Закон ПАскаля, Атмосферное давление_теоретический материал

Сообщающиеся сосуды. Закон Паскаля. Опыт Торричелли. Атмосферное давление 

 Давление – это физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности:

В СИ давление измеряется в паскалях (Па). Часто также используются внесистемные единицы давления:

Закон Паскаля. Внешнее давление, оказываемое на жидкость или газ, передается во всех направлениях одинаково и не зависит от ориентации площадки, на которую оно действует.

Давление, обусловленное весом жидкости (гидростатическое давление), зависит от глубины:

Примером поверхностных сил, для которых выполняется закон Паскаля, является сила атмосферного давления.

Атмосферное давление – это давление, которое оказывает воздух атмосферы на все тела; оно равно силе тяжести, действующей на столб воздуха с единичной площадью основания.

Опыт Торричелли продемонстрировал наличие атмосферного давления и впервые позволил его измерить. Этот опыт был описан в 1644 году.

В этом опыте длинная стеклянная трубка, запаянная с одного конца, наполняется ртутью; затем открытый конец ее зажимается, после чего трубка перевертывается, опускается зажатым концом в сосуд с ртутью и зажим снимается. Ртуть в трубке при этом несколько опускается, т.е. часть ртути выливается в сосуд. Объем пространства над ртутью в трубке называется торричелевой пустотой. (Давление паров ртути в торричелевой пустоте при 0°C составляет 0,025 Па.)

Уровень ртути в трубке одинаков независимо от того, как установлена трубка: вертикально или под углом к горизонту (рис. 5.1.3). При обычных нормальных условиях вертикальная высота ртути в трубке составляет h = 760 мм. Если бы вместо ртути трубка была заполнена водой, то высота     h = 10,3 м.

Приборы, применяемые для измерения атмосферного давления, называются барометрами. Простейший ртутный барометр представляет собой трубку Торричелли.

Для того, чтобы объяснить, почему трубка Торричелли действительно позволяет измерить атмосферное давление, обратимся к рассмотрению объемных сил и вычислению зависимости давления в жидкости от глубины h.

Давление в жидкости, создаваемое объемными силами, т.е. силой тяжести, называется гидростатическим давлением.

Атмосферное давление обусловлено весом воздушного столба. Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 ºC, называется нормальным атмосферным давлением и обозначается p₀.

Чтобы рассчитать это давление в паскалях, воспользуемся формулой гидростатического давления:

p = ρgh

Подставляя в эту формулу значения ρ = 13595,1 кг/м³(плотность ртути при 0 °С), g = 9,80665 м/с₂(ускорение свободного падения) и h = 760 мм = 0,76 м (высота столба ртути, соответствующая нормальному атмосферному давлению), получим следующую величину:

p = 101 325 Па.

Это и есть нормальное атмосферное давление.

Атмосферное давление, близкое к нормальному, наблюдается обычно в местностях, находящихся на уровне моря. С увеличением высоты над уровнем моря (например, в горах) давление уменьшается.

Единицы давления. В СИ – Па (паскаль): 1 Па = 1 Н/м²;

Внесистемные единицы: физическая (нормальная) атмосфера (атм) равна давлению столба ртути высотой 760 мм;миллиметр ртутного столба (мм. рт. ст.).

1мм. рт. ст. = r_рт.gh = (13,6×10³ кг/м³)×(9,81 м/с²)×(10^-3м) = 133 Па.

1 атм = 760 мм. рт. ст. = 1,01×10⁵ Па.

Сообщающиеся сосуды — сосуды, которые имеют соединяющую их часть и заполненные покоящейся жидкостью. В открытых сообщающихся сосудах уровень поверхностей однородной жидкости устанавливается на одинаковом уровне (при условии, что давление воздуха над поверхностью жидкости одинаково) и не зависит от формы сосудов.

 Слово «гидравлический» происходит от греческого «гидравликос» — водяной.

Таким образом, гидравлические машины — это машины, работа которых основана на законе Паскаля.

Давайте рассмотрим схему простейшей гидравлической машины.

Как видно из рисунка, она состоит из двух сообщающихся сосудов с разными площадями поперечного сечения, заполненных практически несжимаемой жидкостью, обычно маслом, и закрытых подвижными поршнями. Как работает гидравлическая машина? Для этого подействуем на малый поршень небольшой силой. Эта сила будет создавать давление на жидкость, которое по закону Паскаля передается во все точки жидкости. Значит и на большой поршень подействует такое же давление. Тогда сила давления, действующая на большой поршень, будет направлена вверх и равна произведению давления и площади большого поршня. Сравним силы, действующие на малый и большой поршни.

p₁ = p₂

F₁ = p₁S₁

F₂ = p₂S₂ = p₁S₂

Таким образом, можно сделать вывод о том, что гидравлическая машина дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз площадь поперечного сечения большого поршня больше площади поперечного сечения малого поршня. Это означает, что с помощью небольшой силы, приложенной к малому поршню гидравлической машины, можно уравновесить существенно большую силу, приложенную к большому поршню.

Гидравлическую машину, служащую для прессования, называют гидравлическим прессом. Он широко применяется в технике для обработки металлов, прессования фанеры, картона, древесностружечных плит. А в сельском хозяйстве гидравлический пресс используется для прессования сена, для выжимки масла из семян подсолнуха, кукурузы и т.д. Современные гидравлические прессы способны развивать силу в десятки и сотни миллионов Ньютонов. Прессуемое тело кладут на платформу, которая соединена с большим поршнем. С помощью малого поршня создается большое давление, которое, согласно закону Паскаля, передается в каждую точку жидкости, заполняющей цилиндры. Тогда и на большой поршень будет действовать такое же давление. Но так как площади поршней отличаются, то сила, действующая на большой поршень, будет больше силы, действующей на малый поршень. Под действием этой силы большой поршень будет подниматься. При его подъеме прессуемое тело упирается в неподвижную платформу и сжимается.

Из малого цилиндра в большой жидкость перекачивается с помощью поршневого жидкостного насоса. 

Поршневой жидкостный насос состоит из цилиндра, внутри которого находится плотно прилегающий к стенкам поршень. И в поршне, и в нижней части цилиндра располагаются клапаны, которые открываются только вверх. При движении поршня вверх жидкость под действием атмосферного давления поднимает нижний клапан и, двигаясь вслед за поршнем, входит в трубу. Когда поршень движется вниз, жидкость, находящаяся под поршнем, давит на нижний клапан, и он закрывается. В это же время, под давлением воды, открывается клапан в самом поршне, и жидкость переходит в пространство над поршнем. При следующем движении поршня вверх вместе с ним поднимается и находящаяся над ним жидкость, которая выливается в отводящую трубу. При этом за поршнем поднимается новая порция жидкости, которая при последующем опускании поршня, вновь окажется над ним.

Водопровод — сложная установка. С его помощью из одного общего центра снабжаются водой город, село, промышленные и сельскохозяйственные предприятия. Бытовой водопровод снабжает питьевой водой население, удовлетворяет бытовые нужды людей, работающих на заводах и фабриках. Промышленный водопровод удовлетворяет только промышленные и технологические нужды.  Принцип работы водопровода следующий: на вершине высокой башни устанавливается большой сосуд для накопления воды. От него протягивают трубы к домам, к потребителям. Концы труб в домах и квартирах закрываются кранами. давление в кране равно давлению столба воды высотой, равной разности высот крана и свободной поверхности воды в баке. Это давление бывает значительным, поскольку водонапорная башня устанавливается на самом высоком месте города, села и т.д. Принцип работы водонапорной башни основан на свойствах сообщающихся сосудов.Водопровод не может подать воду на высоту, превышающую высоту свободной поверхности воды в сосуде водонапорной башни. Вода из водоема наливается в сосуд, установленный на башне с помощью насоса. По пути к сосуду вода проходит через водосборник, отстойник, фильтры.

Первые водопроводы были сооружены несколько тысяч лет тому назад. В древнем Египте подземная вода из глубоких колодцев поднималась водоподъемниками и по керамическим и деревянным трубам подавалась потребителям. В древнем Риме использовалась более сложная система водоснабжения. Там трубы проходили через реку, дороги и т.д. В Западной Европе (Париж) водопровод с деревянными трубами был сооружен в конце ХУII века. В ХУIII веке начали сооружение водопровода в Англии. В Москве централизованный коммунальный водопровод построили в 1804 году. В Алматы первый деревянный водопровод появился в 1933 году, а с 1935 года началось плановое строительство водопроводов, в которых использовались железобетонные и керамические трубы. Археологические раскопки свидетельствуют о том, что в Казахстане водопровод из жженой керамики был построен в Х—ХII веках в городах Отраре и Таразе.

Это интересно!

1.Магдебургские полушария имеются у каждого человека: головки бедренных костей удерживаются в таком суставе атмосферным давлением.

2. Как мы дышим? Механизм дыхания заключается в следующем: мышечным усилием мы увеличиваем объем грудной клетки, при этом давление воздуха внутри легких уменьшается, и атмосферное давление вталкивает туда порцию воздуха. При выдыхании происходит обратное явление.

3.Как мы пьем? Приставив стакан к губам, начинаем тянуть жидкость в себя. Втягивание жидкости вызывает расширение грудной клетки, воздух в легких и полости рта разрежается, и атмосферное давление «загоняет» туда очередную порцию жидкости. Так организм человека приспосабливается к атмосферному давлению и использует его.

4. Атмосферное давление сказывается на передвижении по болотистой местности. Под ногой, когда мы ее поднимаем, образуется разреженное пространство и атмосферное давление препятствует вытаскиванию ноги (но это только одна из причин). Если по трясине передвигается лошадь, то твердые копыта ее действуют как поршни. Сложные же копыта свиней и жвачных животных, состоящие из нескольких частей, при вытаскивании ноги сжимаются (вследствие неравенства давлений снизу и сверху) и пропускают воздух в образовавшееся углубление. В этом случае ноги животных свободно вытягиваются из почвы.

5. Многие живые организмы, например, глисты, спруты, черви-сосальщики, пиявки и т.д. имеют присоски, при помощи которых они могут прилипнуть к любому предмету. Пиявки пользуются присосками для передвижения по дну водоема, осьминоги для схватывания добычи

Применение полученных знаний, решение качественных и экспериментальных задач.

1) Погрузите стакан в воду, переверните его под водой вверх дном и затем медленно вытаскивайте из воды. Почему, пока края стакана находятся под водой, вода остается в стакане (не выливается)?

2) Наполните стакан водой, закройте листом бумаги и, поддерживая лист рукой, быстро переверните стакан вверх дном. Если теперь отнять руку от бумаги, то вода из стакана не выльется. Бумага останется как бы приклеенной к краям стакана. Почему?

3) Почему давление атмосферы нельзя рассчитать так же, как рассчитывают давление жидкости на дно сосуда?

5) В 1654 г. Герике, произвел знаменитый опыт с «магдебургскими полушариями». На демонстрации опыта присутствовали император Фердинанд III и члены Регенсбургского рейхстага. В их присутствии, когда  из полости между двумя сложенными вместе металлическими полушариями выкачали воздух, их не смогли разъединить несколько пар лошадей. Объясните, почему?

Скачано с www.znanio.ru