перетекать жидкость.

Простейшие сообщающиеся сосуды — это две соединенные между собой трубки. Если в одну из трубок наливать воду, то вода будет перетекать в другую трубку. Когда движение воды прекратится, вода в обеих трубках (обоих коленах сообщающихся сосудов) установится на одном уровне (рис. 26.1, а). Если наклонить или поднять одно из колен, то вода будет перетекать из колена, расположенного выше, пока уровни воды в обоих коленах не сравняются (рис. 26.1, б).

Итак, мы определили основное свойство сообщающихся сосудов:

В открытых сообщающихся сосудах свободные поверхности однородной неподвижной жидкости располагаются на одном уровне.

Обратите внимание! Свободные поверхности жидкости устанавливаются на одном уровне не только в двух, но и в любом количестве сообщающихся сосудов — независимо от того, какую форму они имеют и как расположены в пространстве (рис. 26.2).

А вот если в правое и левое колена сообщающихся сосудов налить жидкости, которые не смешиваются и имеют разные плотности, например керосин и воду, результат будет иным. Рассмотрим рис. 26.3. На уровне CD давление столбов жидкостей в сосудах одинаково:

Отсюда

имеем еще одно свойство сообщающихся сосудов:

В открытых сообщающихся сосудах столб неподвижной жидкости, имеющей меньшую плотность, будет выше, чем столб неподвижной жидкости, имеющей большую плотность. для двух открытых сообщающихся сосудов соотношение высот столбов жидкостей и плотностей этих жидкостей имеет вид:

Сообщающиеся сосуды широко применяют в быту, медицине, технике, строительстве. Шлюзы на каналах и реках, водопроводы, водомерные трубки на паровых котлах, артезианские колодцы, фонтаны, чайники, воронки, капельницы — все это примеры сообщающихся сосудов.

Рассмотрите рис. 26.4 и попробуйте объяснить принцип действия некоторых устройств.

Изготовляем открытый жидкостный манометр

На правое колено и-образной трубки, в которую налита однородная жидкость, наденем резиновую грушу. Слегка сожмем грушу — жидкость в трубке установится таким образом, что высота столба жидкости в правом колене будет меньше, чем в левом, на h (рис. 26.5).

Определим давление воздуха р_в в правом колене трубки. На уровне АВ давление в жидкости одинаково (р_А = р_В). В точке В это будет давление р_в — давление воздуха в груше, в точке А — атмосферное давление р_атм плюс гидростатическое давление столба жидкости высотой h. Получаем:

Итак, с помощью и-образной трубки, заполненной однородной жидкостью (известной плотности р), и линейки, позволяющей измерить разность уровней жидкости в коленах трубки (И), можно определить, на сколько давление газа в груше отличается от атмосферного. Соответствующий прибор называют открытый жидкостный манометр (рис. 26.6).

Манометр — это прибор для измерения давления жидкостей и газов.

Открытый жидкостный манометр (рис. 26.6, а) состоит из линейки 1, к которой присоединена ^образная трубка 2. Трубка заполнена подкрашенной жидкостью 3 так, что уровень жидкости расположен на отметке 0.

При измерениях (рис. 26.6, б) одно колено трубки оставляют открытым в атмосферу, а второе с помощью шланга 4 соединяют с емкостью, в которой нужно измерить давление газа (колба 5).

Например, на рис. 26.6, б разность уровней подкрашенной жидкости в сообщающихся сосудах составляет 10 см (h = 01 м). Если в трубке находится подкрашенная вода, то давление газа в колбе 5 меньше атмосферного давления на 980 Па:

Заменяем жидкостный манометр металлическим

Жидкостный манометр не всегда удобен в использовании: необходимо доливать жидкость до нужного уровня, осуществлять дополнительные вычисления. Поэтому, как правило, используют металлические деформационные манометры (рис. 26.7).

Основной элемент металлического деформационного манометра — гибкая дугообразная трубка 1, один конец которой (А) запаян. Второй конец трубки (Б) соединен с резервуаром, в котором нужно измерить давление. Принцип действия таких манометров следующий. Если давление

газа внутри трубки больше атмосферного, то гибкая трубка распрямляется и ее движение передается через механизм 2 к стрелке 3, движущейся вдоль шкалы 4 прибора. После уменьшения давления газа до атмосферного трубка возвращается в начальное (недеформированное) положение, а стрелка останавливается на отметке 0. Шкала металлического манометра проградуирована в атмосферах или паскалях.

Обратите внимание! Металлический деформационный манометр показывает, на сколько измеренное давление больше или меньше атмосферного.

Учимся решать задачи

Задача. В правое колено открытой ^образной трубки, содержащей воду, налили слой керосина высотой 12,5 см (см. рисунок). Определите разность уровней воды и керосина в коленах трубки. Керосин и вода не смешиваются.

Анализ физической проблемы. В однородной жидкости давление на одном горизонтальном уровне одинаково. В обоих коленах на уровне ЛБ и ниже находится вода, значит, на уровне ЛБ давления, создаваемые атмосферой и жидкостями, одинаковы.

Чтобы определить гидростатические давления жидкостей, нужно знать их плотности. Плотности воды и керосина узнаем из таблицы плотностей (с. 249). Задачу будем решать в единицах СИ.

На практике широко используют металлические деформационные манометры.

Это материал учебника Физика 7 класс Барьяхтар, Довгий