§ 38. Тиск рідин

Досі ми розглядали взаємодію твердих тіл. Проте тверді тіла дуже часто взаємодіють також із рідинами і газами. На відміну від твердих тіл рідини і гази не мають власної форми. Рідина, налита у склянку, набуває її форми, взаємодіє з її дном та стінками, діючи на них по всій поверхні дотику. У цьому можна легко переконатися, наливши рідину у поліетиленовий пакет або пластикову пляшку. Натиснувши пальцем на стінки чи дно пакета, ви відразу відчуєте силу її тиску. Греблі гідростанцій, дамби, стінки труб водогонів, корпуси кораблів і підводних човнів зазнають тиску рідин. Тиски, створювані рідинами, можуть бути дуже великі. На глибині 100 м на поверхню корпуса підводного човна діє тиск більш як 1 000 000 Па. Це рівносильно тому, що на кожен 1 м² поверхні поклали вантаж масою 100 т. Тому необхідно вміти визначати й вимірювати тиск рідин.

Проведемо простий експеримент. Наллємо у гумову повітряну кульку воду. Кулька збільшиться в об’ємі — видовжиться й розшириться. Це означає, що з боку рідини не лише на її дно, а й на бічну поверхню діє сила тиску. Дію сили тиску на дно будь-якої посудини пояснити просто. На кожну частку рідини, що перебуває в полі тяжіння Землі, діє сила тяжіння. Під дією цієї сили кожний шар рідини тисне на розташовані під ним шари. Відповідно, на дно посудини діє вага усього стовпа, налитої в неї рідини.

Тиск рідин, обумовлений їх вагою, називають гідростатичним тиском.

Розглянемо найпростіший випадок. Рідина знаходиться в прямокутній посудині з плоским дном, що стоїть на горизонтальній поверхні (мал. 3.67). Унаслідок текучості рідини її поверхня завжди горизонтальна (мал. 3.68). Тому відстань від поверхні рідини до дна h (глибина) скрізь однакова. Рідина своєю вагою діє на опору — дно посудини, в яку її налито, а отже, чинить певний тиск. Сила, з якою рідина тисне на дно посудини, дорівнює її вазі: F = P = mg, де m — маса рідини. За відомими густиною рідини р та її об’ємом V можна легко визначити її масу: m = pV. Щоб знайти об’єм рідини в посудині, слід

висоту h стовпчика рідини в посудині помножити на площу дна посудини S : V = hS, тоді F = P = mg = pVg = pghS.

Тепер легко одержати формулу для визначення тиску, який чинить рідина на дно посудини. Для цього силу, з якою рідина діє на дно (її вагу), необхідно поділити на площу дна:

або

Яких висновків можна дійти щодо вагового тиску рідини на дно посудини? З одержаної формули випливає, що тиск на дно посудини залежить від висоти стовпчика налитої рідини та її густини.

Перевіримо це на досліді. Візьмемо скляну трубку; один з її отворів затягнемо гумовою плівкою. Наливатимемо в неї воду (мал. 3.69). Чим вищий рівень рідини у трубці, тим більше прогинається гумова плівка.

Якщо в одну трубку із затягнутим плівкою дном налити воду, а в другу таку саму трубку налити до такого самого рівня розчин солі, густина якого більша за густину води, тиск на дно трубки із розчином виявиться більшим (мал. 3.70).

Зверніть увагу й на те, що у формулу не входить маса рідини. Отже, тиск рідини на дно посудини не залежить від маси рідини, налитої в посудину, її форми та

об’єму. Цей висновок відомий під назвою “гідростатичний парадокс”. Для його перевірки використовують посудини, в яких однакова площа нижнього отвору, але різні форма й об’єм. їх по черзі встановлюють у спеціальний прилад так, що дном цих посудин слугує одна й та сама гумова плівка. Коли в посудину наливають рідину, гумова плівка під дією ваги рідини прогинається й тисне на важіль, який закінчується стрілкою. Якщо у ці посудини наливати воду до однакового рівня, то стрілка встановлюється на одній і тій самій позначці, хоч об’єми (а отже, і вага) налитої в них води різні (мал. 3.71).

Легко переконатися, що рідина тисне не лише на дно, а й на стінки посудини, і цей тиск зростає з глибиною. Для цього на різній висоті у циліндричній посудині можна зробити невеликі отвори й налити в неї воду. Вода струменями почне витікати з цих отворів. Чим ближче отвір до дна посудини, тим більшою буде довжина струменя (мал. 3.72).

Сили тиску з боку рідини діють на будь-яку поверхню твердого тіла, що межує із нею: дно, стінки посудини, в якій перебуває рідина, поверхні занурених у них тіл. Цим силам притаманна низка особливостей.

1. За своєю природою сили тиску рідин — це сили пружності.

Унаслідок дії сили тяжіння молекули верхніх шарів тиснуть на нижчі, намагаючись зміститися у напрямку дії цієї сили. Проте відстані між молекулами рідин порівнянні з розмірами молекул, і сили взаємодії між ними значні. Невелике зменшення відстані між молекулами рідини зумовлює стрімке збільшення сил відштовхування. Рідини майже нестисливі. На дно і стінки посудини діє результуюча сила взаємодії усіх молекул рідини, зумовлена силою тяжіння, яка діє на кожну молекулу.

2.    Сили тиску з боку рідини завжди перпендикулярні до поверхні, на яку діють.

Подивіться на мал. 3.72. Струмені води, що б’ють з отворів, біля стінки посудини перпендикулярні до неї.

3.    Сили тиску розподілені по всій поверхні зіткнення твердого тіла з рідиною, тому вони залежать від розмірів цієі поверхні.

Щоб знайти силу, з якою рідина тисне на дно посудини, необхідно тиск, що чинить рідина на дно, помножити на площу дна посудини: F = pS = pghS.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Чому тверде тіло зберігає свою форму, а рідина набуває форми посудини, в яку її налито?

2.    Від чого і як залежить тиск рідини на дно посудини?

3.    Запишіть формулу для визначення тиску рідини на певній глибині,

4.    Чи правильне твердження: сила, з якою рідина тисне на дно посудини, може бути більшою від ваги рідини і меншою за неї?

5.    Воду налили в склянку так, що відстань від дна склянки до поверхні води становить 8 см. Який тиск чинить вода на дно склянки?

6.    Визначте тиск на глибині 0,6 м у воді, гасі, ртуті

7.    Глибина найглибшої океанської западини 10 900 м, густина океанської

води становить

Який тиск води на дні цієї западини?

8. Посудини з водою мають однакові площі дна: кожна 100 см² (мал. 3.73).

В якій з них тиск води на дно більший і у скільки разів? Якими є сили тисків, що діють на дно в кожній з посудин? Чи можна стверджувати, що сила тиску посудини на поверхню стола дорівнює силі тиску на дно посудини налитої в неї рідини? Відповідь обґрунтуйте.

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