§ 31. Тиск твердих тіл на поверхню. Сила тиску

Ви вже знаєте, що дію одного тіла на інше характеризують прикладеною до нього силою. Від чого залежить результат дії цієї сили на тіло?

Спостереження 1. З власного досвіду ви знаєте, що дуже важко йти по глибокому пухкому снігу, оскільки ноги глибоко провалюються в нього, а на лижах пересуватися набагато легше, тому що просідання снігової поверхні в цьому разі значно менше. В обох випадках ви дієте на сніг з однаковою силою, але площа поверхні, на яку сила розподіляється, у лиж значно більша, ніж у взуття, тому й деформація снігу виявляється різною. Стоячи на лижах, ви тиснете на кожну одиницю площі поверхні снігу із силою, меншою у стільки разів, у скільки площа поверхні лиж більша за площу підошв взуття.

Спостереження 2. Легковий автомобіль, на відміну від гусеничного трактора або болотохода, не може проїхати по болотистій місцевості, хоча його вага набагато менша від ваги трактора. Розглянувши колеса легкового автомобіля і гусениці трактора, можна пересвідчитися в тому, що площа поверхні гусениць набагато більша, ніж коліс.

Результат дії сили на поверхню залежить не тільки від її значення, а й від площі тієї поверхні, перпендикулярно до якої вона діє.

Переконаємося в цьому за допомогою дослідів.

Дослід 1. Заповнимо скляну посудину піском. На пісок поставимо столик ніжками вгору і на нього - гирю масою 2 кг. Результат: столик майже не вгрузає в пісок (мал. 149, а).

Поставимо столик ніжками на пісок і на нього - знову гирю масою 2 кг. Результат: ніжки стола вгрузнуть у пісок (мал. 149, б).

Візьмемо столик із загостреними ніжками. Поставимо його ніжками на пісок, поклавши зверху ту саму гирю масою 2 кг. Результат: загострені ніжки повністю вгрузли в пісок (мал. 149, в).

Дослід свідчить, що менша площа опори столика, то глибше він вгрузає в пісок під дією тієї самої сили.

Дослід 2. Візьмемо два столики. Площа поверхні ніжок одного столика вдвічі більша, ніж другого. Покладемо на столики вантаж, причому на столик з більшою площею поверхні ніжок покладемо вдвічі більший вантаж. Результат дії сили буде однаковий.

У розглянутих прикладах значення мала сила, що діє перпендикулярно до поверхні тіла. Таку силу називають силою тиску.

Величину, що визначають відношенням значення сили тиску до площі поверхні, на яку вона діє, називають тиском.

Тиск позначають малою латинською літерою р. Отже, щоб визначити тиск р, треба силу F, що діє перпендикулярно до поверхні, поділити на площу цієї поверхні S, тобто:

Одиницею тиску є один паскаль (1 Па), яку названо на честь французького вченого Блеза Паскаля. Тиск 1 Па створює сила тиску 1 Н, що діє на

поверхню площею 1 м², тобто

На практиці ще використовують кратні одиниці тиску: гектопаскаль (гПа), кілопаскаль (кПа):

1 гПа = 100 Па; 1 кПа = 1000 Па.

Знаючи тиск, можна визначити силу тиску, що діє на поверхню тіла. Тиск показує, яка сила тиску діє на одиницю площі, тому ця сила тиску дорівнює добутку тиску й площі поверхні:

Усім добре відомо, що під час шиття голкою швачки користуються наперстком. Голку роблять дуже гострою, щоб помірною силою пальців створювати великий тиск на тканину і проколювати її. Але під час натискання пальця на голку вона з такою самою силою тисне на палець. Кінець голки з боку вушка роблять притупленим, але під час роботи тиск на шкіру пальця може бути дуже великим, достатнім, щоб її поранити. Міцний металевий наперсток надійно захищає палець.

Чому подушка м’яка? Чому зручно лежати на перині або на надувному матраці, а лежати на дошках або твердій поверхні незручно? Виявляється, відчуття м’якості або твердості залежить не від властивості матеріалу, а від значення тиску на поверхню тіла. Зробимо невеликі розрахунки.

Будемо вважати, що маса дорослої людини дорівнює 60 кг, що відповідає вазі приблизно 600 Н, а поверхня тіла - приблизно 2 м². Якщо людина лежить у ліжку на перині, яка прогинається і ніби охоплює тіло, з нею стикається приблизно чверть усієї поверхні її тіла, тобто 0,5 м². За підрахунком такі дані відповідають тиску 1200 Па. А якщо людина ляже на тверду поверхню, то площа стикання становитиме близько 0,01 м². Це відповідає тиску 60 000 Па, тобто тиск тіла на тверду поверхню більший у 50 разів, звідси й незручності.

У різноманітних галузях сучасної техніки доводиться розв’язувати завдання щодо одержання високих тисків, зниження тиску або збереження його в заданих умовах. Проблема тиску відіграє важливу роль на транспорті. Залізниці й дороги мають надійно витримувати тиск різних транспорт

них засобів. Цього досягають, зменшуючи вагу транспортних засобів і збільшуючи їх площу опори. Колеса легкового автомобіля чинять на дорогу тиск близько 300 кПа. Щоб зменшити тиск на дорогу вантажних автомобілів, їх роблять багатовісними, з колесами великого діаметра, використовують гусениці. Так, тиск, що створює сучасний трактор, вага якого сотні тисяч ньютонів, дорівнює 27 кПа. Це в 1,5 раза більше від тиску, який чинить на дорогу людина вагою 600 Н.

За допомогою надзвичайно тонкого інструмента - жала - оса створює тиск, сумірний з тиском під час вибуху (33 000 000 000 Па).

Це цікаво знати

¹ В Арктиці й Антарктиці на наукових станціях користуються такими транспортними засобами, як снігоходи «Пінгвін» і «Харків'янка». Снігохід «Харків'янка» має дизельний двигун потужністю 736 кВт і запас пального на 1500 км. При масі 35 т він має гусениці завширшки 1 м, що дає йому змогу долати снігову цілину, льодові тороси, круті схили. Снігохід має утеплену кабіну площею 25 м² з потужною опалювальною системою, спеціальною герметичною обшивкою, тому працювати в ньому можна навіть при морозах нижче від -70 °С. У кабіні є спальні місця, радіорубка, робоча кімната, кухня, сушарка, гардероб, санвузол. Розміри снігохода такі: довжина - 8,5 м, ширина - 3,5 м, висота -4,2 м. Максимальна швидкість його руху дорівнює 30 км/год. У задній частині снігохода розміщено лебідку для самовитягування і трос завдовжки 100 м. Снігохід може тягнути за собою причіп масою 70 т. Провалюючись в ополонку, снігохід не тоне, він сам за допомогою гусениць може вийти на лід.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1.    Чому по снігу легше рухатися на лижах, ніж без них?

2.    Чому гусеничний трактор не грузне у вогкому ґрунті, а легковий автомобіль грузне?

3.    Що називають тиском? Як визначають тиск?

4.    Як можна визначити силу тиску?

5.    Як можна збільшити тиск? Зменшити тиск?

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

Розв’язуємо разом

1.    З якою метою під голівку болта і гайку підкладають широкі металеві кільця - шайби, особливо коли скріплюють дерев’яні деталі (мал. 150)?

Відповідь: щоб уникнути пошкоджень деталей, зменшують на них тиск за рахунок збільшення площі поверхні дотику.

2.    Доросла людина, яка має площу підошов взуття 450 см², тисне на підлогу із силою 700 Н. Визначте тиск людини на підлогу.

Відповідь: тиск людини на підлогу дорівнює 15 556 Па.

Рівень А

181.    Чому тупим ножем важко застругувати олівець? Чому важко працювати затупленими інструментами під час обробки дерева?

182.    Під натиском пальця кнопка порівняно легко входить у дерев’яну стіну. Чому цього не можна зробити із цвяхом? Як діють у цьому разі?

183.    З якою метою під залізничні рейки підкладають шпали та металеві підкладки?

184.    Для чого зігнуто верхній край лопати, на який натискують ногою?

185.    Одне відро з водою має на дужці дерев’яну ручку, а інше - ні. Під час піднімання якого з відер створюватиметься більший тиск на руку?

186.    Під час шиття сила тиску дорівнює 2 Н, а тиск голки на тканину дорівнює 200 000 000 Па. Яка площа дотику голки?

187.    Яке з наведених значень тиску є найбільшим, а яке найменшим: 6 Н/м², 60 кН/см², 600 Па?

188.    Тиск вовка на пухкий сніг дорівнює 12 000 Па, а тиск зайця -1200 Па. Кому легше рухатися по снігу?

189.    Тиск штормового вітру на перешкоду досягає 100 Па. Визначте силу, з якою силою вітер тисне на стіну будинку площею 24 м².

190.    Як створити тиск 50 000 Па, діючи силою лише 1000 Н?

Рівень Б

191.    Людина провалилася під лід. Як треба діяти, спираючися на знання про тиск, щоб врятувати її?

192.    Який тиск чинить на рейки чотиривісний вагон масою 60 т, якщо площа стикання одного колеса з рейкою 10 см²?

193.    Як людина, що стоїть на підлозі, може дуже швидко подвоїти тиск на підлогу, не навантажуючи себе ніякими додатковими вантажами?

194.    Площа ступні людини - 180 см². Який тиск створює людина масою 70 кг, якщо вона стоїть на обох ногах? На одній нозі?

195.    Тиск на кінчику жала бджоли в момент укусу дорівнює приблизно 3 200 000 000 Па. У скільки разів цей тиск більший за тиск людини на підлогу? (Дивіться умову попередньої задачі).

196.    Ейфелева вежа в Парижі, маса якої 9000 т, створює тиск на ґрунт 200 000 Па. Яка площа опори вежі?

197.    У кар’єрах під час добування і перевезення руди застосовуються потужні навантажувачі й вантажні автомобілі (мал. 151). Чому в навантажувачах і вантажних автомобілях використовують шини великих розмірів, які більші за зріст людини й широкі? Для чого на колеса навантажувача надівають спеціальні металеві сітки? Яка роль протекторів на колесах автомобілів?

198.    Який тиск створюватиме цеглина розміром 26 х 13 х 6,5 см і масою 3,5 кг, коли спиратиметься на різні грані?

199.    Коток, який ущільнює покриття під час будівництва доріг, створює тиск 400 000 Па. Площа опори котка 0,12 м². Яка маса цього котка?

200. Стіл масою 60 кг має ніжки квадратної форми. Спочатку стіл стояв правильно, а потім його перевернули (мал. 152). Визначте тиск, який створює на горизонтальну поверхню стіл у першому й другому положеннях. У скільки разів і чому змінився тиск стола на горизонтальну поверхню? Стіл і рулетку зображено в одному і тому самому масштабі.

201.    Для збільшення прохідності автомобіля по м’якому ґрунту рекомендується зменшувати тиск у шинах. По сліду (протектора) шини визначте, у скільки разів змінився тиск шини на поверхню дороги (мал. 153).

202.    Хлопчик, маса якого 30 кг, стоїть на дерев’яному щитку (мал. 154), вагою якого можна знехтувати. Визначте тиск, який створює хлопчик на болотисту поверхню, стоячи на щиті.

Це матеріал з підручника Фізика 7 клас Сиротюк