Проект "Закон Паскаля"

Исследовательский проект

        по физике по теме

         «Закон Паскаля»

                                                                                         выполнил обучающийся 7 «Б» класса

                                                               филиала МОУ Нерльской СОШ д.Пенье

                                                                Лозинский Никита

                                                               руководитель: Ужова Елена

                                                               Александровна

                                                                            2022 г

Цель проекта:  изучить закон Паскаля и выяснить его применение на практике.

Задачи проекта: изучить биографию Паскаля, рассмотреть закон Блеза Паскаля, выяснить применение его в повседневной жизни.

Гипотеза: знание закона Паскаля позволит объяснить действие работы многих механизмов.

В курсе физики мы изучаем различные законы, решаем ряд задач, практически не связанных с бытом. И один из таких законов - закон Паскаля, где рассматривается зависимость давления столба жидкости от высоты, и решаем ряд задач. А знания по гидростатическому давлению можно вполне использовать и в быту.

Скажу, - совсем не сложный он.

Когда его закон прочтешь,

Конечно, ты поймешь,

Что у жидкости и газа

Давление заметно сразу,

И что оно скажу я вам,

Действует по сторонам.

Блез Паскаль (1623-1662) — французский математик, физик, религиозный философ и писатель. Сформулировал одну из основных теорем проективной геометрии. Работы по арифметике, теории чисел, алгебре, теории вероятностей.

Блез Паскаль — сын Этьена Паскаля и Антуанетты, урожденной Бегон, родился в Клермоне 19 июня 1623 года. Вся семья Паскалей отличалась выдающимися способностями. Что касается самого Блеза, он с раннего детства обнаруживал признаки необыкновенного умственного развития.

В 1631 году, когда маленькому Паскалю было восемь лет, его отец переселился со всеми детьми в Париж, продав по тогдашнему обычаю свою должность и вложив значительную часть своего небольшого капитала в Отель де-Билль.

Шестнадцати лет Блез Паскаль написал весьма примечательный трактат о конических сечениях, то есть о кривых линиях, получающихся при пересечении конуса плоскостью, — таковы эллипс, парабола и гипербола. От этого трактата, к сожалению, уцелел лишь отрывок.

Однако усиленные занятия вскоре подорвали и без того слабое здоровье Паскаля. В восемнадцать лет он уже постоянно жаловался на головную боль, на что первоначально не обращали особого внимания. Но окончательно расстроилось здоровье Паскаля во время чрезмерных работ над изобретенной им арифметической машиной.

Придуманная Паскалем машина была довольно сложна по устройству, и вычисление с ее помощью требовало значительного навыка. Этим и объясняется, почему она осталась механической диковинкой, возбуждавшей удивление современников, но не вошедшей в практическое употребление.

1970г был создан язык программирования, названный в честь Паскаля.

В 1643 году один из способнейших учеников Галилея, Торричелли, исполнил желание своего учителя и предпринял опыты по подъему различных жидкостей в трубках и насосах. Торричелли вывел, что причиною подъема как воды, так и ртути является вес столба воздуха, давящего на открытую поверхность жидкости. Таким образом, был изобретен барометр, и явилось очевидное доказательство весомости воздуха.

Эти эксперименты заинтересовали Паскаля. Опыты Торричелли, сообщенные ему Мерсенном, убедили молодого ученого в том, что есть возможность получить пустоту, если не абсолютную, то, по крайней мере, такую, в которой нет ни воздуха, ни паров воды. Отлично зная, что воздух имеет вес, Блез Паскаль напал на мысль объяснить явления, наблюдаемые в насосах и в трубках, действием этого веса. Главная трудность, однако, состояла в том, чтобы объяснить способ передачи давления воздуха.

Блез, напав на мысль о влиянии веса воздуха, рассуждал так: если давление воздуха действительно служит причиной рассматриваемых явлений, то из этого следует, что чем меньше или ниже, при прочих равных условиях, столб воздуха, давящий на ртуть, то  ниже будет стол ртути в барометрической трубке. Стало быть, если мы поднимемся на высокую гору, барометр должен опуститься, так как мы стали ближе прежнего к крайним слоям атмосферы и находящийся над нами стол воздуха уменьшился.

Паскалю тотчас же пришла мысль проверить это положение опытом, и он вспомнил о находящейся подле Клермона горе Пюи-де-Дом. 15 ноября 1647 года Блез Паскаль провел первый эксперимент. По мере подъема на Пюи-де-Дом ртуть понижалась в трубке — и так значительно, что разница на вершине горы и у ее подошвы составила более трех дюймов. Этот и другие опыты окончательно убедили Паскаля в том, что явление подъема жидкостей в насосах и трубках обусловлено весом воздуха. Оставалось объяснить способ передачи давления воздуха.

Наконец, Паскаль показал, что давление жидкости распространяется во все стороны равномерно и что из этого свойства жидкостей вытекают почти все остальные их механические свойства; затем Паскаль показал, что и давление воздуха по способу своего распространения совершенно подобно давлению воды.

Паскаль не оставил после себя ни одного цельного философского трактата, тем не менее в истории философии он занимает вполне определенное место. Философские мысли Паскаля (после его смерти в разных вариантах, под разными названиями издавались материалы в виде книги, которую чаще всего называют "Мысли") оказывали влияние на многих выдающихся людей и, в частности, на великих русских писателей – И.С.Тургенева, Ф.М.Достоевского, Л.Н.Толстого.

Ему принадлежит и идея омнибусов – общедоступных карет с фиксированными маршрутами – первого вида регулярного городского транспорта.

 Последние годы жизни Паскаля были рядом непрерывных физических страданий. Он выносил их с изумительным героизмом. Потеряв сознание, после суточной агонии Блез Паскаль умер 19 августа 1662 года, тридцати девяти лет от роду.

Закон Паскаля стал известен  в 1663 году.

Закон Паскаля формулируется так:

Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях

Именно это открытие легло в основу создания суперпрессов  с давлением свыше 750 000 кПа,  гидравлического привода, который в свою очередь обусловил появление гидроавтоматики, управляющей современными реактивными лайнерами, космическими кораблями, станками с числовым программным управлением, могучими самосвалами, горными комбайнами, прессами, экскаваторами.

В чём же заключается основной закон гидростатики или закон Паскаля? Попробуем в этом разобраться. Известно, что если некоторое твёрдое тело оказывает на некоторую поверхность давление, то при воздействии на это тело с какой-либо силой, тело передаёт это воздействие в виде давления ровно в направлении этого воздействия. То есть, если нажать на стол сверху вниз в том месте, где находится одна из его ножек, то его давление на пол усилится строго в направлении воздействия и только в том месте, где эта самая ножка касается пола. Давление на пол со стороны остальных ножек не изменится. Совсем не так, как оказалось, передаётся давление в жидкостях (и газах). Все мы знаем и легко можем проверить, что если воздействовать на жидкость (или газ) в какой-либо точке, то это воздействие будет передано одинаково во всех направлениях. В этом и заключается основной закон гидростатики — жидкость (или газ) передаёт оказываемое на неё давление одинаково во всех направлениях.

Паскаль  провел очень простой опыт: в закрытую бочку, наполненную водой, вставил длинную узкую трубку. Поднявшись на второй этаж, Паскаль через трубку влил в бочку всего лишь стакан воды. В это трудно поверить, но бочка развалилась на части! Почему это произошло? Вода в бочке заняла весь объем, и давление воды увеличилось настолько, что бочка лопнула. На основании этого опыта ученый пришел к выводу, что когда на поверхность жидкости или газа оказывается давление, это давление передается без изменения в любую точку жидкости или газа.

На мой взгляд,  самой зрелищной демонстрацией этого закона является эксперимент, в котором из пневматического ружья стреляют в куриное яйцо — сначала в варёное, в котором нет жидкости, а затем в сырое. Результат выстрела в варёное яйцо — два маленьких отверстия в скорлупке в направлении движения пули. Результат выстрела в сырое яйцо — его разрывание на множество осколков, разлетающихся во всех направлениях. Почему так происходит? В полном соответствии с законом Паскаля. В твёрдом варёном яйце давление передаётся только в направлении движения пули и яйцо остаётся целым и с двумя отверстиями, а в сыром яйце жидкость передаёт давление, создаваемое пулей, во всех направлениях одинаково, и скорлупа разлетается на осколки.

Изучив материал по теме, я решил провести ряд экспериментов, доказывающих действие закона Паскаля.

1. Взял пустую пластиковую бутылку, в боковых стенках  и внизу бутылки проколом отверстия иглой, затем заклеил скотчем дырки. Набрал  в нее воду, и отклеил скотч, из всех отверстий потекли струйки воды.

          2. При надувании воздушного шарика, он расширяется во все стороны одинаково.

          3.Ярким примером является еще надувание мыльных пузырей

          4. В полиэтиленовую перчатку (можно использовать пакет) набрал воды и завязал. Когда на нее надавил рукой, то она прорвалась, и вода вытекла. Однако заметим: перчатка прорвалась не обязательно в том месте, где на нее давил. Следовательно, давление, оказываемое на одну часть перчатки, распространяется в другие части.

Теперь рассмотрим, где в повседневной жизни применяется закон Паскаля. На основе закона Паскаля работают различные гидравлические устройства: тормозные системы, прессы, насосы, помпы и др. Закон Паскаля неприменим в случае движущейся жидкости (газа), а также в случае, когда жидкость (газ) находится в гравитационном поле; так, известно, что атмосферное и гидростатическое давление уменьшается с высотой. На основе изучения этого явления, открытого ученым, были созданы различные приборы и механизмы, в которых используется закон Паскаля.

Практически каждый день мы сталкиваемся с необходимостью перемещать какие-либо предметы. И нет никаких проблем, если вес этих предметов 3—5 или даже 10 кг! А вот что делать, если нужно поднять, например, машину на станции техобслуживания? Вот здесь и приходится прибегать к помощи специальных механизмов. Одним из них является гидравлический пресс. Гидравлический пресс позволяет получить большой выигрыш в силе даже в случае приложения незначительных усилий. Устройство представляет собой два сообщающихся цилиндра разного диаметра. Цилиндры заполняются маслом, водой или любой другой жидкостью. Сверху каждый цилиндр плотно закрыт поршнем.

Согласно закону Паскаля, давление распространяется одинаково по всем направлениям. Поэтому когда мы применяем силу, например, нажимаем на поршень малого цилиндра, то такое же давление передается на второй поршень, и машина поднимается.

Без применения закона Паскаля создание водопроводов, газо- и нефтепроводов не было бы возможным! Принцип работы этих сложных систем состоит в том, что давление, которое создается насосами для нагнетания воды, газа или нефти, без изменения передается по трубам от насоса до места назначения.

Гидравлический домкрат — еще один пример применения закона Паскаля в современной технике. Гидравлические домкраты используются для подъема очень тяжелых грузов в различных машинах: бульдозерах, пожарных подъемниках и прочих устройствах для выполнения различных работ на высоте. Гидравлический домкрат тоже состоит из двух сообщающихся цилиндрических сосудов разного диаметра, двух клапанов и подъемной платформы. Сосуды снабжены поршнями и заполнены маслом. При действии силы в узком сосуде создается избыточное давление, которое передается во все точки без изменения. Именно поэтому в широком цилиндре также создается избыточное давление. Под действием силы платформа домкрата поднимается вместе с расположенным на ней грузом.

В грузовых автомобилях и на железнодорожном транспорте используется пневматический тормоз. В вагонах метро с помощью сжатого воздуха открываются и закрываются двери. Использование воздушных систем на транспорте связано с тем, что даже в случае утечки воздуха из системы он будет восполняться за счет работы компрессора и система будет исправно работать.

Устройства, в которых применяется сжатый воздух, называются пневматическими. К ним относится, например, отбойный молоток, которым вскрывают асфальт, рыхлят мерзлый грунт, дробят горные породы. Под действием сжатого воздуха пика отбойного молотка делает 1000—1500 ударов в минуту большой разрушительной силы.

На производстве для ковки и обработки металлов используется пневматический молот и пневматический пресс.

На законе Паскаля основана и работа экскаватора, где применяются гидравлические цилиндры для приведения в движение его стрел и ковша

Для приведения раскрывающихся разводных мостов в движение применяют электромеханический или гидропривод

В опрыскивателях, используемых для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, давление нагнетаемого в сосуд воздуха на раствор яда - 500 000 Н/м2. Жидкость распыляется при открытом кране.

Пневматическая система водоснабжения. Насос подает в бак воду, сжимающую воздушную подушку, и отключается при достижении давления воздуха 400 000 Н/м2. Вода по трубам поднимается в помещения. При понижении давления воздуха вновь включается насос.

  Струя воды, выбрасываемая водометом под давлением 1 000 000 000 Н/м2, пробивает отверстия в металлических болванках, дробит породу в шахтах. Гидропушками оснащена и современная противопожарная техника.

Давление воздуха "раздувает" трубы, изготовленные в виде плоских металлических стальных лент, сваренных по кромкам. Это значительно упрощает прокладку трубопроводов различного назначения

Заправочный агрегат для снабжения тракторов горючим действует так: компрессор нагнетает воздух в герметически закрытый бак с горючим, которое по шлангу поступает в бак трактора.

Интересные вопросы по теме:

1.Для космонавтов пищу изготавливают в полужидком виде и помещают в тюбики с эластичными стенками. Что помогает космонавтам выдавливать пищу из тюбиков?

2.Как проще удалить вмятину с мячика для настольного тенниса?

3.Злобный джин, находящийся в газообразном состоянии внутри закупоренной бутылки, оказывает сильное давление на её стенки, дно и пробку. Чем же джин лупит во все стороны, если в газообразном состоянии не имеет ни рук, ни ног?  Какой закон разрешает ему это делать?

4.Мы надуваем мыльные пузыри. Почему они приобретают форму шара?

5.Почему взрыв снаряда под водой губителен для живущих в воде организмов?

6.Почему у глубоководных рыб при вытаскивании их на поверхность плавательный пузырь торчит изо рта?

7.Человек встаёт на резиновую камеру, наполненную воздухом. Может при этом камера лопнуть? Обязательно ли она лопнет в месте, где давят ноги человека? Как, с учётом закона Паскаля, объяснить пословицу: «Где тонко, там и рвётся»?

Веселые задачи от Григория Остера:

1.Как изменится давление в воздушном шарике средних размеров, если его сначала  бессовестно надуть, а потом, воспользовавшись его наивностью и доверием, очень крепко прижать  к груди?

2.Изменится ли давление в шинах вашего велосипеда, если вместо вас в седло сядет бабушка, да еще прокатит на раме дедушку?

Отрывок из сказки Н.Н. Носова «Незнайка на луне»:

«Незнайка и Пончик почувствовали, что комбинезоны, которые прежде плотно прилегали к телу, вдруг стали становиться просторнее, словно раздувались. Это объяснялось тем, что давление наружного воздуха исчезло из стенки скафандров стали испытывать лишь давление воздуха изнутри…»

В какой точке скафандра давление больше: в средней, нижней или у головы коротышек?

Это интересно:

Если у вас плохо вытекает вода из ванны, не хватайтесь за вантуз, а воспользуйтесь предложением  Б.Паскаля, сделанным 350 лет назад. Паскаль провёл опыт по гидростатическому давлению: в деревянную бочку, стянутую железными обручами и наполненную водой, плотно вставил длинную узкую трубку и налил в неё кружку воды – из щелей потекли струйки. Это явление гидростатического парадокса: гидростатическое давление не зависит от формы сосуда и массы жидкости. Вот и мы плотно вставим в сливное отверстие ванны металлическую или пластмассовую трубку, нальем в эту трубку воды побольше, и вода моментально протечёт.

Закон Паскаля, открытый в 17 веке, актуален и широко применяется и в наше время при  конструировании  технических устройств и механизмов, облегчающих работу человека.

Надеюсь, что собранные мной сведения будут интересны моим друзьям и одноклассникам и помогут лучше разобраться в законах физики.

Используемая литература:

1.С.В.Альтшулер. «Я познаю мир».

2.А.С.Иванов, А.Т. Проказа «Мир механики и техники»

3.И.Г.Кириллова. «Книга для чтения по физике»

4.Я.И.Перельман. «Занимательная механика. Знаете ли вы физику?»

5.Энциклопедический справочник школьника

6.Интернет-ресурсы