Школяр UA

Тиск твердих тіл, рідин, газів

Поняття тиску. Тиск твердих тіл і рідин

Тиском р (від англ. pressure) називається величина, яка чисельно дорівнює значенню сили, що діє на одиницю площі поверхні перпендикулярно до цієї поверхні: .
Одиниця вимірювання тиску — паскаль, . Приклад: йдучи по снігу у черевиках, людина чинить на снігову поверхню значно більший тиск, ніж рухаючись на лижах.

Стовпчик рідини висотою h у посудині чинить на її дно тиск , де — густина рідини.
Тиск у нерухомих рідинах називають статичним тиском. У рухомих середовищах до нього приєднується динамічний тиск.

Тиск газів. Пояснення тиску газів на основі молекулярно-кінетичних уявлень

Тиск стовпа повітря теж пов’язаний із тяжінням, але власний тиск газу має кінетичну природу. Тиск газу на внутрішню поверхню балону спричиняється ударами величезної кількості молекул газу і залежить від щільності розташування молекул (від густини газу), а також від енергії ударів окремих молекул (від температури газу). Зменшення густини газу і зниження температури зменшують власний тиск газу.

Закон Паскаля. Сполучені посудини

Закон Паскаля: зовнішній тиск на газ або рідину передається ними у всіх напрямках однаково (тобто рівномірно, без змін).
Закон Паскаля лежить в основі закону сполучених посудин.
Закон сполучених посудин
1. Будь-яка рідина встановлюється у сполучених досить широких (некапілярних*) посудинах на одному рівні незалежно від їх числа, розмірів та нахилу до горизонту.

2. У сполучених посудинах висоти різнорідних незмішуваних рідин обернено пропорційні їх густинам: .

Атмосферний тиск. Дослід Торрічеллі

Італійський учений Галілео Галілей першим збагнув, що оточуючий Землю товстий шар повітря (атмосфера) своєю вагою тисне на поверхню Землі, тобто створює атмосферний тиск, і що саме цей тиск обмежує максимальну висоту підіймання води в трубі при відкачуванні з глибини (ця висота водяного стовпа становить 10,34 м).
Справедливість здогадки Галілея довели його учні — Еванджеліста Торрічеллі й Вінченцо Вівіані. Перший із них запропонував використовувати для вимірювання атмосферного тиску не воду, а ртуть, густина якої в 13,6 разу перевищує густину води, що дозволило значно зменшити розміри експериментальної установки, а другий у 1643 р. провів дослід, відомий під назвою досліду Торрічеллі.

 

Вівіані наповнив ртуттю скляну трубку завдовжки 1 м, запаяну з одного кінця, затулив її отвір і трохи занурив трубку догори дном у чашу зі ртуттю. Після відкривання отвору частина ртуті вилилась у чашу, а рівень ртуті в трубці зупинився на висоті приблизно 76 см від її поверхні в чаші. При цьому тиск атмосфери, який передавався ртуті в трубці через ртуть у чаші, зрівноважився тиском стовпчика ртуті.
Значення нормального атмосферного тиску в CI: Па 100 кПа; у позасистемних одиницях цей тиск становить 760 мм рт. ст.
Людина майже не відчуває атмосферного тиску, бо цей тиск урівноважується тиском зсередини її тіла.

Барометр-анероїд. Зміна атмосферного тиску з висотою

Барометри — це прилади для вимірювання атмосферного тиску; «анероїд» означає «невологий» (тобто не рідинний).
Барометр-анероїд (див. рисунок) складається з камери К, повітря в якій розріджують (створюють вакуум). Хвиляста, гнучка кришка камери відіграє роль мембрани М. За допомогою передавального механізму вона з’єднана з пружиною П і стрілкою С.

У разі збільшення тиску атмосфери мембрана прогинається всередину, у разі зменшення — вигинається назовні. Ці деформації мембрани змінюють положення стрілки на шкалі.
Тиск повітря p на значних висотах h (у горах, навіть на верхніх поверхах висотних будинків) помітно менший, ніж поблизу поверхні Землі.
Зменшення тиску зі збільшенням висоти пояснюється щонайменше двома причинами: 1) зменшенням товщини шару повітря (тобто висоти повітряного стовпа), що створює тиск; 2) зменшенням густини повітря з висотою внаслідок зменшення сили тяжіння при віддаленні від центра Землі.

Манометри

Манометри — це прилади для вимірювання тисків газів у деяких посудинах (наприклад, у балонах). Більшість манометрів створено для вимірювання тисків, значно більших за атмосферний, але існують манометри спеціальної конструкції (мановакууметри), які дозволяють вимірювати тиски, значно нижчі за атмосферний.
Рідинні манометри дозволяють вимірювати різницю між досліджуваним тиском газу і тиском атмосферного повітря. За своєю конструкцією рідинні манометри (а) дуже схожі на рідинні (найчастіше ртутні) барометри (б).
Принцип будови та дії металевих манометрів зручно розглянути на прикладі манометра Бурдона (в). Його основною частиною є гнучка зігнута металева трубка Т. Газ, створюючи тиск всередині трубки, деякою мірою розпрямлює її (це схоже на дію повітря в дитячій іграшці), що приводить у дію систему зубчастих коліщат і важелів, які обертають стрілку С на кут тим більший, чим більшим є вимірюваний тиск.

Архімедова сила. Умови плавання тіл

Відповідно до закону Паскаля, сили тиску з боку рідини діють як на бічну поверхню зануреного тіла, так і на обидві його основи. Сили атмосферного тиску, які однаково додаються до всіх гідростатичних сил, зрівноважуються.
Якби тіло було занурене в рідину так, що його верхня частина була б на одному рівні з вільною поверхнею рідини (а), то сила гідростатичного тиску діяла б лише на основу (адже сили тиску на бічні ділянки поверхні тіла взаємно компенсуються). Ця сила, напрямлена вертикально вгору, називається виштовхувальною силою, або силою Архімеда (на честь грецького вченого) і чисельно дорівнює вазі P стовпчика рідини (висотою h і площею S), тобто вазі рідини в об’ємі зануреної в рідину частини тіла (б):
.

Якщо занурене в рідину тіло однорідне і має правильну форму, наприклад циліндричну чи кулясту, то сила тяжіння і сила Архімеда прикладені в спільній точці, яка збігається з центром симетріїтіла. На рисунку (а) зображено неоднорідне тіло, яке при зануренні в рідину зайняло місце в просторі, де до цього знаходилася рідина (б). На позначений пунктиром елемент рідини діяли сила тяжіння і сила Архімеда , прикладені в спільній точці С1, яка відповідає центру симетрії цього елемента. На розглядуване тіло (а) сила Архімеда діє (на відміну від сили ) не в точці С, а в точці D, яку називають центром тиску.

Отже, у загальному випадку закон Архімеда можна сформулювати так: на занурене в рідину (або в газ) тіло діє виштовхувальна сила (сила Архімеда), яка чисельно дорівнює вазі витісненої тілом рідини (або газу) і прикладена в центрі тиску.
Якщо , де — сила тяжіння, то тіло в рідині тоне. Якщо , тіло спливає (різницю називають підіймальною силою), а якщо , тіло плаває (всередині рідини чи на її поверхні).

 

© 2009-2019 Школяр UA

Натисніть клавішу Enter для пошуку
Натисніть клавішу Enter для пошуку