Формула для обчислення тиску твердого тіла. Завдання на розрахунок тиску твердих тіл. Що називається тиском у фізиці і хімії
Людина на лижах, і без них.
По пухкому снігу людина йде з великими труднощами, глибоко провалюючись при кожному кроці. Але, надівши лижі, він може йти, майже не провалюючись в нього. Чому? На лижах або без лиж людина діє на сніг з однієї і тієї ж силою, що дорівнює своїй вазі. Однак дія цієї сили в обох випадках по-різному, тому що різна площа поверхні, на яку тисне людина, з лижами і без лиж. Площа поверхні лиж майже в 20 разів більша за площу підошви. Тому, стоячи на лижах, людина діє на кожен квадратний сантиметр площі поверхні снігу із силою, в 20 разів меншою, ніж стоячи на снігу без лиж.
Учень, приколюючи кнопками газету до дошки, діє на кожну кнопку з однаковою силою. Однак кнопка, що має більш гострий кінець, легше входить в дерево.
Значить, результат дії сили залежить не тільки від її модуля, напрямку і точки прикладання, але і від площі тієї поверхні, до якої вона прикладена (перпендикулярно якої вона діє).
Цей висновок підтверджують фізичні досліди.
Опит.Результат дії цієї сили залежить від того, яка сила діє на одиницю площі поверхні.
По кутах невеликий дошки треба вбити цвяхи. Спочатку цвяхи, вбиті в дошку, встановимо на піску вістрями вгору і покладемо на дошку гирю. В цьому випадку капелюшки цвяхів лише незначно вдавлюються в пісок. Потім дошку перевернемо і поставимо цвяхи на вістря. У цьому випадку площа опори менше, і під дією тієї ж сили цвяхи значно поглиблюються в пісок.
Досвід. Друга ілюстрація.
Від того, яка сила діє на кожну одиницю площі поверхні, залежить результат дії цієї сили.
У розглянутих прикладах сили діяли перпендикулярно поверхні тіла. Вага людини був перпендикулярний поверхні снігу; сила, що діяла на кнопку, перпендикулярна поверхні дошки.
Величина, що дорівнює відношенню сили, що діє перпендикулярно поверхні, до площі цієї поверхні, називається тиском.
Щоб визначити тиск, треба силу, діючу перпендикулярно поверхні, розділити на площу поверхні:
тиск \u003d сила / площа.
Позначимо величини, що входять в цей вираз: тиск - p, Сила, що діє на поверхню, - F і площа поверхні - S.
Тоді отримаємо формулу:
p \u003d F / S
Зрозуміло, що більша за значенням сила, що діє на ту ж площу, буде виробляти більший тиск.
За одиницю тиску приймається такий тиск, який виробляє сила в 1 Н, що діє на поверхню площею 1 м 2 перпендикулярно цієї поверхні.
Одиниця тиску - ньютон на квадратний метр (1 Н / м 2). В честь французького вченого Блеза Паскаля вона називається паскалем ( па). Таким чином,
1 Па \u003d 1 Н / м 2.
Використовується також інші одиниці тиску: гектопаскалях (гПа) і кілопаскалях (кПа).
1 кПа \u003d 1000 Па;
1 гПа \u003d 100 Па;
1 Па \u003d 0,001 кПа;
1 Па \u003d 0,01 гПа.
Запишемо умову задачі і вирішимо її.
дано : M \u003d 45 кг, S \u003d 300 см 2; p \u003d?
В одиницях СІ: S \u003d 0,03 м 2
Рішення:
p = F/S,
F = P,
P = g · m,
P \u003d 9,8 Н · 45 кг ≈ 450 Н,
p \u003d 450 / 0,03 Н / м 2 \u003d 15000 Па \u003d 15 кПа
"Відповідь": p \u003d 15000 Па \u003d 15 кПа
Способи зменшення й збільшення тиску.
Важкий гусеничний трактор виробляє на грунт тиск рівне 40 - 50 кПа, т. Е. За все в 2 - 3 рази більше, ніж тиск хлопчика масою 45 кг. Це пояснюється тим, що вага трактора розподіляється на більшу площу за рахунок гусеничної передачі. А ми встановили, що чим більше площа опори, тим менший тиск, вироблене однієї і тієї ж силою на цю опору .
Залежно від того, чи потрібно отримати мале або велике тиск, площа опори збільшується або зменшується. Наприклад, для того, щоб грунт міг витримати тиск будівлі, що зводиться, збільшують площу нижньої частини фундаменту.
Шини вантажних автомобілів і шасі літаків роблять значно ширше, ніж легкових. Особливо широкими роблять шини у автомобілів, призначених для пересування в пустелях.
Важкі машини, як трактор, танк або болотохід, маючи велику опорну площу гусениць, проходять по болотистій місцевості, по якій не пройде людина.
З іншого боку, при малій площі поверхні можна невеликою силою провести великий тиск. Наприклад, вдавлюючи кнопку в дошку, ми діємо на неї з силою близько 50 Н. Так як площа вістря кнопки приблизно 1 мм 2, то тиск, вироблене нею, так само:
p \u003d 50 Н / 0, 000 001 м 2 \u003d 50 000 000 Па \u003d 50 000 кПа.
Для порівняння, цей тиск в 1000 разів більше тиску, виробленого гусеничним трактором на грунт. Можна знайти ще багато таких прикладів.
Лезо ріжучих і вістря колючих інструментів (ножів, ножиць, різців, пив, голок та ін.) Спеціально гостро відточується. Заточений край гострого леза має маленьку площу, тому за допомогою навіть малої сили створюється великий тиск, і таким інструментом легко працювати.
Ріжучі та колючі пристосування зустрічаються і в живій природі: це зуби, кігті, дзьоби, шипи і ін. - всі вони з твердого матеріалу, гладкі і дуже гострі.
тиск
Відомо, що молекули газу безладно рухаються.
Ми вже знаємо, що гази, на відміну від твердих тіл і рідин, заповнюють весь посудину, в якому знаходяться. Наприклад, сталевий балон для зберігання газів, камера автомобільної шини або волейбольний м'яч. При цьому газ тисне на стінки, дно і кришку балона, камери або будь-якого іншого тіла, в якому він знаходиться. Тиск газу обумовлено іншими причинами, ніж тиск твердого тіла на опору.
Відомо, що молекули газу безладно рухаються. При своєму русі вони стикаються один з одним, а також зі стінками посудини, в якому знаходиться газ. Молекул в газі багато, тому і число їх ударів дуже велике. Наприклад, число ударів молекул повітря, що знаходиться в кімнаті, об поверхню площею 1 см 2 за 1 з виражається двадцатітрехзначним числом. Хоча сила удару окремої молекули мала, але дія всіх молекул на стінки судини значно, - воно і створює тиск газу.
Отже, тиск газу на стінки посудини (і на вміщене в газ тіло) викликається ударами молекул газу .
Розглянемо наступний досвід. Під дзвін повітряного насоса помістимо гумову кульку. Він містить невелику кількість повітря і має неправильну форму. Потім насосом відкачуємо повітря з-під дзвони. Оболонка кульки, навколо якої повітря стає все більш розрідженим, поступово роздувається і приймає форму правильного кулі.
Як пояснити цей досвід?
Для зберігання і перевезення стисненого газу використовуються спеціальні міцні сталеві балони.
У нашому досвіді рухаються молекули газу безперервно вдаряють об стінки кульки всередині і зовні. При відкачуванні повітря число молекул в дзвоні навколо оболонки кульки зменшується. Але всередині кульки їх число не змінюється. Тому число ударів молекул об зовнішні стінки оболонки стає менше, ніж число ударів об внутрішні стінки. Шарик роздувається до тих пір, поки сила пружності його гумовою оболонки не стане рівною силі тиску газу. Оболонка кульки приймає форму кулі. Це показує, що газ тисне на її стінки в усіх напрямках однаково. Інакше кажучи, число ударів молекул, що припадають на кожен квадратний сантиметр площі поверхні, в усіх напрямках однаково. Однаковий тиск в усіх напрямках характерно для газу і є наслідком безладного руху величезного числа молекул.
Спробуємо зменшити обсяг газу, але так, щоб маса його залишилася незмінною. Це означає, що в кожному кубічному сантиметрі газу молекул побільшає, щільність газу збільшиться. Тоді число ударів молекул об стінки збільшиться, т. Е. Зросте тиск газу. Це можна підтвердити досвідом.
На малюнку а зображена скляна трубка, один кінець якої закритий тонкою гумовою плівкою. У трубку вставлений поршень. При вдвіганіем поршня об'єм повітря в трубці зменшується, т. Е. Газ стискається. Гумова плівка при цьому вигинається назовні, вказуючи на те, що тиск повітря в трубці збільшилася.
Навпаки, при збільшенні обсягу цієї ж маси газу, число молекул в кожному кубічному сантиметрі зменшується. Від цього зменшиться число ударів об стінки судини - тиск газу стане менше. Дійсно, при витягуванні поршня з трубки обсяг повітря збільшується, плівка прогинається всередину судини. Це вказує на зменшення тиску повітря в трубці. Такі ж явища спостерігалися б, якби замість повітря в трубці знаходився б будь-який інший газ.
Отже, при зменшенні обсягу газу його тиск збільшується, а при збільшенні обсягу тиск зменшується за умови, що маса і температура газу залишаються незмінними.
А як зміниться тиск газу, якщо нагріти його при постійному обсязі? Відомо, що швидкість руху молекул газу при нагріванні збільшується. Рухаючись швидше, молекули будуть бити об стінки судини частіше. Крім того, кожен удар молекули об стінку буде сильніше. Внаслідок цього, стінки судини будуть відчувати більший тиск.
отже, тиск газу в закритій посудині тим більше, чим вище температура газу, За умови, що маса газу і обсяг не змінюються.
З цих дослідів можна зробити загальний висновок, що тиск газу тим більше, чим частіше і сильніше молекули вдаряють об стінки судини .
Для зберігання і перевезення газів їх сильно стискають. При цьому тиск їх зростає, гази необхідно укладати в спеціальні, дуже міцні балони. У таких балонах, наприклад, містять стиснене повітря в підводних човнах, кисень, який використовується при зварюванні металів. Звичайно ж, ми повинні назавжди запам'ятати, що газові балони не можна нагрівати, тим більше, коли вони заповнені газом. Тому що, як ми вже розуміємо, може статися вибух з дуже неприємними наслідками.
Закон Паскаля.
Тиск передається в кожну точку рідини або газу.
Тиск поршня передається в кожну точку рідини, що заповнює кулю.
Тепер газ.
На відміну від твердих тіл окремі шари і дрібні частинки рідини і газу можуть вільно переміщатися відносно один одного в усіх напрямках. Досить, наприклад, злегка подути на поверхню води в склянці, щоб викликати рух води. На річці або озері при найменшому вітерці з'являється брижі.
Рухливістю часток газу і рідини пояснюється, що тиск, вироблене на них, передається не тільки в напрямку дії сили, а в кожну точку. Розглянемо це явище докладніше.
На малюнку, а зображений посудину, в якому міститься газ (або рідина). Частинки рівномірно розподілені по всьому судині. Посудина закритий поршнем, який може переміщатися вгору і вниз.
Докладаючи деяку силу, змусимо поршень трохи переміститися всередину і стиснути газ (рідина), що знаходиться безпосередньо під ним. Тоді частки (молекули) розташуються в цьому місці більш щільно, ніж раніше (рис, б). Завдяки рухливості частки газу будуть переміщатися в усіх напрямках. Внаслідок цього їх розташування знову стане рівномірним, але більш щільним, ніж раніше (рис, в). Тому тиск газу всюди зросте. Значить, додатковий тиск передається всім частинкам газу або рідини. Так, якщо тиск на газ (рідина) близько самого поршня збільшиться на 1 Па, то у всіх точках всередині газу або рідини тиск стане більше, ніж раніше на стільки ж. На 1 Па збільшиться тиск і на стінки посудини, і на дно, і на поршень.
Тиск, вироблене на рідину або газ, передається на будь-яку точку однаково в усіх напрямках .
Це твердження називається законом Паскаля.
На основі закону Паскаля легко пояснити такі досліди.
На малюнку зображений порожниста куля, що має в різних місцях невеликі отвори. До кулі приєднана трубка, в яку вставлений поршень. Якщо набрати води в кулю і всунути в трубку поршень, то вода поллється з усіх отворів кулі. У цьому досвіді поршень тисне на поверхню води в трубці. Частинки води, що знаходяться під поршнем, ущільнюючи, передають його тиск іншим верствам, лежачим глибше. Таким чином, тиск поршня передається в кожну точку рідини, що заповнює кулю. В результаті частина води виштовхується з кулі у вигляді однакових цівок, що випливають з усіх отворів.
Якщо куля заповнити димом, то при вдвіганіем поршня в трубку з усіх отворів кулі почнуть виходити однакові цівки диму. Це підтверджує, що і гази передають вироблене на них тиск на всі боки однаково.
Тиск в рідині і газі.
Під дією ваги рідини гумове дно в трубці прогнеться.
На рідини, як і на всі тіла на Землі, діє сила тяжіння. Тому, кожен шар рідини, налитої в посудину, своєю вагою створює тиск, який згідно з законом Паскаля передається в усіх напрямках. Отже, всередині рідини існує тиск. У цьому можна переконатися на досвіді.
У скляну трубку, нижній отвір якої закрито тонкою гумовою плівкою, наллємо воду. Під дією ваги рідини дно трубки прогнеться.
Досвід показує, що, чим вище стовп води над гумовою плівкою, тим більше вона прогинається. Але всякий раз після того, як гумове дно прогнулося, вода в трубці приходить в рівновагу (зупиняється), так як, окрім сили тяжіння, на воду діє сила пружності розтягнутої гумової плівки.
Сили, що діють на гумову плівку, |
однакові з обох сторін. |
Ілюстрація.
Дно відходить від циліндра внаслідок тиску на нього сили тяжіння.
Опустимо трубку з гумовим дном, в яку налита вода, в іншій, більш широкий посудину з водою. Ми побачимо, що в міру опускання трубки гумова плівка поступово випрямляється. Повний випрямлення плівки показує, що сили, що діють на неї зверху і знизу, рівні. Настає повне випрямлення плівки тоді, коли рівні води в трубці і посудині збігаються.
Такий же досвід можна провести з трубкою, в якій гумова плівка закриває бічний отвір, як це показано на малюнку, а. Погрозами цю трубку з водою в іншу посудину з водою, як це зображено на малюнку, б. Ми зауважимо, що плівка знову випрямиться, як тільки рівні води в трубці і посудині зрівняються. Це означає, що сили, що діють на гумову плівку, однакові з усіх боків.
Візьмемо посудину, дно якого може відпадати. Опустимо його в банку з водою. Дно при цьому виявиться щільно притиснутим до краю судини і не відпаде. Його притискає сила тиску води, спрямована знизу вгору.
Будемо обережно наливати воду в посудину і стежити за його дном. Як тільки рівень води в посудині співпаде з рівнем води в банку, воно відпаде від судини.
У момент відриву на дно тисне зверху вниз стовп рідини в посудині, а від низу до верху на дно передається тиск такого ж по висоті стовпа рідини, але знаходиться в банку. Обидва ці тиску однакові, дно ж відходить від циліндра внаслідок дії на нього власної сили тяжіння.
Вище були описані досліди з водою, але якщо взяти замість води будь-яку іншу рідину, результати досвіду будуть ті ж.
Отже, досліди показують, що всередині рідини існує тиск, і на одному і тому ж рівні воно однаково в усіх напрямках. З глибиною тиск збільшується.
Гази в цьому відношенні не відрізняються від рідин, адже вони теж мають вагу. Але треба пам'ятати, що щільність газу в сотні разів менше щільності рідини. Вага газу, що знаходиться в посудині, малий, і його "вагове" тиск у багатьох випадках можна не враховувати.
Розрахунок тиску рідини на дно і стінки посудини.
Розрахунок тиску рідини на дно і стінки посудини.
Розглянемо, як можна розраховувати тиск рідини на дно і стінки посудини. Вирішимо спочатку завдання для судини, що має форму прямокутного паралелепіпеда.
сила F, З якої рідина, налита в цю посудину, тисне на його дно, дорівнює вазі P рідини, що знаходиться в посудині. Вага рідини можна визначити, знаючи її масу m. Масу, як відомо, можна обчислити за формулою: m \u003d ρ · V. Обсяг рідини, налитої в обраний нами посудину, легко розрахувати. Якщо висоту стовпа рідини, що знаходиться в посудині, позначити буквою h, А площа дна посудини S, то V \u003d S · h.
маса рідини m \u003d ρ · V, або m \u003d ρ · S · h .
Вага цієї рідини P \u003d g · m, або P \u003d g · ρ · S · h.
Так як вага стовпа рідини дорівнює силі, З якої рідина тисне на дно посудини, то, розділивши вагу P на площу S, Отримаємо тиск рідини p:
p \u003d P / S, або p \u003d g · ρ · S · h / S,
Ми отримали формулу для розрахунку тиску рідини на дно посудини. З цієї формули видно, що тиск рідини на дно посудини залежить тільки від щільності і висоти стовпа рідини.
Отже, по виведеної формулою можна розраховувати тиск рідини, налитої в посудину будь-якої форми (Строго кажучи, наш розрахунок годиться тільки для судин, що мають форму прямої призми і циліндра. У курсах фізики для інституту доведено, що формула вірна і для судини довільної форми). Крім того, по ній можна обчислити і тиск на стінки посудини. Тиск всередині рідини, в тому числі тиск знизу вгору, також розраховується за цією формулою, так як тиск на одній і тій же глибині однаково в усіх напрямках.
При розрахунку тиску за формулою p \u003d gρh треба щільність ρ висловлювати в кілограмах на кубічний метр (Кг / м 3), а висоту стовпа рідини h - в метрах (м), g \u003d 9,8 Н / кг, тоді тиск буде виражено в паскалях (Па).
приклад. Визначте тиск нафти на дно цистерни, якщо висота стовпа нафти 10 м, а щільність її 800 кг / м 3.
Запишемо умову задачі і запишемо її.
дано :
ρ \u003d 800 кг / м 3
Рішення :
p \u003d 9.8 Н / кг · 800 кг / м 3 · 10 м ≈ 80 000 Па ≈ 80 кПа.
відповідь : P ≈ 80 кПа.
Сполучені посудини.
Сполучені посудини.
На малюнку зображені дві посудини, з'єднані між собою гумовою трубкою. Такі судини називаються сполученими. Лейка, чайник, кавник - приклади сполучених посудин. З досвіду ми знаємо, що вода, налита, наприклад, в лійку, варто завжди на одному рівні в носику і всередині.
Сполучені посудини зустрічаються нам часто. Наприклад, їм може бути чайник, лійка або кавник. |
Поверхні однорідної рідини встановлюються на одному рівні в сполучених посудинах будь-якої форми. |
Різні по щільності рідини. |
З сполученими посудинами можна виконати наступний простий досвід. На початку досвіду гумову трубку затискаємо в середині, і в одну з трубок наливаємо воду. Потім затиск відкриваємо, і вода вмить перетікає в іншу трубку, поки поверхні води в обох трубках не встановив на одному рівні. Можна закріпити одну з трубок в штативі, а іншу піднімати, опускати або нахиляти в різні боки. І в цьому випадку, як тільки рідина заспокоїться, її рівні в обох трубках зрівняються.
У сполучених посудинах будь-якої форми і перетину поверхні однорідної рідини встановлюються на одному рівні (За умови, що тиск повітря над рідиною однаково) (рис. 109).
Це можна обґрунтувати наступним чином. Рідина спочиває, що не переміщаючись з однієї судини в іншій. Значить, тиску в обох судинах на будь-якому рівні однакові. Рідина в обох судинах одна і та ж, т. Е. Має однакову щільність. Отже, повинні бути однакові і її висоти. Коли ми піднімаємо одну посудину або доливаємо в нього рідину, тиск в ньому збільшується і рідина переміщається в іншу посудину до тих пір, поки тиск не уравновесятся.
Якщо в один з сполучених посудин налити рідину однієї щільності, а в другій - інший щільності, то при рівновазі рівні цих рідин, не будуть однаковими. І це зрозуміло. Адже ми знаємо, що тиск рідини на дно посудини прямо пропорційно висоті стовпа і щільності рідини. А в цьому випадку щільності рідин будуть різні.
У разі рівного розподілу тисків висота стовпа рідини з більшою щільністю буде менше висоти стовпа рідини з меншою щільністю (рис.).
Досвід. Як визначити масу повітря.
Вага повітря. Атмосферний тиск.
існування атмосферного тиску.
Атмосферний тиск більше, ніж тиск розрідженого повітря в посудині.
На повітря, як і на будь-яке тіло, що знаходиться на Землі, діє сила тяжіння, і, значить, повітря має вагу. Вага повітря легко обчислити, знаючи його масу.
На досвіді покажемо, як обчислити масу повітря. Для цього потрібно взяти міцний скляну кулю з пробкою і гумовою трубкою з затискачем. Викачаємо з нього насосом повітря, затиснемо трубку затискачем і врівноважити на вагах. Потім, відкривши зажим на гумовій трубці, упустимо в нього повітря. Рівновага ваг при цьому порушиться. Для його відновлення на іншу шальку терезів доведеться покласти гирі, маса яких буде дорівнює масі повітря в обсязі кулі.
Дослідами встановлено, що при температурі 0 ° С і нормальному атмосферному тиску маса повітря об'ємом 1 м 3 дорівнює 1,29 кг. Вага цього повітря легко обчислити:
P \u003d g · m, P \u003d 9,8 Н / кг · 1,29 кг ≈ 13 Н.
Повітряна оболонка, що оточує Землю, називається атмосфера (Від грец. атмос - пар, повітря, і сфера - куля).
Атмосфера, як показали спостереження за польотом штучних супутників Землі, простягається на висоту декількох тисяч кілометрів.
Внаслідок дії сили тяжіння верхні шари атмосфери, як і вода океану, стискають нижні шари. Повітряний шар, прилеглий безпосередньо до Землі, стиснутий найбільше і, відповідно до закону Паскаля, передає вироблене на нього тиск в усіх напрямках.
В результаті цього земна поверхня і телá, що знаходяться на ній, зазнають тиску всієї товщі повітря, або, як зазвичай говориться в таких випадках, відчувають атмосферний тиск .
Існуванням атмосферного тиску можуть бути пояснені багато явищ, з якими ми зустрічаємося в житті. Розглянемо деякі з них.
На малюнку зображена скляна трубка, всередині якої знаходиться поршень, щільно прилягає до стінок трубки. Кінець трубки опущений воду. Якщо піднімати поршень, то за ним буде підніматися і вода.
Це явище використовується в водяних насосах і деяких інших пристроях.
На малюнку показаний циліндричний посудину. Він закритий пробкою, в яку вставлена \u200b\u200bтрубка з краном. З судини насосом відкачується повітря. Потім кінець трубки поміщається в воду. Якщо тепер відкрити кран, то вода фонтаном бризне в всередину судини. Вода надходить в посудину тому, що атмосферний тиск більше тиску розрідженого повітря в посудині.
Чому існує повітряна оболонка Землі.
Як і всі тіла, молекули газів, що входять до складу повітряної оболонки Землі, притягуються до Землі.
Але чому ж тоді всі вони не впадуть на поверхню Землі? Яким чином зберігається повітряна оболонка Землі, її атмосфера? Щоб зрозуміти це, треба врахувати, що молекули газів знаходяться в безперервному і безладному русі. Але тоді виникає інше питання: чому ці молекули не відлітають у світовий простір, тобто в космос.
Для того, щоб зовсім покинути Землю, молекула, як і космічний корабель або ракета, повинна мати дуже велику швидкість (не менш 11,2 км / с). Це так звана друга космічна швидкість. Швидкість більшості молекул повітряної оболонки Землі значно менше цієї космічної швидкості. Тому більшість їх прив'язане до Землі силою тяжіння, лише мізерно мала кількість молекул відлітає за межі Землі в космос.
Безладний рух молекул і дію на них сили тяжіння приводять в результаті до того, що молекули газів "парять" в просторі навколо Землі, утворюючи повітряну оболонку, або відому нам атмосферу.
Вимірювання показують, що щільність повітря швидко зменшується з висотою. Так, на висоті 5,5 км над Землею щільність повітря в 2 рази менше його щільність у поверхні Землі, на висоті 11 км - в 4 рази менше, і т. Д. Чим вище, тим повітря розрідження. І нарешті, в самих верхніх шарах (сотні і тисячі кілометрів над Землею) атмосфера поступово переходить у безповітряний простір. Чіткої межі повітряна оболонка Землі не має.
Строго кажучи, внаслідок дії сили тяжіння щільність газу в будь-якому закритій посудині неоднакова по всьому об'єму посудини. Внизу судини щільність газу більше, ніж у верхніх його частинах, тому і тиск в посудині неоднаково. На дні посудини воно більше, ніж вгорі. Однак для газу, що міститься в посудині, ця різниця в щільності і тиску настільки мало, що його можна в багатьох випадках зовсім не враховувати, просто знати про це. Але для атмосфери, що тягнеться на кілька тисяч кілометрів, ця відмінність суттєво.
Вимірювання атмосферного тиску. Дослід Торрічеллі.
Розрахувати атмосферний тиск за формулою для обчислення тиску стовпа рідини (§ 38) не можна. Для такого розрахунку треба знати висоту атмосфери і щільність повітря. Але певної межі у атмосфери немає, а щільність повітря на різній висоті різна. Однак виміряти атмосферний тиск можна за допомогою досвіду, запропонованого в 17 столітті італійським вченим Еванджеліста Торрічеллі , Учнем Галілея.
Дослід Торрічеллі полягає в наступному: скляну трубку завдовжки близько 1 м, запаяну з одного кінця, наповнюють ртуттю. Потім, щільно закривши другий кінець трубки, її перевертають і опускають в чашку з ртуттю, де під рівнем ртуті відкривають цей кінець трубки. Як і в будь-якому досвіді з рідиною, частина ртуті при цьому виливається в чашку, а частина її залишається в трубці. Висота стовпа ртуті, що залишилася в трубці, дорівнює приблизно 760 мм. Над ртуттю всередині трубки повітря немає, там безповітряний простір, тому ніякої газ не чинить тиску зверху на стовп ртуті всередині цієї трубки і не впливає на вимірювання.
Торрічеллі, який запропонував описаний вище досвід, дав і його пояснення. Атмосфера тисне на поверхню ртуті в чашці. Ртуть знаходиться в рівновазі. Значить, тиск в трубці на рівні аа1 (див. Рис) дорівнює атмосферному тиску. При зміні атмосферного тиску змінюється і висота стовпа ртуті в трубці. При збільшенні тиску стовпчик подовжується. При зменшенні тиску - стовп ртуті зменшує свою висоту.
Тиск в трубці на рівні Аа1 створюється вагою стовпа ртуті в трубці, так як у верхній частині трубки над ртуттю повітря немає. Звідси слідує що атмосферний тиск дорівнює тиску стовпа ртуті в трубці , Т. Е.
p атм \u003d p ртуті.
Чим більше атмосферний тиск, тим вище стовп ртуті в досвіді Торрічеллі. Тому на практиці атмосферний тиск можна виміряти висотою ртутного стовпа (в міліметрах або сантиметрах). Якщо, наприклад, атмосферний тиск дорівнює 780 мм рт. ст. (Кажуть "міліметрів ртутного стовпа"), то це означає, що повітря виробляє такий же тиск, яке виробляє вертикальний стовп ртуті висотою 780 мм.
Отже, в цьому випадку за одиницю виміру атмосферного тиску приймається 1 міліметр ртутного стовпа (1 мм рт. Ст.). Знайдемо співвідношення між цією одиницею і відомою нам одиницею - паскалем (Па).
Тиск стовпа ртуті ρ ртуті висотою 1 мм одно:
p = g · ρ · h, p \u003d 9,8 Н / кг · 13 600 кг / м 3 · 0,001 м ≈ 133,3 Па.
Отже, 1 мм рт. ст. \u003d 133,3 Па.
В даний час атмосферний тиск прийнято вимірювати в гектопаскалях (1 гПа \u003d 100 Па). Наприклад, в зведеннях погоди може бути оголошено, що тиск дорівнює 1013 гПа, це те ж саме, що 760 мм рт. ст.
Спостерігаючи щодня за висотою ртутного стовпа в трубці, Торрічеллі виявив, що ця висота змінюється, т. Е. Атмосферний тиск постійно, воно може збільшуватися і зменшуватися. Торрічеллі помітив також, що атмосферний тиск пов'язаний зі зміною погоди.
Якщо до трубки з ртуттю, що використовувалася в досвіді Торрічеллі, прикріпити вертикальну шкалу, то вийде найпростіший прилад - ртутний барометр (Від грец. барос - тяжкість, метрео - вимірюю). Він служить для вимірювання атмосферного тиску.
Барометр - анероїд.
У практиці для вимірювання атмосферного тиску використовують металевий барометр, званий анероїдом (В перекладі з грецького - безжідкостний). Так барометр називають тому, що в ньому немає ртуті.
Зовнішній вигляд анероїда зображений на малюнку. Головна частина його - металева коробочка 1 з хвилястою (гофрованої) поверхнею (див. ін. рис.). З цієї коробочки викачане повітря, а щоб атмосферний тиск не розчавило коробочку, її кришка 2 пружиною відтягується вгору. При збільшенні атмосферного тиску кришка прогинається вниз і натягує пружину. При зменшенні тиску пружина випрямляє кришку. До пружини за допомогою передавального механізму 3 прикріплена стрілка-покажчик 4, яка просувається вправо або вліво при зміні тиску. Під стрілкою укріплена шкала, поділу якої нанесені за показаннями ртутного барометра. Так, число 750, проти якого стоїть стрілка анероїда (див. Рис.), Показує, що в даний момент в ртутному барометр висота ртутного стовпа 750 мм.
Отже, атмосферний тиск дорівнює 750 мм рт. ст. або ≈ 1000 гПа.
Значення атмосферного тиску вельми важливо для передбачення погоди на найближчі дні, так як зміна атмосферного тиску пов'язане зі зміною погоди. Барометр - необхідний прилад для метеорологічних спостережень.
Атмосферний тиск на різних висотах.
У рідини тиск, як ми знаємо, залежить від щільності рідини і висоти її стовпа. Внаслідок малої стисливості щільність рідини на різних глибинах майже однакова. Тому, обчислюючи тиск, ми вважаємо її щільність постійної і враховуємо тільки зміна висоти.
Складніша справа з газами. Гази сильно стискувані. А чим сильніше газ стиснутий, тим більше його щільність, і тим більший тиск він виробляє. Адже тиск газу створюється ударами його молекул об поверхню тіла.
Шари повітря біля поверхні Землі стиснуті всіма встановленими вище шарами повітря, що знаходяться над ними. Але чим вище від поверхні шар повітря, тим слабкіше він стиснутий, тим менше його щільність. Отже, тим менший тиск він виробляє. Якщо, наприклад, повітряна куля піднімається над поверхнею Землі, то тиск повітря на кулю ставати менше. Це відбувається не тільки тому, що висота стовпа повітря над ним зменшується, але ще й тому, що зменшується щільність повітря. Вгорі вона менше, ніж внизу. Тому залежність тиску повітря від висоти складніше, ніж рідини.
Спостереження показують, що атмосферний тиск в місцевостях, що лежать на рівні моря, в середньому дорівнює 760 мм рт. ст.
Атмосферний тиск, що дорівнює тиску стовпа ртуті висотою 760 мм при температурі 0 ° С, називається нормальним атмосферним тиском.
Нормальний атмосферний тиск одно 101 300 Па \u003d 1013 гПа.
чим більше висота над рівнем моря, тим тиск менше.
При невеликих підйомах, в середньому, на кожні 12 м підйому тиск зменшується на 1 мм рт. ст. (Або на 1,33 гПа).
Знаючи залежність тиску від висоти, можна по зміні показань барометра визначити висоту над рівнем моря. Анероїди, мають шкалу, за якою безпосередньо можна виміряти висоту над рівнем моря, називаються висотоміром . Їх застосовують в авіації і при підйомі на гори.
Манометри.
Ми вже знаємо, що для вимірювання атмосферного тиску застосовують барометри. Для вимірювання тиску, більших або менших атмосферного, використовується манометри (Від грец. манос - рідкісний, нещільний, метрео - вимірюю). манометри бувають рідинні і металеві.
Розглянемо спочатку пристрій і дію відкритого рідинного манометра. Він складається з двоколійні скляної трубки, в яку наливається якась рідина. Рідина встановлюється в обох колінах на одному рівні, так як на її поверхню в колінах посудини діє тільки атмосферний тиск.
Щоб зрозуміти, як працює такий манометр, його можна поєднати гумовою трубкою з круглої плоскої коробкою, одна сторона якої затягнута гумовою плівкою. Якщо натиснути пальцем на плівку, то рівень рідини в коліні манометра, з'єднаному в коробкою, знизиться, а в іншому коліні підвищиться. Чим це пояснюється?
При натисканні на плівку збільшується тиск повітря в коробці. Згідно із законом Паскаля це збільшення тиску передається і рідини в тому коліні манометра, яке приєднане до коробки. Тому тиск на рідину в цьому коліні буде більше, ніж в іншому, де на рідину діє тільки атмосферний тиск. Під дією сили цього надлишкового тиску рідина почне переміщатися. У коліні зі стисненим повітрям рідина опуститься, в іншому - підніметься. Рідина прийде в рівновагу (зупиниться), коли надлишковий тиск стисненого повітря урівноважиться тиском, яке виробляє надлишкову стовп рідини в іншому коліні манометра.
Чим сильніше тиснути на плівку, тим вище надлишковий стовп рідини, тим більше його тиск. отже, про зміну тиску можна судити по висоті цього надлишкового стовпа.
На малюнку показано, як таким манометром можна вимірювати тиск усередині рідини. Чим глибше занурюється в рідину трубочка, тим більше стає різниця висот стовпів рідини в колінах манометра, Тим, отже, і більший тиск виробляє рідину.
Якщо встановити коробочку приладу на який-небудь глибині всередині рідини і повертати її плівкою вгору, убік і вниз, то показання манометра при цьому не будуть змінюється. Так і повинно бути, адже на одному і тому ж рівні всередині рідини тиск однаково в усіх напрямках.
На малюнку зображений металевий манометр . Основна частина такого манометра - зігнута в трубу металева трубка 1 , Один кінець якої закритий. Інший кінець трубки за допомогою крана 4 повідомляється з посудиною, в якому вимірюють тиск. При збільшенні тиску трубка розгинається. Рух її закритого кінця за допомогою важеля 5 і зубчатки 3 передається стрілці 2 , Що рухається близько шкали приладу. При зменшенні тиску трубка, завдяки своїй пружності, повертається в попереднє положення, а стрілка - до нульової поділки шкали.
Поршневий рідинний насос.
Під час експерименту, розглянутому нами раніше (§ 40), було встановлено, що вода в скляній трубці під дією атмосферного тиску піднімалася вгору за поршнем. На цьому заснована дія поршневих насосів.
Насос схематично зображено на малюнку. Він складається з циліндра, всередині якого ходить вгору і вниз, щільно прилягаючи до стінок посудини, поршень 1 . У нижній частині циліндра і в самому поршні встановлені клапани 2 , Що відкриваються тільки вгору. При русі поршня вгору вода під дією атмосферного тиску входить в трубу, піднімає нижній клапан і рухається за поршнем.
При русі поршня вниз вода, що знаходиться під поршнем, тисне на нижній клапан, і він закривається. Одночасно під тиском води відкривається клапан всередині поршня, і вода переходить в простір над поршнем. При наступному русі поршня вгору в місці з ним піднімається і знаходиться над ним вода, яка і виливається в трубу, що відводить. Одночасно за поршнем піднімається і нова порція води, яка при подальшому опусканні поршня виявиться над ним, і вся ця процедура повторюється знову і знову, поки працює насос.
Гідравлічний прес.
Закон Паскаля дозволяє пояснити дію гідравлічної машини (Від грец. гідравлікос - водяний). Це машини, дія яких заснована на законах руху і рівноваги рідин.
Основною частиною гідравлічної машини служать два циліндри різного діаметру, забезпечені поршнями і сполучної трубкою. Простір під поршнями і трубку заповнюють рідиною (зазвичай мінеральним маслом). Висоти стовпів рідини в обох циліндрах однакові, поки на поршні не діють сили.
Припустимо тепер, що сили F 1 і F 2 - сили, що діють на поршні, S 1 і S 2 - площі поршнів. Тиск під першим (малим) поршнем одно p 1 = F 1 / S 1, а під другим (великим) p 2 = F 2 / S 2. Згідно із законом Паскаля тиск спочиває рідиною на всі боки передається однаково, т. Е. p 1 = p 2 або F 1 / S 1 = F 2 / S 2, звідки:
F 2 / F 1 = S 2 / S 1 .
Отже, сила F 2 у стільки разів більше сили F 1 , у скільки разів площа великого поршня більше площі малого поршня. Наприклад, якщо площа великого поршня 500 см 2, а малого 5 см 2, і на малий поршень діє сила 100 Н, то на більший поршень діятиме сила, в 100 разів більша, тобто 10 000 Н.
Таким чином, за допомогою гідравлічної машини можна малої силою зрівноважити більшу силу.
ставлення F 1 / F 2 показує виграш в силі. Наприклад, у наведеному прикладі виграш в силі дорівнює 10 000 Н / 100 Н \u003d 100.
Гідравлічна машина, що служить для пресування (здавлювання), називається гідравлічним пресом .
Гідравлічні преси застосовуються там, де потрібна велика сила. Наприклад, для вичавлювання олії з насіння на маслобійних заводах, для пресування фанери, картону, сіна. На металургійних заводах гідравлічні преси використовують для виготовлення сталевих валів машин, залізничних коліс і багатьох інших виробів. Сучасні гідравлічні преси можуть розвивати силу в десятки і сотні мільйонів ньютонів.
Пристрій гідравлічного преса схематично показано на малюнку. Пресується тіло 1 (A) кладуть на платформу, сполучену з великим поршнем 2 (B). За допомогою малого поршня 3 (D) створюється великий тиск на рідину. Це тиск передається в кожну точку рідини, що заповнює циліндри. Тому такий же тиск діє і на другий, великий поршень. Але так як площа 2-го (великого) поршня більше площі малого, то і сила, що діє на нього, буде більше сили, що діє на поршень 3 (D). Під дією цієї сили поршень 2 (B) буде підніматися. При підйомі поршня 2 (B) тіло (A) впирається в нерухому верхню платформу і стискається. За допомогою манометра 4 (M) вимірюється тиск рідини. Запобіжний клапан 5 (P) автоматично відкривається, коли тиск рідини перевищує допустиме значення.
З малого циліндра в великий рідина перекачується повторними рухами малого поршня 3 (D). Це здійснюється наступним чином. При підйомі малого поршня (D) клапан 6 (K) відкривається, і в простір, що знаходиться під поршнем, засмоктується рідина. При опусканні малого поршня під дією тиску рідини клапан 6 (K) закривається, а клапан 7 (K ") відкривається, і рідина переходить у велику посудину.
Дія води і газу на занурене в них тіло.
Під водою ми легко можемо підняти камінь, який насилу піднімається в повітрі. Якщо занурити пробку під воду і випустити її з рук, то вона спливе. Як можна пояснити ці явища?
Ми знаємо (§ 38), що рідина тисне на дно і стінки посудини. І якщо всередину рідини помістити яке-небудь тверде тіло, то воно також буде піддаватися тиску, як і стінки посудини.
Розглянемо сили, які діють з боку рідини на занурене в неї тіло. Щоб легше було міркувати, виберемо тіло, яке має форму паралелепіпеда з підставами, паралельними поверхні рідини (рис.). Сили, що діють на бічні грані тіла, попарно рівні і врівноважують один одного. Під дією цих сил тіло стискається. А ось сили, що діють на верхню і нижню межі тіла, неоднакові. На верхню грань тисне зверху силою F 1 стовп рідини висотою h 1. На рівні нижньої межі тиск виробляє стовп рідини висотою h 2. Це тиск, як ми знаємо (§ 37), передається всередині рідини на всі боки. Отже, на нижню межу тіла знизу вгору з силою F 2 тисне стовп рідини висотою h 2. але h 2 більше h 1, отже, і модуль сили F 2 більше модуля сили F 1. Тому тіло виштовхується з рідини з силою F вит, що дорівнює різниці сил F 2 - F 1, т. Е.
Але S · h \u003d V, де V - об'єм паралелепіпеда, а ρ ж · V \u003d m ж - маса рідини в обсязі паралелепіпеда. отже, F вит \u003d g · m ж \u003d P ж, т. е. виштовхуюча сила дорівнює вазі рідини в об'ємі зануреної в неї тіла (Що виштовхує сила дорівнює вазі рідини такого ж обсягу, як і обсяг зануреного в неї тіла). Існування сили, що виштовхує тіло з рідини, легко виявити на досвіді. На малюнку а зображено тіло, підвішене до пружини зі стрілкою-покажчиком на кінці. Стрілка відзначає на штативі розтягнення пружини. При відпуску тіла в воду пружина скорочується (рис., б). Таке ж скорочення пружини вийде, якщо діяти на тіло знизу вгору з деякою силою, наприклад, натиснути рукою (підняти). Отже, досвід підтверджує, що на тіло, що знаходиться в рідині, діє сила, що виштовхує це тіло з рідини. До газів, як ми знаємо, також застосуємо закон Паскаля. Тому на тіла, що знаходяться в газі, діє сила, що виштовхує їх з газу. Під дією цієї сили повітряні кулі піднімаються вгору. Існування сили, що виштовхує тіло з газу, можна також спостерігати на досвіді. До укороченою чашці терезів підвісимо скляну кулю або велику колбу, закриту пробкою. Ваги врівноважуються. Потім під колбу (або куля) ставлять широкий посудину так, щоб він оточував всю колбу. Посудина наповнюється вуглекислим газом, щільність якого більше щільності повітря (тому вуглекислий газ опускається вниз і заповнює посудину, витісняючи з нього повітря). При цьому рівновага терезів порушується. Чашка з підвішеною колбою піднімається вгору (рис.). На колбу, занурену в вуглекислий газ, діє більша виштовхує сила, в порівнянні з тією, яка діє на неї в повітрі. Сила, що виштовхує тіло з рідини або газу, спрямована протилежно силі тяжіння, яка додається до цього тіла. Тому пролкосмосе). Саме цим пояснюється, що в воді ми іноді легко піднімаємо тіла, які насилу утримуємо в повітрі. До пружини підвішується невелике відерце і тіло циліндричної форми (рис., А). Стрілка на штативі зазначає розтягнення пружини. Вона показує вагу тіла в повітрі. Піднявши тіло, під нього підставляється відливної посудину, наповнений рідиною до рівня відливної трубки. Після чого тіло розчиняється повністю в рідину (рис., Б). При цьому частина рідини, обсяг якої дорівнює обсягу тіла, виливається з отливного судини в стакан. Пружина скорочується, і покажчик пружини піднімається вгору, показуючи зменшення ваги тіла в рідині. В даному випадку на тіло, крім сили тяжіння, діє ще одна сила, що виштовхує його з рідини. Якщо в верхнє відерце вилити рідину зі склянки (т. Е. Ту, яку витіснило тіло), то покажчик пружини повернеться до свого початкового стану (рис., В). На підставі цього досвіду можна зробити висновок, що сила, що виштовхує цілком занурене в рідину тіло, дорівнює вазі рідини в об'ємі цього тіла . Такий же висновок ми отримали і в § 48. Якщо подібний досвід проробити з тілом, зануреним у будь-якої газ, то він показав би, що сила, що виштовхує тіло з газу, також дорівнює вазі газу, взятого в обсязі тіла . Сила, що виштовхує тіло з рідини або газу, називається архимедовой силою, В честь вченого Архімеда , Який вперше вказав на її існування і розрахував її значення. Отже, досвід підтвердив, що архимедова (або виштовхує) сила дорівнює вазі рідини в об'ємі тіла, т. Е. F А \u003d P ж \u003d g · m ж. Масу рідини m ж, витісняється тілом, можна висловити через її щільність ρ ж і обсяг тіла V т, зануреного в рідину (так як V ж - обсяг витісненої тілом рідини дорівнює V т - обсягом тіла, зануреного в рідину), т. Е. m ж \u003d ρ ж · V т. Тоді отримаємо: F A \u003d g · ρ ж · V т Отже, архимедова сила залежить від щільності рідини, в яку занурено тіло, і від обсягу цього тіла. Але вона не залежить, наприклад, від щільності речовини тіла, погружаемого в рідину, так як ця величина не входить в отриману формулу. Визначимо тепер вага тіла, зануреного в рідину (або в газ). Так як дві сили, що діють на тіло в цьому випадку, спрямовані в протилежні сторони (сила тяжіння вниз, а архимедова сила вгору), то вага тіла в рідини P 1 буде менше ваги тіла у вакуумі P \u003d g · m на архимедову силу F А \u003d g · m ж (де m ж - маса рідини або газу, витісненої тілом). Таким чином, якщо тіло занурене в рідину або газ, то воно втрачає в своїй вазі стільки, скільки важить витіснена ним рідина або газ. приклад. Визначити виштовхуючу силу, діючу на камінь об'ємом 1,6 м 3 в морській воді. Запишемо умову задачі і вирішимо її. Коли спливаюче тіло досягне поверхні рідини, то при подальшому його русі вгору архимедова сила буде зменшуватися. Чому? А тому, що буде зменшуватися обсяг частини тіла, зануреної в рідину, а архимедова сила дорівнює вазі рідини в об'ємі зануреної в неї частини тіла. Коли архимедова сила стане рівній силі тяжкості, тіло зупиниться і буде плавати на поверхні рідини, частково занурившись в неї. Отриманий висновок легко перевірити на досвіді. У відливної посудину наллємо воду до рівня відливної трубки. Після цього погрозами в посудину плаваюче тіло, попередньо зваживши його в повітрі. Опустившись в воду, тіло витісняє обсяг води, що дорівнює об'єму зануреної в неї частини тіла. Зваживши цю воду, знаходимо, що її вага (архимедова сила) дорівнює силі тяжіння, що діє на плаваюче тіло, або вазі цього тіла в повітрі. Проробивши такі ж досліди з будь-якими іншими тілами, плаваючими в різних рідинах - в воді, спирті, розчині солі, можна переконатися, що якщо тіло плаває в рідині, то вага витісненої ним рідини дорівнює вазі цього тіла в повітрі. Легко довести, що якщо щільність суцільного твердого тіла більше щільності рідини, то тіло в такий рідини тоне. Тіло з меншою щільністю спливає в цій рідині. Шматок заліза, наприклад, тоне у воді, але спливає в ртуті. Тіло ж, щільність якого дорівнює щільності рідини, залишається в рівновазі усередині рідини. Плаває на поверхні води лід, так як його щільність менше щільності води. Чим менше щільність тіла в порівнянні з щільністю рідини, тим менша частина тіла занурена в рідину . При рівних щільності тіла і рідини тіло плаває всередині рідини на будь-якій глибині. Дві незмішувані рідини, наприклад вода і гас, розташовуються в посудині відповідно до своїх плотностями: в нижній частині посудини - більш щільна вода (ρ \u003d 1000 кг / м 3), зверху - більш легкий гас (ρ \u003d 800 кг / м 3) . Середня щільність живих організмів, що населяють водне середовище, Мало відрізняється від щільності води, тому їх вага майже повністю врівноважується архимедовой силою. Завдяки цьому водні тварини не потребують настільки міцних і масивних скелети, як наземні. З цієї ж причини еластичні стовбури водних рослин. Плавальний міхур риби легко змінює свій обсяг. Коли риба за допомогою м'язів опускається на велику глибину, і тиск води на неї збільшується, міхур стискається, обсяг тіла риби зменшується, і вона не виштовхується нагору, а плаває в глибині. Таким чином, риба може в певних межах регулювати глибину свого занурення. Кити регулюють глибину свого занурення за рахунок зменшення і збільшення обсягу легких. Плавання суден.Судна, що плавають по річках, озерах, морях і океанах, побудовані з різних матеріалів з різною щільністю. Корпус судів зазвичай робиться з сталевих листів. Всі внутрішні кріплення, що надають судам міцність, також виготовляють з металів. Для побудови суден використовують різні матеріали, що мають в порівнянні з водою як більші, так і менші щільності. Завдяки чому суду тримаються на воді, беруть на борт і перевозять великі вантажі? Досвід з плаваючим тілом (§ 50) показав, що тіло витісняє своєю підводною частиною стільки води, що по вазі ця вода дорівнює вазі тіла в повітрі. Це також справедливо і для будь-якого судна. Вага води, що витісняється підводною частиною судна, дорівнює вазі судна з вантажем в повітрі або силі тяжіння, що діє на судно з вантажем. Глибина, на яку судно занурюється в воду, називається осадкою . Найбільша допускається осаду відзначена на корпусі судна червоною лінією, яку називають ватерлінією (Від голланд. ватер - вода). Вага води, що витісняється судном при зануренні до ватерлінії, рівний силі тяжіння, що діє на судно з вантажем, називається водотоннажністю судна. В даний час для перевезення нафти будуються судна водотоннажністю 5 000 000 кН (5 · 10 6 кН) і більше, т. Е. Мають разом з вантажем масу 500 000 т (5 · 10 5 т) і більше. Якщо з водотоннажності відняти вагу самого судна, то ми отримаємо вантажопідйомність цього судна. Вантажопідйомність показує вагу вантажу, що перевозиться судном. Суднобудування існувало ще в Стародавньому Єгипті, в Фінікії (вважається, що фінікійці були одними з кращих суднобудівників), Стародавньому Китаї. У Росії суднобудування зародилося на рубежі 17-18 вв. Споруджувалися головним чином військові кораблі, але саме в Росії були побудовані перший криголам, суду з двигуном внутрішнього згоряння, атомний криголам "Арктика". Повітроплавання.Малюнок з описом кулі братів Монгольф'є 1783 року: «Вид і точні розміри" аеростат Земну кулю", Який був першим». 1786 З давніх часів люди мріяли про можливість літати над хмарами, плавати в повітряному океані, як вони плавали по морю. для повітроплавання спочатку використовували повітряні кулі, які наповнювали або нагрітим повітрям, або воднем або гелієм. Для того, щоб повітряна куля піднявся в повітря, необхідно, щоб архимедова сила (що виштовхує) F А, що діє на кулю, була більше сили тяжіння F тяж, т. е. F А\u003e F тяж. У міру підняття кулі вгору архимедова сила, що діє на нього, зменшується ( F А \u003d gρV), Так як щільність верхніх шарів атмосфери менше, ніж у поверхні Землі. Щоб піднятися вище, з кулі скидається спеціальний баласт (вантаж) і цим полегшує куля. Зрештою куля досягає своєї своєї граничної висоти підйому. Для спуску кулі з його оболонки за допомогою спеціального клапана випускається частина газу. У горизонтальному напрямку повітряна куля переміщається тільки під дією вітру, тому він називається аеростатом (Від грец аеро - повітря, стато - стоїть). Для дослідження верхніх шарів атмосфери, стратосфери ще не так давно застосовувалися величезні повітряні кулі - стратостата . До того як навчилися будувати великі літаки для перевезення по повітрю пасажирів і вантажів, застосовувалися керовані аеростати - дирижаблі. Вони мають видовжену форму, під корпусом підвішується гондола з двигуном, який приводить в рух пропелер. Повітряна куля не тільки сам піднімається вгору, але може підняти і деякий вантаж: кабіну, людей, прилади. Тому для того, щоб дізнатися, який вантаж може підняти повітряна куля, необхідно визначити його підйомну силу. Нехай, наприклад, в повітря запущений куля об'ємом 40 м 3, наповнений гелієм. Маса гелію, що заповнює оболонку кулі, буде дорівнює: Значить, ця куля може підняти вантаж вагою 520 Н - 71 Н \u003d 449 Н. Це і є його підйомна сила. Куля такого ж обсягу, але наповнений воднем, може підняти вантаж 479 Н. Значить, підйомна сила його більше, ніж кулі, наповненого гелієм. Але все ж частіше використовують гелій, так як він не горить і тому безпечніше. Водень ж горючий газ. Набагато простіше здійснити підйом і спуск кулі, наповненої гарячим повітрям. Для цього під отвором, що знаходяться в нижній частині кулі, розташовується пальник. За допомогою газового пальника можна регулювати температуру повітря всередині кулі, а значить, його щільність і виштовхують силу. Щоб куля піднялася вище, досить сильніше нагріти повітря в ньому, збільшивши полум'я пальника. При зменшенні полум'я пальника температура повітря в кулі зменшується, і куля опускається вниз. Можна підібрати таку температуру кулі, при якій вага кулі і кабіни буде дорівнює виштовхує силі. Тоді куля повисне в повітрі, і з нього буде легко проводити спостереження. У міру розвитку науки відбувалися і суттєві зміни в повітроплавної техніці. З'явилася можливість використання нових оболонок для аеростатів, які стали міцними, морозостійкими і легкими. Досягнення в галузі радіотехніки, електроніки, автоматики дозволили сконструювати безпілотні аеростати. Ці аеростати використовуються для вивчення повітряних течій, для географічних і медико-біологічних досліджень в нижніх шарах атмосфери. Тиск - дуже важлива фізична величина, Яка відіграє величезну роль, як в навколишній природі, так і життя людини. Зовні непомітне для людського ока тиск може дуже добре відчуватися кожним з нас. Особливо добре це засвоїли люди у віці, часто страждають від підвищеного тиску (або навпаки від зниженого). Але в нашій статті ми більше поговоримо саме про тиск у фізиці, про те, як воно вимірюється і розраховується, які є формули для розрахунків тиску різних субстанцій: повітря, рідини або твердого тіла. Визначення тиску в фізиціПід тиском у фізиці розуміється термодинамічна величина, виражена співвідношенням перпендикулярної сили тиску на площу поверхні, на яку вона впливає. При цьому відповідно до закону Паскаля якщо система знаходиться в стані рівноваги, то тиск на неї буде однаковим для всіх точок системи. У фізиці, як втім і хімії, тиск позначають великою літерою Р, що йде від латинського слова «pressura» - тиск. (В англійською тиск так і залишилося майже без зміни - pressure). Загальна формула тискуЗ класичного визначення того, що таке тиск можна вивести загальну формулу для його розрахунку. Виглядати вона буде таким чином: Де F - це сила тиску, а S - площа поверхні на яку вона діє. Тобто іншими словами формула знаходження тиску - це сила, що впливає на певну поверхню, розділена на площу цієї самої поверхні. Як видно з формули, при розрахунку тиску завжди діє наступний принцип: чим менше простір, на яке впливає сила, тим більша кількість гнітючої сили на нього припадає і навпаки. Це можна проілюструвати простим життєвим прикладом: хліб найлегше порізати гострим ножем, тому що у гострого ножа заточене лезо, тобто площа поверхні S з формули у нього мінімальна, а значить, тиск ножа на хліб буде максимально одно доданої силі F того хто тримає ніж . А ось тупим ножем порізати хліб вже складніше, так як у його леза велика площа поверхні S, і тиск ножа на хліб буде меншим, і значить, щоб відрізати собі шматок хліба потрібно докласти більше сили F. Загальна формула тиску, по суті, відмінно описує формулу тиску твердого тіла. одиниці тискуЗгідно зі стандартами Міжнародної метричної системи тиск вимірюється в паскалях. Один паскаль з класичної формули дорівнює одному Ньютону (Як ми знаємо, Ньютон у нас одиниця виміру сили) розділеному на один квадратний метр. Але на жаль на практиці паскаль виявляється дуже маленькою одиницею і використовувати його для вимірювання тиску не завжди зручно, тому часто для вимірювання тиску застосовують інші одиниці:
Формула гідростатичного тискуЯк ми знаємо, різні агрегатні стани речовини, мають різні фізичні властивості. Рідини своїми властивостями відрізняються від твердих тіл, а гази в свою чергу відрізняються від них усіх. Тому цілком логічно, що способи визначення тиску для рідин, твердих тіл і газів також будуть різними. Так, наприклад, формула тиску води (або гідростатичного тиску) буде мати наступний вигляд: Де маленька p - щільність речовини, g - прискорення вільного падіння, h - висота. Зокрема ця формула пояснює, чому при зануренні водолазів (або батискафа або підводного човна) на глибину все більше зростає тиск навколишнього води. Також з цієї формули зрозуміло, чому на предмет, занурений в який-небудь кисіль, буде впливати більший тиск, ніж на предмет, занурений просто в воду, так як щільність киселю (p) вище, ніж у води, а чим вище щільність рідини, тим вище її гідростатичний тиск. Наведена нами формула гідростатичного тиску справедлива не тільки для рідин, а й для газів. Тому піднімаючись високо в гори (де повітря більш розріджене, а значить менший тиск), як і спускаючись в підводні глибини, людина, водолаз або альпініст повинен пройти спеціальну адаптацію, звикнути до того, що на нього буде впливати інший тиск. Різка зміна тиску може призвести до кесонної хвороби (у випадку з водолазами) або до «гірської» хвороби (у випадку з альпіністами). І «кесонка» і «горняшка», як їх сленгові називають водолази і альпіністи, викликана різкою змінної тиску довкілля. Тобто, якщо не підготовлена \u200b\u200bлюдина почне раптом підніматися на Еверест, то він швидко зловить «горняшка», а якщо ця ж людина почне опускатися на дно Маріїнської западини, то гарантовано отримає «кесонку». У першому випадку причиною буде не адаптація організму до зниженого тиску, а в другому - до підвищеного.
Американські водолази в Декомпресійний камері, покликаної підготувати їх до глибоководних занурень і адаптувати організм до високого тиску океанських глибин. Парціальний тиск і його формулаХоча формула гідростатичного тиску може бути застосована для газів, але тиску для них зручніше обчислювати за іншою формулою, формулою парціального тиску. Справа в тому, що в природі рідко зустрічаються абсолютно чисті речовини, причому це стосується як рідин, так і газів. Зазвичай на практиці в навколишньому світі переважають різні суміші, і логічно, що кожен з компонентів такої суміші може надавати різний тиск, таке різне тиск і називають парціальним. Визначити парціальний тиск просто - воно дорівнює сумі тисків кожного компонента даної суміші. Звідси формула парціального тиску матиме такий вигляд: P \u003d P 1 + P 2 + P 3 Де P 1, P 2 і P 3 - тиску кожного з компонентів газової суміші, так званий «ідеальний газ». Наприклад, щоб визначити тиску повітря звичайної формули гідростатичного тиску виконану тільки з недостатньо, так як повітря в реальності являє собою суміш різних газів, де крім основного компонента кисню, яким ми всі дихаємо, є й інші: азот, аргон і т. Д. Такі розрахунки потрібно проробляти за допомогою формули парціального тиску. Формула тиску ідеального газуТакож варто зауважити, що тиск ідеального газу, тобто кожного окремого з компонентів газової суміші зручно порахувати за формулою молекулярно-кінетичної теорії. Де n - концентрація молекул газу, T - абсолютна температура газу, k - постійна Больцмана (вказує на взаємозв'язок між кінетичної енергією частинки газу і її абсолютною температурою), вона дорівнює 1,38 * 10 -23 Дж / К. Прилади для вимірювання тискуЗрозуміло, людство винайшло багато приладів, що дозволяють швидко і зручно вимірювати рівень тиску. Для вимірювання тиску навколишнього середовища, воно ж атмосферний тиск використовують такий прилад як манометр або барометр. Щоб дізнатися артеріальний тиск у людини, часто служить причиною нездужань використовується прилад відомий більшості під назвою неінвазивний тонометр. Таких приладів існує безліч різновидів. Також біологи в своїх дослідженнях займаються розрахунками осмотичного тиску - це тиск всередині і зовні клітини. А метеорологи, зокрема по перепадів тиску в навколишньому середовищі пророкують нам погоду.
Розрахунок тиску рідини на дно і стінки посудини, відео 7. Завдання на розрахунок тиску твердих тіл Завдання: Верстат вагою 12000 Н має площаль опори 2,5 м2. Визначте тиск верстата на фундамент. дано: p -? Рішення : p \u003d P / S \u003d\u003e P \u003d P / S p \u003d 12000 Н / 2,5 м2 \u003d 4,8 кПа Відповідь. p \u003d 4,8 кПа Завдання: Ящик вагою 960 Н надає на опору тиск 5 кПа. Яку площу опори має ящик? дано: S -? СІ 5 * 103 Па Рішення : p \u003d F / S \u003d\u003e P \u003d P / S \u003d\u003e S \u003d P / p S \u003d 960 Н / 5 * 103 Па \u003d 0,192 м2 Відповідь. S \u003d 0,192 м 2 Завдання: Двовісний причіп з вантажем має масу 2,5 т. Розрахуйте тиск, вироблене причепом на дорогу, якщо площа дотику кожного колеса з дорогою дорівнює 125 см2. дано: p -? СІ 2,5 * 103кг 125 * 10-4м2 Рішення : p \u003d F / S F \u003d m * g S \u003d 4S до \u003d\u003e P \u003d m * g / 4Sк p \u003d 2,5 * 103кг * 10Н / кг / 4 * 125 * 10-4м2 \u003d 5 * 105Па Відповідь. p \u003d 5 * 10 5 Па Хлопчик масою 48 кг тисне на опору. Розрахуйте, який тиск він чинить, якщо загальна площа його підошов становить 320 см2 . Проаналізувавши умова, запишемо його в короткій формі, вказавши масу хлопчика і площа його підошов (Рис. 1). Потім в окремій колонці запишемо в системі СІ ті величини, які в умови наведені у позасистемних одиницях. Маса хлопчика приведена в системі СІ, а ось площа, виражену в квадратних сантиметрах, слід висловити в квадратних метрах: 320 см 2 \u003d 320 ∙ (0,01 м) 2 \u003d 320 ∙ 0,0001 м 2 \u003d 0,032 м 2. Мал. 1. Короткий умову задачі №1 Для знаходження тиску нам необхідно силу, з якою хлопчик діє на опору, розділити на площу опори: Значення сили нам невідомо, проте в умову задачі входить маса хлопчика. Сила, з якою він діє на опору, - це його вага. Припускаючи, що хлопчик нерухомий, можна вважати, що його вага дорівнює силі тяжіння, яка дорівнює добутку маси хлопчика на прискорення вільного падіння Тепер ми можемо об'єднати обидві формули в одну кінцеву. Для цього замість сили Fми підставимо в першу формулу проізведеніеmgіз другий формули. Тоді розрахункова формула буде мати вигляд: Наступний етап - перевірка розмірності отриманого результату. Розмірність маси [m] \u003d кг, розмірність прискорення вільного падіння [g] \u003d Н / кг, розмірність площі [S] \u003d м2. тоді Нарешті, підставимо числові дані з умови задачі в кінцеву формулу: Не забуваємо записати відповідь. У відповіді ми можемо використовувати кратні величини Відповідь: p \u003d 15 кПа. (Якщо у відповіді ви запишете \u003d 15 000 Па, то теж буде правильно.) Повне рішення в остаточному вигляді буде виглядати так (Рис. 2): Мал. 2. Повне рішення задачі №1 2. Завдання №2Брусок діє на опору з силою 200 Н, при цьому він тисне 4 кПа. Яка площа опори бруска? Запишемо короткий умова і висловимо тиск в системі СІ (4 кПа \u003d 4000 Па) (Рис. 3). Мал. 3. Короткий умову задачі №2 Величина площі поверхні входить в відому нам формулу для розрахунку тиску. З цієї формули нам необхідно висловити площа опори. Згадаймо математичні правила. СілаF- ділене, площа опориS- дільник, давленіеp- приватне. Щоб знайти невідомий дільник, необхідно ділене поділити на приватне. Ми отримаємо: Перевіримо розмірність отриманого результату. Площа повинна виражатися в квадратних метрах. Виконуючи перевірку, ми Паскалі замінили ньютонами на квадратний метр, а дробову риску - знаком ділення. Згадаймо, що розподіл дробів замінюється множенням. При цьому дріб, яка є дільником, перевертається, тобто її чисельник і знаменник міняються місцями. Після цього ньютон в чисельнику (перед дробом) і ньютон в знаменнику дробу скорочуються, і залишаються квадратні метри. Відзначимо, що перевірка розмірності є дуже важливим етапом рішення задачі, так як дозволяє виявити помилки, випадково допущені при виконанні математичних перетворень. Після перевірки розмірності результату проведемо розрахунок числового значення площі, підставляючи дані з короткого умови: Не забудемо зафіксувати відповідь. Відповідь: S \u003d 0,05 м 2. Повністю оформлене рішення задачі буде виглядати так (Рис. 4): Рис 4. Повне рішення задачі №2 Тиск твердих тіл/ Стаття для учнів 7 класу / § Зміст: 1. Що таке тиск? 2. Способи збільшення та зменшення тиску. 3. Тиск в живій природі. 4. Тиск в техніці. 5. Рішення задач на розрахунок тиску. 6. Експериментальні завдання. 7. Просто цікаві завдання. 1. Що таке тиск?Уявіть, що ви відправилися на лижну прогулянку. Лижі ковзають по снігу, залишаючи зовсім неглибокий слід. Що станеться, якщо зняти лижі? Звичайно, ви відразу провалитеся в сніг. Давайте розберемося, чому це відбувається. Вага, тобто сила, з якою людина тисне на сніг, залишилася такою ж. А що змінилося? Тільки площа опори (порівняйте підошви черевиків і лижі). Значить, можна припустити, що результат дії сили залежить не тільки від самої сили - точки прикладання, напрямки, модуля - але і від площі зіткнення. Щоб перевірити це, проведемо експеримент. Візьміть поролонову губку і шматок мила. Поставимо мило на губку найбільшою стороною. Зверніть увагу на деформацію губки. А тепер переверніть мило на ребро. Що змінилося? Тепер ми можемо зробити висновок: результат дії сили залежить і від самої сили, і від площі її впливу. Отже, потрібна фізична величина, що враховує обидва чинники. Ця величина називаетсядавленіем.Отношеніе сили F до площі поверхні S за умови, що сила діє перпендикулярно поверхні, називається тиском. p \u003d F / S Одиниці виміру тиску обчислюємо за формулою: 1 Н / кв.м \u003d 1 Па (паскаль) .Едініца вимірювання названа на честь відомого вченого Блеза Паскаля. Крім основних одиниць, використовують також і приставки: 1 кПа \u003d 1000 Па, 1 МПа \u003d 1 000 000 Па Подумайте, чи використовують приставки "мілі", "мікро"? Чому? 2.Способи збільшення і зменшення тиску.Спочатку відповімо на питання: а для чого це потрібно? Ви бачили, які сліди залишають важкі машини, трактори на землі? Такі глибокі колії виникають якраз через високого тиску. Значить, в таких випадках його потрібно знижувати. Так як тиск залежить від сили та площі, змінювати його можна, змінюючи ці величини. Навіщо збільшувати тиск? Спробуйте тупим ножем порізати хліб. Чим тупий ніж відрізняється від гострого? Звичайно, площею леза і створюваним тиском. Тому все ріжучі та колючі інструменти повинні бути дуже гострими. 3.Давленіе в живій природі. 4. Тиск в техніціТиск необхідно враховувати і в машинобудуванні, і в архітектурі, і на транспорте.Више вже говорилося про машинах, що деформують грунт. Вони завдають непоправної шкоди екології. Наприклад, при освоєнні Крайньої Півночі гусеничними тракторами були знищені величезні площі ягелю - основного корму оленів, що негативно позначилося на їх популяції. Щоб уникнути цього, необхідно зменшити тиск, т.е.лібо зменшити силу тиску, або збільшити площу. Зменшити силу складно: для цього потрібно зменшувати масу, застосовуючи більш легкі матеріали. Але ці речовини або неміцні, або дуже дорогі. Тому найчастіше використовують саме збільшення площаді.Сделать це можна різними способами: застосування гусениць на тракторах, збільшення діаметра шин, використання парних колёс.Большое значення має і те, як накачані шини, адже від цього теж залежить площа сопрікосновенія.Гусеніци значно знижують тиск ( табл), підвищуючи прохідність механізму, але при цьому сильно ушкоджують верхні шари почви.Очень важливий облік тиску і в архітектурі, будівництві. Фундамент будівлі використовується для зниження давленія.С давніх часів при будівництві використовували порожні колони. Маючи достатню міцність, вони набагато легше суцільних, а отже і створюваний тиск теж менше. механізм Тиск, в кПа Гусеничні трактори (болотні) з розширеними гусеницями 20 -30 гусеничні трактори 40 -50 Колеса легкового автомобіля 230 -300 Колеса залізничного вагона на рейки 300 000 5.Решеніе завдань на розрахунок тиску.§ 1) На підлозі знаходиться цегла розмірами: висота -5 см, ширина - 10 см, довжина - 20 см. Його маса 2 кг.Какое тиск чинить цегла на підлогу, перебуваючи в трьох різних положеннях? § 2) Яка довжина лиж, якщо стоїть на них людина масою 80 кг надає на сніг тиск 2,5 кПа? Ширина лижі 8 см. § 3) Який тиск на ґрунт робить гусеничний трактор, якщо маса трактора 3,2 т, а площа однієї гусениці 0,8 кв.м? 6.Експеріментальние завдання.§ 1) Визначте тиск склянки з чаєм на стіл. Чи зміниться тиск, якщо чай випити? У скільки разів? § 2) У скільки разів зміниться тиск підручника фізики на стіл, якщо його поставити на ребро? а якщо підручник з фізики замінити на історію? 7.Просто цікаві завдання.§ 1) Розвідник повинен перетнути річку по тонкому льоду. Придумайте пристрій, який зменшує ризик переправи. § 2) Чому рейки не кладуть прямо на землю? § 3) Чому гострою бритвою ненавмисно порізатися легше, ніж ножем? § 4) На дерев'яну стінку натиснули з силою в 200 Н спочатку долонею, потім з такою ж силою шилом. Сили рівні за величиною, чому ж результат різний? Тиск - це фізична величина, яка грає особливу роль в природі та житті людини. Це непомітне оку явище не тільки впливає на стан навколишнього середовища, а й дуже добре відчувається усіма. Давайте розберемося, що це таке, які види його існують і як знаходити тиск (формула) в різних середовищах. Що називається тиском у фізиці і хіміїДаним терміном іменується важлива термодинамічна величина, яка виражається в співвідношенні перпендикулярно наданої сили тиску на площу поверхні, на яку вона впливає. Це явище не залежить від розміру системи, в якій діє, тому відноситься до інтенсивних величинам. У стані рівноваги, по тиск однаково для всіх точок системи. У фізиці та хімії оне позначається за допомогою букви «Р», що є скороченням від латинської назви терміна - pressūra. якщо мова йде про осмотичний тиск рідини (рівновага між тиском усередині і зовні клітини), використовується буква «П». одиниці тискуЗгідно зі стандартами Міжнародної системи СІ, що розглядається фізичне явище вимірюється в паскалях (кирилицею - Па, латиницею - Ра). Виходячи з формули тиску виходить, що один Па дорівнює одному Н (ньютон - розділеному на один квадратний метр (одиниця виміру площі). Однак на практиці застосовувати Паскалі досить складно, оскільки ця одиниця дуже мала. У зв'язку з цим, крім стандартів системи СІ, дана величина може вимірюватися по-іншому. Нижче наведені найбільш відомі її аналоги. Більшість з них широко використовується на просторах колишнього СРСР.
Загальна формула тиску (фізика 7-го класу)З визначення даної фізичної величини можна визначити спосіб її знаходження. Виглядає він таким чином, як на фото нижче.
У ньому F - це сила, а S - площа. Іншими словами, формула знаходження тиску - це його сила, розділена на площу поверхні, на яку воно впливає. Також вона може бути записана так: Р \u003d mg / S або Р \u003d pVg / S. Таким чином, ця фізична величина виявляється пов'язаної з іншими термодинамічними змінними: об'ємом і масою. Для тиску діє наступний принцип: чим менше простір, на яке впливає сила - тим більша кількість гнітючої сили на нього доводиться. Якщо, ж площа збільшується (при тій же силі) - шукана величина зменшується. Формула гідростатичного тискуРізні агрегатні стани речовин, передбачають наявність у них відмінних один від одного властивостей. Виходячи з цього, способи визначення Р в них теж будуть іншими. Наприклад, формула тиску води (гідростатичного) виглядає ось так: Р \u003d pgh. Також вона може бути застосовна і до газів. При цьому її не можна використовувати для обчислення атмосферного тиску, через різницю висот і щільності повітря. У цій формулі р - щільність, g - прискорення вільного падіння, а h - висота. Виходячи з цього, чим глибше занурюється предмет або об'єкт, тим вище чиниться на нього тиск всередині рідини (газу).
Розглянутий варіант є адаптацією класичної прикладу Р \u003d F / S. Якщо згадати, що сила дорівнює похідною маси на швидкість вільного падіння (F \u003d mg), а маса рідини - це похідна обсягу на щільність (m \u003d pV), то формулу тиск можна записати як P \u003d pVg / S. При цьому обсяг - це май, помножена на висоту (V \u003d Sh). Якщо вставити ці дані, вийде, що площа в чисельнику і знаменнику можна скоротити і на виході - вищезгадана формула: Р \u003d pgh. Розглядаючи тиск в рідинах, варто пам'ятати, що, на відміну від твердих тіл, в них часто можливо викривлення поверхневого шару. А це, в свою чергу, сприяє утворенню додаткового тиску. Для подібних ситуацій застосовується дещо інша формула тиску: Р \u003d Р 0 + 2QH. В даному випадку Р 0 - тиск не викривленого шару, а Q - поверхня натягу рідини. Н - це середня кривизна поверхні, яку визначають за Законом Лапласа: Н \u003d ½ (1 / R 1 + 1 / R 2). Складові R 1 і R 2 - це радіуси головною кривизни. Парціальний тиск і його формулаХоча спосіб Р \u003d pgh застосуємо як для рідин, так і для газів, тиск в останніх краще обчислювати дещо іншим шляхом. Справа в тому, що в природі, як правило, не дуже часто зустрічаються абсолютно чисті речовини, адже в ній переважають суміші. І це стосується не тільки рідин, але і газів. А як відомо, кожен з таких компонентів здійснює різний тиск, зване парціальним. Визначити його досить просто. Воно дорівнює сумі тиску кожного компонента даної суміші (ідеальний газ). З цього випливає, що формула парціального тиску виглядає таким чином: Р \u003d Р 1 + Р 2 + Р 3 ... і так далі, відповідно до кількості складових компонентів.
Нерідкі випадки, коли необхідно визначити тиск повітря. Однак деякі помилково проводять обчислення тільки з киснем за схемою Р \u003d pgh. Ось тільки повітря - це суміш з різних газів. У ньому зустрічаються азот, аргон, кисень та інші речовини. Виходячи з ситуації, що склалася, формула тиску повітря - це сума тисків всіх його складових. А значить, слід прийме вищезгадану Р \u003d Р 1 + Р 2 + Р 3 ... Найбільш поширені прилади для вимірювання тискуНезважаючи на те що вирахувати розглянуту термодинамічну величину з вищезазначених формулах не складно, проводити обчислення іноді просто немає часу. Адже потрібно завжди враховувати численні нюанси. Тому для зручності за кілька століть був розроблений ряд приладів, які роблять це замість людей. Фактично майже всі апарати такого роду є різновидами манометра (допомагає визначати тиск в газах і рідинах). При цьому вони відрізняються по конструкції, точності і сфері застосування.
види тискуРозглядаючи тиск, формулу його знаходження і її варіації для різних речовин, варто дізнатися про різновиди цієї величини. Їх п'ять.
абсолютнаТак називається повний тиск, під яким знаходиться речовина або об'єкт, без урахування впливу інших газоподібних складових атмосфери. Вимірюється воно в паскалях і являє собою суму надлишкового та атмосферного тиску. Також він є різницею барометрического і вакуумметричного видів. Обчислюється воно за формулою Р \u003d Р 2 + Р 3 або Р \u003d Р 2 - Р 4. За початок відліку для абсолютного тиску в умовах планети Земля, береться тиск всередині ємності, з якої вилучено повітря (тобто класичний вакуум). Тільки такий вид тиску використовується в більшості термодинамічних формул. барометричнеЦим терміном іменується тиск атмосфери (гравітації) на всі предмети і об'єкти, що знаходять в ній, включаючи безпосередньо поверхню Землі. Більшості воно також відоме під ім'ям атмосферного. Його зараховують до а його величина змінюється щодо місця і часу вимірювання, а також погодних умов і знаходження над / нижче рівня моря. Величина барометричного тиску дорівнює модулю сили атмосфери на площі одиницю по нормалі до неї. У стабільній атмосфері величина даного фізичного явища дорівнює вазі стовпа повітря на підставу з площею, що дорівнює одиниці. Норма барометричного тиску - 101 325 Па (760 мм рт. Ст. При 0 градусів Цельсія). При цьому чим вище об'єкт виявляється від поверхні Землі, тим нижчим стає тиск на нього повітря. Через кожен 8 км воно знижується на 100 Па.
Завдяки цій властивості в горах вода в чайниках закивав набагато швидше, ніж удома на плиті. Справа в тому, що тиск впливає на температуру кипіння: з його зниженням остання зменшується. І навпаки. На цій властивості побудована робота таких кухонних приладів, як скороварка і автоклав. Підвищення тиску всередині їх сприяють формуванню в посудинах більш високих температур, ніж в звичайних каструлях на плиті.
Використовується для обчислення атмосферного тиску формула барометрической висоти. Виглядає вона таким чином, як на фото нижче.
Р - це шукана величина на висоті, Р 0 - щільність повітря біля поверхні, g - вільного падіння прискорення, h - висота над Землею, м - молярна маса газу, т - температура системи, r - універсальна газова постійна 8,3144598 Дж/ (моль х К), а ті - це число Ейклера, рівне 2.71828. Часто в представленій вище формулою тиску атмосферного замість R використовується К - постійна Больцмана. Через її твір на число Авогадро нерідко виражається універсальна газова стала. Вона більш зручна для розрахунків, коли число часток задано в молях. При проведенні обчислень завжди варто брати до уваги можливість зміни температури повітря через зміну метеорологічної ситуації або при наборі висоти над рівнем моря, а також географічну широту.
Надмірне і вакуумметрическоеРізницю між атмосферним і виміряним тиском навколишнього середовища називають надлишковим тиском. Залежно від результату, змінюється назва величини. Якщо вона позитивна, її називають манометричним тиском. Якщо ж отриманий результат зі знаком мінус - його називають вакуумметричний. Варто пам'ятати, що він не може бути більше барометрического. диференціальнеДана величина є різницею тисків в різних точках вимірювання. Як правило, її використовують для визначення падіння тиску на будь-якому обладнанні. Особливо це актуально в нафтовидобувній промисловості. Розібравшись з тим, що за термодинамічна величина називається тиском і за допомогою яких формул її знаходять, можна зробити висновок, що це явище досить важливо, а тому знання про нього ніколи не будуть зайвими. Схожі статті
|
