Давление газов и жидкостей. Закон Паскаля
Почему при надувании резинового воздушного шарика увеличивается его объем? Ответ понятен: в шарике становится больше воздуха. А можно ли увеличить объем шарика без того, чтобы его надувать? Почему налитая в сосуд жидкость создает давление не только на дно сосуда, но и на его боковые поверхности? Почему водитель, нажимая на тормоз, может остановить тяжелый автомобиль? Попробуем «разгадать» эти загадки.
Узнаем, почему газы создают давление
Положим слегка надутый завязанный воздушный шарик под колокол воздушного насоса (рис. 23.1, а). Если из-под колокола откачивать воздух, объем шарика будет увеличиваться (рис. 23.1, б). Почему это происходит?
И снаружи шарика, и внутри него находится воздух (газ). Газ состоит из частиц (атомов и молекул), которые непрерывно движутся во всех направленияхи «бомбардируют» резиновую пленку, создавая на нее давление (рис. 23.2). Понятно, что сила удара одной частицы очень мала. Однако частиц в газе очень много — всего за 1 секунду количество их ударов по поверхности пленки таково, что для его записи требуется число с 23 нулями! Поэтому общая сила, с которой ударяет такое огромное количество частиц, является значительной.
Воздух внутри и снаружи шарика оказывает давление соответственно на внутреннюю и внешнюю поверхности резиновой пленки. Если эти давления одинаковы, резиновая пленка не растягивается. А вот если давление внутри шарика становится больше внешнего давления, то шарик увеличивает свой объем. Надеемся, теперь вы сможете объяснить, почему воздушный шарик раздувается и тогда, когда мы его надуваем, и тогда,
когда откачиваем воздух снаружи шарика.
Выясняем, от чего зависит давление газов
Давление газа создается ударами его частиц, поэтому увеличение как количества ударов, так и силы ударовприводит к увеличению давления газа. Следовательно, давление газов можно увеличить двумя способами.
Первый способ — увеличить плотность
газа
Для этого можно добавить газ
в сосуд (увеличить массу тгаза), а можно уменьшить объем Vсамого сосуда (рис. 23.3).
Второй способ — увеличить температуру газа. Чем выше температура газа, тем быстрее движутся его частицы. Удары частиц о стенки сосуда становятся чаще, сила их ударов возрастает, и в результате давление газа в сосуде увеличивается.
Соответственно уменьшение давления газа будет происходить при уменьшении плотности или температуры газа.
Исследуем давление жидкостей
В отличие от твердых тел жидкости легко изменяют свою форму — они приобретают форму того сосуда, в котором находятся, другими словами, жидкости текучи. Именно поэтому жидкости оказывают давление и на дно, и на боковые стенки сосуда, в котором находятся (в отличие от твердых тел, которые оказывают давление только на ту часть поверхности, на которую опираются). Если в боковой стенке сосуда, заполненного жидкостью, сделать отверстия, то жидкость польется через них (рис. 23.4).
Следствием текучести жидкостей является также то, что на любое погруженное в жидкость тело жидкость давит со всех сторон.
Открываем закон Паскаля
Благодаря своей текучести жидкость способна передавать давление по всему объему сосуда, в котором находится. Сделав иглой небольшие отверстия в полиэтиленовом пакете, наберем в пакет воду и завяжем. Нажмем на пакет — вода будет выливаться из всех отверстий (рис. 23.5). Аналогичный эксперимент можно провести с воздухом или другим газом (рис. 23.6). Опираясь на подобные опыты, французский физик Б. Паскаль открыл закон, который сейчас называется закон Паскаля:
давление, оказываемое на неподвижную жидкость, передается жидкостью одинаково во всех направлениях.
То же самое можно сказать о газах.
Применяем закон Паскаля
Свойство жидкостей и газов передавать давление во всех направлениях мы наблюдаем в повседневной жизни; это свойство широко используют в технике. Благодаря ему мы имеем возможность слышать, ведь воздух передает звук; работает наша сердечно-сосудистая система, ведь несмотря на то, что кровеносные сосуды имеют большое количество изгибов, давление, создаваемое сердцем, передается во все части тела.
На законе Паскаля основана система торможения многих транспортных средств, действие домкратов, насосов и других гидравлических машин.
Рассмотрим принцип действия гидравлических машин на примере гидравлического пресса, который применяют для прессования фанеры и картона, отжима растительных масел, изготовления деталей машин и механизмов и т. п.
Гидравлический пресс — это простейшая гидравлическая машина, которую используют для создания больших сил давления.
Гидравлический пресс состоит из двух соединенных между собой цилиндров разного диаметра, заполненных рабочей жидкостью (чаще машинным маслом) и закрытых подвижными поршнями (см. рис. 23.7).
Если к поршню меньшего цилиндра приложить силу Е (см. рис. 23.7, б), то эта сила создаст на поверхность жидкости некоторое дополнительное давление p:
где — площадь меньшего поршня.
Согласно закону Паскаля это дополнительное давление будет передаваться во все точки жидкости, заполняющей сообщающиеся цилиндры. Следовательно, жидкость начнет давить на поршень большего цилиндра с некоторой силой Е2:
где Я2 — площадь большего поршня; р — дополнительное давление.
сила давления, которая действует со стороны жидкости на большой поршень, больше силы, которая действует на малый поршень, во столько раз, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого:
Гидравлический пресс позволяет получить значительный выигрыш в силе: чем больше будут различаться между собой площади поршней, тем большим будет выигрыш в силе(рис. 23.7).
По такому принципу работают и другие гидравлические инструменты и устройства. Так, гидравлический подъемник позволяет, приложив небольшую силу, поднять тяжелый автомобиль (рис. 23.8), гидравлический тормоз позволяет остановить автомобиль, приложив незначительную силу давления ноги, и т. д.
Опираясь на рис. 23.8, попробуйте разобраться, как работает гидравлический подъемник.
>Подводим итоги
Газ оказывает давление на поверхность в результате многочисленных ударов об эту поверхность частиц газа. Давление газа возрастает при увеличении плотности или температуры газа и уменьшается при уменьшении плотности или температуры газа.
Вследствие своей текучести жидкость оказывает давление на дно и боковые стенки сосуда, а также на любое тело, погруженное в данную жидкость.
Давление, оказываемое на неподвижную жидкость, передается этой жидкостью одинаково во всех направлениях (закон Паскаля).
Свойство жидкостей передавать давление одинаково во всех направлениях положено в основу действия гидравлических машин.
Сила, действующая со стороны жидкости на большой поршень гидравлической машины, больше силы, действующей на малый поршень, во столько раз, во сколько раз площадь большого поршня больше площади
малого:
1. Как можно доказать на опыте, что газы оказывает давление на стенки сосуда, в котором находятся? 2. В чем причина давления газов? 3. Почему давление газов возрастает с увеличением их плотности? 4. Как изменяется давление газов при увеличении или уменьшении их температуры? Ответ поясните. 5. Почему жидкость оказывает давление не только на дно сосуда, но и на его боковые стенки? 6. Сформулируйте закон Паскаля. 7. Докажите, что свойство жидкостей и газов передавать давление во всех направлениях имеет большое значение в нашей жизни. 8. Что такое гидравлический пресс и где его применяют?
Упражнение № 23
1. Как будет изменяться давление в воздушном шарике, если его сначала надуть, а потом сильно сжать? Можно ли предусмотреть, в каком месте лопнет шарик?
2. Почему нельзя допускать чрезмерного нагревания газовых баллонов (даже с негорючим газом)?
3. Изменится ли, и если изменится, то как, давление в шинах велосипеда, если вы решите прокатить на нем своего приятеля (см. рис. 1)?
4. В нефтяной промышленности для поднятия нефти на поверхность земли используют сжатый воздух, который компрессорами нагнетают в пространство над поверхностью нефтеносного пласта. На каком законе основан этот способ? Поясните свой ответ.
5. Почему взрыв снаряда под водой губителен для обитающих в воде живых существ?
6. Если выстрелить из мелкокалиберного ружья в вареное яйцо, то в яйце образуется отверстие. Если выстрелить в сырое — яйцо разлетится. Объясните это явление.
7. В цилиндре под поршнем площадью 80 см2 находится вода. Груз какой массы нужно разместить на поршне, чтобы давление воды на дно цилиндра возросло на 2 кПа?
8. Площадь малого поршня гидравлической машины — 15 см2, большого — 3 дм2. Какова наибольшая масса груза, который можно поднять с помощью этой машины, если к малому поршню приложить силу 200 Н?
9. Какие изменения будут происходить с уровнем жидкости в запаянной сверху трубке (рис. 2), если трубку охлаждать? нагревать?
10. Под действием силы 300 Н малый поршень гидравлической машины опустился на 4 см, а большой поднялся на 1 см.
Определите силу, действовавшую на большой поршень.
11. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, узнайте о работе гидравлических устройств (например, гидравлической системе торможения автомобиля, гидравлических ножницах, пневматических опрыскивателях для борьбы с сельскохозяйственными вредителями). Подготовьте сообщение об одном из устройств.
1. «Быстрый ремонт». Возьмите теннисный шарик, на поверхности которого есть вмятина, и выпрямите ее, погрузив шарик на некоторое время в горячую воду. Что выдавит вмятину изнутри?
2. «Мыльные пузыри». Надуйте несколько мыльных пузырей. Почему они имеют форму шара?
Физика и техника в Украине
Институт механики им. с. П. Тимошенко НАН Украины
(Киев), основанный в 1918 г., — один из ведущих в Украине и известный во всем мире исследовательский центр. основные направления научной деятельности института: механика неоднородных сред, динамика и устойчивость механических систем, механика разрушения и усталость материалов.
теоретические и экспериментальные результаты исследований сотрудников института находят применение в ракетно-космической, авиационной, судостроительной и других отраслях промышленности. В институте сформировались всемирно признанные школы механики, в частности школа тимошенко, школа Крылова — Боголюбова — митропольского, школа Гузя.
Это материал учебника Физика 7 класс Барьяхтар, Довгий
Автор: admin от 24-01-2017, 07:53, Переглядів: 2886