§ 37. Тиск твердих тіл на поверхню. Сила тиску

Виникають питання: чому важко різати тупим ножем? Чому комар, маса якого усього 1 мг, легко проколює шкіру людини, яка захищає нас від багатьох зовнішніх впливів?

Щоб забити гвіздок, ставимо його на дошку гострим кінцем, і після удару молотка він легко заходить у дошку. Якщо поставимо шляпкою, гвіздок скоріше за все зігнеться, а в дошці залишиться лише заглибина (мал. 3.63). Сила, прикладена до гвіздка, одна й та сама, а результат різний.

Проведемо простий дослід. Заб’ємо у кути дощечки чотири цвяхи так, щоб вони виступали однаково з обох боків. Якщо покласти цю дощечку голівками цвяхів на пісок і поставити на неї гирю, то голівки цвяхів лише трохи зануряться в нього. Коли ж дощечку перевернути, то навіть без навантаження гострі кінці цвяхів заглиблюються в пісок. А якщо поставити на неї ще й гирю, то цвяхи зануряться по саму дощечку (мал. 3.64).

Отже, результат дії сили залежить не лише від її значення, а й від площі поверхні, на яку вона діє. Порівняти дію сил на різні за площею поверхні можна, якщо визначити силу, яка діє на кожну одиницю площі цих поверхонь. Наприклад, у гусеничного трактора площа дотику гусениць із землею становить 1,5 м², а його маса — 5,5 т. Площа обох підошов хлопчика масою 40 кг дорівнює приблизно 200 см² = 0,02 м². Вважатимемо, що вага трактора і хлопчика рівномірно розподіляється по площі їх дотику із землею. Визначимо, з якою силою діятимуть на одиницю площі поверхні Землі, наприклад 1 см², трактор і хлопчик. Для цього знайдемо вагу кожного з них і поділимо відповідно на площу гусениць і підошов.

Визначимо вагу трактора:

На

кожен квадратний сантиметр площі поверхні він діє із силою

Йдучи, хлопчик піднімає одну ногу, пло

ща його опори зменшується удвічі й на кожен квадратний сантиметр поверхні він діє із силою навіть більшою, ніж трактор: 3,9 Н.

Сила, з якою діє колесо легкового автомобіля на кожен квадратний сантиметр покриття дороги, досягає 20 Н. Тому він і не може проїхати там, де гусеничний трактор досить легко долає бездоріжжя.

Щоб характеризувати дію сил на поверхні різної площі, у фізиці використовують фізичну величину, яку називають тиск. Тиск показує, яка сила за тих чи інших умов діє на кожну одиницю площі поверхні перпендикулярно до неї.

Тиском називають фізичну величину, яка дорівнює відношенню сили, що діє перпендикулярно до поверхні, до площі цієї поверхні.

Щоб знайти тиск, необхідно силу, що діє на поверхню тіла, поділити на площу цієї поверхні:

де p — тиск; F — сила, яка діє на поверхню перпендикулярно до неї; S — площа поверхні.

У СІ одиницею сили є 1 Н, одиницею площі — 1 м², тому одиниця тиску —

Цю одиницю названо паскаль (Па)

на честь видатного французького вченого Блеза

Йаскаля (1623—1662 рр.). Математик, фізик, літератор, філософ, творець перших зразків обчислювальної техніки, він відкрив основний закон гідростатики.

На практиці використовують й інші одиниці — мегапас-каль (МПа), кілопаскаль (кПа), гектопаскаль (гПа), міліпас-каль (мПа):

Силу, яка діє на поверхню тіла перпендикулярно до неї, спричиняючи певний тиск, часто називають силою тиску.

Якщо відомий тиск і площа поверхні, на яку діє цей тиск, можна визначити силу тиску, яка діє на цю поверхню. Для цього тиск (силу, що діє на одиницю площі поверхні) необхідно помножити на площу:

F = pS.

Збільшення і зменшення тиску.

Результат дії сили визначається не лише її значенням, напрямком дії, точкою прикладання, а й площею поверхні, на яку діє ця сила. Щоб збільшити тиск, можна збільшити силу, яка діє на поверхню, або зменшити площу цієї поверхні. Щоб зменшити тиск, можна зменшити силу або збільшити площу, на яку вона діє.

Ці способи збільшення і зменшення тиску широко використовують у природі, повсякденному житті, техніці. Комар (мал. 3.65) легко проколює шкіру людей і тварин. Жало комара подібне до голки медичного шприца. Його діаметр становить усього 0,01 мм. Тому тиск, який чинить жало, перевищує тиск, який чинить навантажений залізничний вагон на рейки. Аналогічно діють шипи й голки різних рослин і тварин, які вони використовують як засоби захисту.

Лось може легко пересуватися по болотистій місцевості там, де не може пройти ні людина, ні кінь. Це відбувається за рахунок великої площі його копита. Незважаючи на те, що маса лося може перевищувати 500 кг, на кожен квадратний сантиметр широкого копита лося припадає лише 400 г його маси. Визначте, який тиск у паскалях чинить лось на поверхню.

У побуті й техніці теж використовують різні методи збільшення і зменшення тиску. Леза різального інструмента старанно загострюють. Це дає змогу досягти кращого ефекту під час обробки різних матеріалів. Проте будинки та інші споруди для зменшення їх тиску на поверхню

Землі зводять на широких фундаментах. Щоб зменшити дію важких сільськогосподарських машин на ґрунт, використовують спеціальні широкі шини, спарені колеса (мал. 3.66), гусениці, а залізничні рейки монтують на шпалах.

Запитання та завдання

1. Наведіть приклади, які свідчать про те, що результат дії сили залежить від площі, на яку діє ця сила.

2. Чому важко різати тупим ножем?

3. Що називають тиском?

4. Чому гусеничний трактор легко проходить по піску, а легковий автомобіль застряє в ньому?

5. Що називають силою тиску?

6. Ви сідаєте на стілець, який стоїть на ґрунті, й відразу відчуваєте, як його ніжки заглиблюються в ґрунт. Чому?

7. Верстат має вагу 3 300 кН. Визначте, який тиск чинить верстат на фундамент, якщо площа його опори становить 200 дм^{1 2}?

8. Цеглина масою 5 кг має довжину 25 см, ширину 12 см і висоту

6 см. Визначити, які тиски чинитиме цеглина, якщо її поставити на кожну з трьох різних граней.

9. Площа дна каструлі дорівнює 1300 см². На скільки збільшиться тиск каструлі, якщо в неї налити 3,9 л води?

10. Гранітна колона, об’єм якої 6 м^{3 4 5 6 7 8 9 10 11}, має площу опори 1,5 м. Який тиск чинить колона на ґрунт, якщо густина граніту 2 700 кг/м³?

11.  Знаючи свою масу, порівняйте тиск, який ви чините на ґрунт, коли стоїте на ногах і коли сидите на стільці. Масою стільця знехтуйте.

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