A nyomás olyan fizikai mennyiség, amely különleges szerepet játszik a természetben és az emberi életben. Ez a láthatatlan jelenség nem csak az állapotot befolyásolja környezet, de nagyon jól érezte magát mindenki. Nézzük meg, mi ez, milyen típusok léteznek, és hogyan találjuk meg a nyomást (képletet). különböző környezetekbenÓ.
Mi a nyomás a fizikában és a kémiában?
Ez a kifejezés egy fontos termodinamikai mennyiségre utal, amely a ráhatoló felületre merőlegesen kifejtett nyomáserő arányában fejeződik ki. Ez a jelenség nem függ a rendszer méretétől, amelyben működik, ezért intenzív mennyiségekre utal.
Egyensúlyi állapotban a nyomás a rendszer minden pontjában azonos.
A fizikában és a kémiában a „P” betűvel jelölik, amely a kifejezés latin nevének - pressūra - rövidítése.
Ha arról beszélünk a folyadék ozmotikus nyomásáról (a cellán belüli és kívüli nyomás egyensúlyáról) a „P” betűt használjuk.
Nyomásegységek
A Nemzetközi SI-rendszer szabványai szerint a kérdéses fizikai jelenséget pascalban (cirill - Pa, latin - Ra) mérik.
A nyomásképlet alapján kiderül, hogy egy Pa egyenlő egy N-vel (newton - osztva eggyel négyzetméter(terület egysége).
A gyakorlatban azonban meglehetősen nehéz pascalokat használni, mivel ez az egység nagyon kicsi. Ebben a tekintetben az SI szabványokon kívül ez a mennyiség másként is mérhető.
Az alábbiakban bemutatjuk leghíresebb analógjait. Legtöbbjüket széles körben használják a volt Szovjetunióban.
- Bárok. Egy rúd 105 Pa-nak felel meg.
- Torrs vagy higanymilliméter. Körülbelül egy torr 133,3223684 Pa-nak felel meg.
- Milliméteres vízoszlop.
- Vízoszlop méter.
- Technikai légkör.
- Fizikai légkör. Egy atm egyenlő 101 325 Pa és 1,033 233 atm.
- Kilogramm-erő négyzetcentiméterenként. Megkülönböztetik a tonnaerőt és a grammerőt is. Ezen kívül van egy analóg a font-erő négyzethüvelykenként.
A nyomás általános képlete (7. osztályos fizika)
Egy adott fizikai mennyiség definíciójából meghatározható a megtalálásának módja. Úgy néz ki, mint az alábbi fotón.
Ebben F az erő, S pedig a terület. Más szóval, a nyomás megállapításának képlete az erő elosztva azzal a felülettel, amelyre hat.
A következőképpen is felírható: P = mg / S vagy P = pVg / S. Így ez a fizikai mennyiség más termodinamikai változókhoz kapcsolódik: a térfogathoz és a tömeghez.
Nyomás esetén a következő elv érvényesül: minél kisebb teret érint az erő, annál nagyobb nyomóerő esik rá. Ha a terület növekszik (ugyanolyan erővel), a kívánt érték csökken.
Hidrosztatikus nyomás képlete
Különböző aggregáció állapotai anyagok, biztosítják egymástól különböző tulajdonságok jelenlétét. Ez alapján a P meghatározásának módszerei is eltérőek lesznek bennük.
Például a víznyomás (hidrosztatikus) képlete így néz ki: P = pgh. Ez vonatkozik a gázokra is. Számításra azonban nem használható légköri nyomás, a tengerszint feletti magasság és a levegő sűrűsége különbségei miatt.
Ebben a képletben p a sűrűség, g a gyorsulás szabadesés, és h a magasság. Ennek alapján minél mélyebbre merül egy tárgy vagy tárgy, annál nagyobb nyomás nehezedik rá a folyadékban (gázban).
A vizsgált lehetőség a klasszikus P = F / S példa adaptációja.
Ha emlékezünk arra, hogy az erő egyenlő a tömegnek a szabadesés sebességének deriváltjával (F = mg), és a folyadék tömege a térfogat sűrűség szerinti deriváltja (m = pV), akkor a nyomás képlete lehet P = pVg / S. Ebben az esetben a térfogat a terület és a magasság szorzata (V = Sh).
Ha beillesztjük ezeket az adatokat, akkor kiderül, hogy a számlálóban és a nevezőben lévő terület a kimenetnél csökkenthető - a fenti képlet: P = pgh.
A folyadékok nyomásának mérlegelésekor érdemes megjegyezni, hogy a szilárd anyagokkal ellentétben gyakran előfordulhat bennük a felületi réteg görbülete. Ez pedig hozzájárul a további nyomás kialakulásához.
Ilyen helyzetekre egy kissé eltérő nyomásképletet használnak: P = P 0 + 2QH. Ebben az esetben P 0 a nem görbült réteg nyomása, Q pedig a folyadék feszítőfelülete. H a felület átlagos görbülete, amelyet a Laplace-törvény szerint határozunk meg: H = ½ (1/R 1 + 1/R 2). Az R 1 és R 2 komponensek a fő görbületi sugarak.
Parciális nyomás és képlete
Bár a P = pgh módszer folyadékokra és gázokra is alkalmazható, az utóbbiak nyomását célszerű kicsit másképp kiszámítani.
Az a tény, hogy a természetben általában nem túl gyakori tiszta anyagok, mert a keverékek dominálnak benne. És ez nem csak a folyadékokra vonatkozik, hanem a gázokra is. És mint tudod, ezek az összetevők mindegyike más-más nyomást fejt ki, úgynevezett részleges nyomást.
Meglehetősen könnyű meghatározni. Ez egyenlő a vizsgált keverék (ideális gáz) egyes összetevőinek nyomásának összegével.
Ebből következik, hogy a parciális nyomás képlete így néz ki: P = P 1 + P 2 + P 3 ... és így tovább, az alkotóelemek számának megfelelően.
Gyakran vannak olyan esetek, amikor meg kell határozni a légnyomást. Néhányan azonban tévesen csak oxigénnel végeznek számításokat a P = pgh séma szerint. De a levegő különböző gázok keveréke. Nitrogént, argont, oxigént és egyéb anyagokat tartalmaz. A jelenlegi helyzet alapján a légnyomás képlete az összes összetevője nyomásának összege. Ez azt jelenti, hogy a fent említett P = P 1 + P 2 + P 3 ...
A leggyakoribb nyomásmérő műszerek
Annak ellenére, hogy a kérdéses termodinamikai mennyiséget nem nehéz kiszámítani a fent említett képletekkel, néha egyszerűen nincs idő a számítás elvégzésére. Végül is mindig figyelembe kell vennie számos árnyalatot. Ezért a kényelem kedvéért több évszázadon keresztül számos olyan eszközt fejlesztettek ki, amelyek ezt teszik meg az emberek helyett.
Valójában szinte minden ilyen típusú készülék egyfajta nyomásmérő (segít meghatározni a nyomást gázokban és folyadékokban). Ezek azonban különböznek a kialakításban, a pontosságban és az alkalmazási körben.
- A légköri nyomást egy nyomásmérővel, úgynevezett barométerrel mérik. Ha meg kell határozni a vákuumot (vagyis a légköri nyomás alatti nyomást), akkor ennek másik típusát, vákuummérőt használnak.
- Egy személy vérnyomásának meghatározásához vérnyomásmérőt használnak. A legtöbb ember számára ismertebb, mint non-invazív vérnyomásmérő. Sokféle ilyen eszköz létezik: a higanyos mechanikustól a teljesen automatikus digitálisig. Pontosságuk függ az anyagoktól, amelyekből készültek, és a mérés helyétől.
- A környezeti nyomáseséseket (angolul - nyomásesés) nyomáskülönbség-mérőkkel határozzák meg (nem tévesztendő össze a dinamométerekkel).
A nyomás fajtái
Figyelembe véve a nyomást, a megtalálási képletet és a különböző anyagokra vonatkozó variációit, érdemes megismerni ennek a mennyiségnek a fajtáit. Öten vannak.
- Abszolút.
- Barometrikus
- Túlzott.
- Vákuummetria.
- Differenciális.
Abszolút
Ez annak a teljes nyomásnak a neve, amely alatt egy anyag vagy tárgy található, anélkül, hogy figyelembe vennénk a légkör egyéb gáznemű összetevőinek hatását.
Pascalban mérik, és a többlet és a légköri nyomás összege. Ez a különbség a barometrikus és a vákuum típusok között is.
Kiszámítása a következő képlettel történik: P = P 2 + P 3 vagy P = P 2 - P 4.
Az abszolút nyomás kiindulópontja a Föld körülményei között a nyomás azon tartály belsejében, amelyből a levegőt eltávolították (vagyis egy klasszikus vákuum).
A legtöbb termodinamikai képletben csak ezt a nyomástípust alkalmazzák.
Barometrikus
Ez a kifejezés a légkör nyomására (gravitációra) utal minden tárgyra és benne található tárgyra, beleértve magát a Föld felszínét is. A legtöbben atmoszférikusnak is ismerik.
Egybe van besorolva, és értéke a mérés helyétől és időpontjától, valamint az időjárási viszonyoktól és a tengerszint feletti/alatti elhelyezkedéstől függően változik.
A légköri nyomás nagysága megegyezik a légköri erő modulusával, egy egységnyi területre merőlegesen.
Egy stabil légkörben ennek értéke fizikai jelenség egyenlő egy légoszlop tömegével egy alapterületű alapon.
A normál légnyomás 101 325 Pa (760 Hgmm 0 Celsius fokon). Sőt, minél magasabban van az objektum a Föld felszínétől, annál alacsonyabb lesz a légnyomás. 8 km-enként 100 Pa-val csökken.
Ennek a tulajdonságnak köszönhetően a vízforralóban sokkal gyorsabban felforr a víz a hegyekben, mint otthon a tűzhelyen. A helyzet az, hogy a nyomás befolyásolja a forráspontot: ahogy csökken, az utóbbi csökken. És fordítva. Ezen a tulajdonságon alapul az olyan konyhai berendezések, mint a gyorsfőző és az autokláv működése. A bennük lévő nyomásnövekedés hozzájárul a magasabb hőmérséklet kialakulásához az edényekben, mint a hagyományos edényekben a tűzhelyen.
A légköri nyomás kiszámításához a barometrikus magassági képletet használják. Úgy néz ki, mint az alábbi fotón.
P a kívánt magassági érték, P 0 a levegő sűrűsége a felszín közelében, g a szabadesési gyorsulás, h a Föld feletti magasság, m - moláris tömeg gáz, t a rendszer hőmérséklete, r az univerzális gázállandó 8,3144598 J⁄(mol x K), és e az Eichler-szám egyenlő 2,71828-cal.
A légköri nyomás fenti képletében gyakran K-t használnak R helyett - Boltzmann állandó. Az univerzális gázállandót gyakran a szorzatán keresztül fejezik ki Avogadro-számmal. Kényelmesebb a számításokhoz, ha a részecskék számát mólokban adják meg.
A számítások elvégzésekor mindig figyelembe kell venni a léghőmérséklet változásának lehetőségét a meteorológiai helyzet változása vagy a tengerszint feletti magasság, valamint a földrajzi szélesség miatt.
Mérő és vákuum
A légköri és a mért környezeti nyomás közötti különbséget túlnyomásnak nevezzük. Az eredménytől függően változik a mennyiség neve.
Ha pozitív, akkor azt túlnyomásnak nevezzük.
Ha a kapott eredménynek mínusz jele van, azt vákuummetriásnak nevezzük. Érdemes megjegyezni, hogy nem lehet nagyobb, mint a barometrikus.
Differenciális
Ez az érték a nyomáskülönbség a különböző mérési pontokban. Általában bármely berendezés nyomásesésének meghatározására szolgál. Ez különösen igaz az olajiparra.
Miután rájöttünk, hogy milyen termodinamikai mennyiséget nevezünk nyomásnak, és milyen képletekkel találjuk meg, arra a következtetésre juthatunk, hogy ez a jelenség nagyon fontos, ezért a róla való tudás soha nem lesz felesleges.
Nyomás- egy fizikai mennyiség, amely számszerűen egyenlő a felületre merőleges egységnyi felületre ható erővel. A nyomás jelzésére általában használt szimbólum p- lat. pressūra(nyomás).
A felületre nehezedő nyomás egyenetlen eloszlású lehet, ezért különbséget kell tenni a felület egy lokális töredékére nehezedő nyomás és a teljes felületre gyakorolt átlagos nyomás között.
A helyi felületre gyakorolt nyomást az erő normál komponensének arányaként határozzuk meg dF n, amely a felület ezen töredékére hat, ennek a töredéknek a területére dS:
Az átlagos nyomás a teljes felületen az erő normál komponensének aránya Fn, adott felületen ható, annak területére S:
A gázok és folyadékok nyomását nyomásmérőkkel, nyomáskülönbségmérőkkel, vákuummérőkkel, nyomásérzékelőkkel és légköri nyomás - barométerekkel mérik.
A nyomásmérés mértékegységei nagy múltra tekintenek vissza, és a különböző közegeket (folyékony, gáz, szilárd) figyelembe véve meglehetősen változatosak. Adjuk meg a főbbeket.
Pascal
A nemzetközi mértékegységrendszerben ( SI) pascalban mérik (orosz jelölés: Pa; nemzetközi: Pa). Pascal egyenlő az egy newtonnal egyenlő erő által okozott nyomással, amely egyenletesen oszlik el a rá merőleges, egy négyzetméteres felületen.
1 Pa = 1 N/m 2
Egy pascal kis nyomás. Körülbelül ezt a nyomást az asztalon heverő iskolai jegyzetfüzet papírdarabja hozza létre. Ezért gyakran több nyomásegységet használnak:
Ekkor a következő megfeleltetést kapjuk: 1 MPa = 1 MN/m² = 1 N/mm² = 100 N/cm².
Ezenkívül a nyomásmérő műszerek skálái N/m 2 vagy N/mm 2 értékekre oszthatók.
Az értékek aránya 1 Pa-hoz:
Dina
Dina(orosz megjelölése: din, nemzetközi jelölése: dyn) - erőegység a GHS mértékegységrendszerében. Egy dyne számszerűen egyenlő azzal az erővel, amely egy 1 gramm súlyú testet másodpercenként egy centiméter/s gyorsulást kölcsönöz.
1 din = 1 g cm/s 2 = 10 -5 H = 1,0197 10 -6 kgf
GHS(centiméter-gramm-másodperc) egy olyan mérési rendszer, amelyet széles körben használtak a Nemzetközi Mértékegységrendszer (SI) elfogadása előtt. Másik név - abszolút fizikai rendszer egységek.
Bár (bár, bár)
Bár (orosz megjelölés: rúd; nemzetközi: rúd;) - nem rendszerszintű nyomásegység, megközelítőleg egy atmoszférával egyenlő, nyomás alatt lévő folyadékokhoz és gázokhoz használjuk.
Miért a bar és nem a pascal? Mert műszaki mérések, ahol jelen van magas nyomású, a pascal túl kicsi mértékegység. Ezért egy nagyobb egységet vezettek be - 1 bar. Ez megközelítőleg a Föld légkörének nyomása.
A bar a nyomásmérés rendszeren kívüli mértékegysége.
Kilogramm-erő
Kilogramm-erő egyenlő azzal az erővel, amely a kilogramm nemzetközi prototípusának tömegével egyenlő nyugalmi tömegre a normál gravitációs gyorsulásnak megfelelő gyorsulást (9,80665 m/s 2) kölcsönöz.
1 kgf = 1 kg * 9,80665 m/s 2 = 9,80665 N
A kilogramm-erő megközelítőleg egyenlő azzal az erővel, amellyel egy 1 kilogramm súlyú test egy mérlegre nyomódik a Föld felszínén, ezért kényelmes abban, hogy értéke megegyezik egy 1 kg tömegű test súlyával, tehát könnyen elképzelhető, hogy például mekkora erő 5 kgf.
Kilogram-erő (orosz megjelölés: kgf vagy kg; nemzetközi: kgf vagy kg F ) - erőegység az MKGSS mértékegységrendszerében ( M etr - NAK NEK iszap G ram- VAL VEL ila - VAL VEL második).
Technikai légkör (at, at), kgf/cm 2
A műszaki atmoszféra (orosz jelölése: at; nemzetközi: at) egyenlő az 1 kgf erő által létrehozott nyomással, amely egyenletesen oszlik el a rá merőleges, 1 cm 2 területű sík felületen. És így,
1 at = 98 066,5 Pa
Fizikai légkör (atm, atm)
Normál, szabványos vagy fizikai atmoszféra (orosz megjelölése: atm; nemzetközi: atm) - nem rendszerszintű egység, amely megegyezik egy 760 mm magas higanyoszlop nyomásával a vízszintes alapján 13 595,04 kg/m 3 higanysűrűség mellett, 0°C hőmérsékleten és at normál gyorsulás szabadesés 9,80665 m/s 2.
1 atm = 760 Hgmm.
A meghatározás szerint:
Higanymilliméter
A higanymilliméter (orosz jelölése: Hgmm; nemzetközi: Hgmm) egy nem rendszerszintű nyomásmértékegység, amelyet néha "torr"-nak (orosz elnevezés - Torr, nemzetközi - Torr) is neveznek Evangelista Torricelli tiszteletére.
1 Hgmm ≈ 133,3223684 Pa
| atm tengerszint | 760 Hgmm |
| 760 Hgmm | 101 325 Pa |
| 1 Hgmm | 101 325 / 760 ≈ 133,3223684 Pa |
| 1 Hgmm |
13,5951 mm vízoszlop |
Ennek az egységnek az eredete a légköri nyomás barométerrel történő mérésének módszeréhez kapcsolódik, amelyben a nyomást egy folyadékoszlop egyensúlyozza ki. A higanyt gyakran használják folyadékként, mert nagyon nagy a sűrűsége (≈13 600 kg/m3) és alacsony a nyomása telített gőz szobahőmérsékleten.
Higanymillimétereket használnak például a vákuumtechnikában, az időjárás-jelentésekben és a vérnyomásmérésben.
A "higanyhüvelyk" (szimbólum - inHg) mértékegységet az USA-ban és Kanadában is használják. 1 inHg = 3,386389 kPa 0 °C-on.
Milliméteres vízoszlop
A vízoszlop milliméter (orosz jelölése: mm vízoszlop, mm H 2 O; nemzetközi: mm H 2 O) a nyomásmérés rendszeren kívüli mértékegysége. Egyenlő egy 1 mm magas vízoszlop hidrosztatikus nyomásával, amelyet 4 °C-os vízhőmérsékletű vízhőmérsékleten sima alapra gyakorolnak.
BAN BEN Orosz Föderáció időkorlátozás nélküli nyomásmérési rendszeren kívüli egységként történő használatra engedélyezett, „minden terület” felhasználási körrel.
Manapság a nyomást általában ilyennek nevezik fizikai mennyiség, amely megegyezik egy bizonyos felületre merőlegesen ható erő és közvetlenül ennek a felületnek az arányával. Nos, erőn, nyomáson olyan erőt értek, amely valamilyen meghatározott felülethez képest merőlegesen hat. Úgy tűnhet, hogy itt ér véget a két fogalom közötti fő különbség. Valójában ez egyáltalán nem igaz, és ha részletesebb árnyalatok érdeklik a két fogalom közötti különbségeket, akkor egy kicsit több időt kell töltenie annak megértésével, hogy mely esetekben használják őket leggyakrabban.
A nyomás és a nyomáserő főbb megkülönböztető jellemzői
Először is meg kell jegyezni, hogy a nyomás egy skaláris mennyiség, amelynek nem lehet semmilyen iránya. Általánosan elfogadott, hogy nyomásra van szükség az úgynevezett „kontinuum közeg” állapotának jellemzéséhez. Emiatt egy ilyen koncepció a feszültségtenzor átlós összetevőjeként működik. Ez utóbbi a második ranghoz tartozó tenzor. Kilenc mennyiségből áll, amelyeket itt adunk meg annak érdekében, hogy a mechanikai igénybevételt egy terhelt test tetszőleges pontjában ábrázolják. 
Tudniillik a nyomás egy intenzív fizikai mennyiség, melynek jelölésére a latin szóból eredő p szimbólumot használjuk. nyomás, melynek szó szerinti fordítása nyomást jelent. Azt is meg kell jegyezni, hogy a jelen pillanatban az olyan szó, mint a „nyomás” a legtöbbre alkalmazható. különböző területeken emberi tevékenység. Így például ma már szokás különbséget tenni az olyan fogalmak között, mint a vérnyomás, a légköri nyomás, a fénynyomás és a diffúziós nyomás.
Ha a fent említett kifejezések többsége nem túl népszerű, és mai áttekintésünkben teljesen helytelen a vérnyomásról beszélni, akkor a légköri nyomás megérdemli a figyelmet. Barométerrel mérik, és megegyezik a fedő levegőoszlop tömegével, amelynek alapterülete egység. Nos, ha egy ilyen erő hat egy testre, amely hatása alatt végül deformálódik, akkor teljesen helyénvaló egy ilyen fogalmat nyomóerőnek nevezni.
A nyomóerő szerepét bármilyen erő betöltheti. Mint ilyen, egy olyan test súlya használható, amely minden probléma nélkül képes deformálni a támaszt vagy olyan erőt, amelynek hatására egy bizonyos test a felülethez nyomódik. Csakúgy, mint minden más erőt, ezt a fogalmat is általában newtonban mérik, ami egy másik, nem kevésbé fontos különbséget jelez a ma használt fogalmak között, mivel a közönséges nyomást pascalban mérik.
Azt is meg kell jegyezni, hogy a nyomóerő szerepét a súlyon kívül bármilyen más rugalmas erő is betöltheti. Egyébként, ami magát a nyomást illeti. Ezt így vagy úgy tudja megváltoztatni, ha megváltoztatja a nyomás erejét, vagy legalábbis megváltoztatja azt a felületet, amelyen ez az erő hat.
következtetéseket
A fentiekre tekintettel, hogy némi képet kapjunk arról, hogy mi történik, és lehetőséget adjunk arra, hogy továbbra is válaszoljon arra a kérdésre: miben különbözik a nyomás a nyomóerőtől, sietve bemutatunk néhány legfontosabb pontot. . Ne felejtsük el, hogy a nyomás olyan fizikai mennyiség, amely egyenlő az adott felületre kifejtett nyomáserő és ugyanazon felület területéhez viszonyított arányával. Ugyanakkor a nyomóerő az az erő, amely a felületre merőlegesen hat.
Ezt figyelembe véve azt mondhatjuk egységnyi területre eső nyomás, de az erő már a teljes fenékterületre vonatkozik, amit a modern fizikában N betűvel jelölnek. Még ha nem is vesszük figyelembe, hogy mindkét fogalom esetében teljesen mást szokás használni. mértékegységek, azt mondhatjuk, hogy ezek a jelenségek teljesen különbözőek. Valójában a nyomás egy közönséges jellemző, amely összehasonlítható a megvilágítással, míg a nyomáserő az ilyen jelenség által okozott közvetlen hatás.
Egy férfi síléccel és anélkül.
Az ember nagy nehezen sétál a laza havon, minden lépésnél mélyre süllyed. De miután sílécet vett fel, tud járni anélkül, hogy majdnem beleesne. Miért? Síléccel vagy anélkül az ember a súlyával megegyező erővel hat a havon. Ennek az erőnek a hatása azonban mindkét esetben eltérő, mert más a felület, amelyen az ember megnyomja, sílécekkel és síléc nélkül. A sílécek felülete közel 20-szor nagyobb, mint a talpfelület. Ezért síléceken állva az ember a hófelület minden négyzetcentiméterére 20-szor kisebb erővel hat, mint ha síléc nélkül áll a havon.
Egy diák, aki gombokkal újságot tűz a táblára, mindegyik gombra egyenlő erővel hat. Viszont egy élesebb végű gomb könnyebben belemegy a fába.
Ez azt jelenti, hogy az erő eredménye nem csak a modulusától, irányától és alkalmazási pontjától függ, hanem annak a felületnek a területétől is, amelyre kifejtik (amelyre merőlegesen hat).
Ezt a következtetést fizikai kísérletek is megerősítik.
Tapasztalat: Egy adott erő hatásának eredménye attól függ, hogy milyen erő hat egységnyi felületre.
Egy kis tábla sarkaiba szögeket kell verni. Először a deszkába szúrt szögeket hegyükkel felfelé helyezzük a homokra, és helyezzünk egy súlyt a deszkára. Ebben az esetben a szögfejek csak kissé nyomódnak a homokba. Ezután megfordítjuk a deszkát, és a szélére helyezzük a szögeket. Ebben az esetben a támasztófelület kisebb, és ugyanolyan erő hatására a szögek lényegesen mélyebbre kerülnek a homokba.
Tapasztalat. Második illusztráció.
Ennek az erőnek az eredménye attól függ, hogy milyen erő hat az egyes felületegységekre.
A vizsgált példákban az erők a test felületére merőlegesen hatnak. A férfi súlya merőleges volt a hó felszínére; a gombra ható erő merőleges a tábla felületére.
Azt a mennyiséget, amely megegyezik a felületre merőlegesen ható erő és a felület területének arányával, nyomásnak nevezzük.
A nyomás meghatározásához a felületre merőleges erőt el kell osztani a felülettel:
nyomás = erő / terület.
Jelöljük a kifejezésben szereplő mennyiségeket: nyomás - p, a felületre ható erő az Fés felülete - S.
Ezután megkapjuk a képletet:
p = F/S
Nyilvánvaló, hogy az ugyanazon a területen ható nagyobb erő nagyobb nyomást eredményez.
Nyomásegységnek azt a nyomást kell érteni, amelyet egy 1 m2-es felületre merőleges felületre ható 1 N erő hoz létre..
Nyomás mértékegysége - newton négyzetméterenként(1 N/m2). A francia tudós tiszteletére Blaise Pascal Pascalnak hívják ( Pa). És így,
1 Pa = 1 N/m2.
Más nyomásegységeket is használnak: hektopaskális (hPa) És kilopascal (kPa).
1 kPa = 1000 Pa;
1 hPa = 100 Pa;
1 Pa = 0,001 kPa;
1 Pa = 0,01 hPa.
Írjuk fel a probléma feltételeit és oldjuk meg.
Adott : m = 45 kg, S = 300 cm 2; p = ?
SI mértékegységben: S = 0,03 m2
Megoldás:
p = F/S,
F = P,
P = g m,
P= 9,8 N · 45 kg ≈ 450 N,
p= 450/0,03 N/m2 = 15000 Pa = 15 kPa
"Válasz": p = 15000 Pa = 15 kPa
A nyomás csökkentésének és növelésének módjai.
Egy nehéz lánctalpas traktor 40-50 kPa nyomást fejt ki a talajra, azaz mindössze 2-3-szor nagyobb, mint egy 45 kg-os fiúé. Ez azzal magyarázható, hogy a traktor tömege a lánchajtás miatt nagyobb területen oszlik el. És ezt megállapítottuk minél nagyobb a támasztófelület, annál kisebb nyomást fejt ki ugyanaz az erő erre a támasztékra .
Attól függően, hogy alacsony vagy magas nyomásra van szükség, a támasztófelület növekszik vagy csökken. Például annak érdekében, hogy a talaj ellenálljon az építendő épület nyomásának, megnő az alapozás alsó részének területe.
A teherautó gumiabroncsok és a repülőgépek alváza sokkal szélesebb, mint az utasok gumiabroncsai. A sivatagi közlekedésre tervezett autók gumiabroncsai különösen szélesek.
Nehéz járművek, mint például traktor, harckocsi vagy mocsári jármű, amelyeknek nagy a síntartó felülete, mocsaras területeken haladnak át, amelyeket nem lehet áthaladni.
Másrészt kis felülettel kis erővel nagy nyomás generálható. Például, amikor egy gombot benyomunk egy táblába, körülbelül 50 N erővel hatunk rá. Mivel a gomb hegyének területe körülbelül 1 mm 2, az általa keltett nyomás egyenlő:
p = 50 N / 0,000 001 m 2 = 50 000 000 Pa = 50 000 kPa.
Összehasonlításképpen ez a nyomás 1000-szer nagyobb, mint a lánctalpas traktor által a talajra gyakorolt nyomás. Még sok ilyen példát találhatsz.
A vágóeszközök pengéi és a szúróeszközök (kés, olló, vágó, fűrész, tű stb.) hegye speciálisan élezett. Az éles penge kihegyezett éle kis területű, így kis erő is nagy nyomást hoz létre, ezzel a szerszámmal pedig könnyű dolgozni.
Vágó- és szúróeszközök az élő természetben is megtalálhatók: ezek a fogak, karmok, csőrök, tüskék stb. - mindegyik kemény anyagból készült, sima és nagyon éles.
Nyomás
Ismeretes, hogy a gázmolekulák véletlenszerűen mozognak.
Azt már tudjuk, hogy a szilárd anyagokkal és a folyadékokkal ellentétben a gázok kitöltik az egész tartályt, amelyben vannak. Például egy acélhenger a gázok tárolására, egy autógumi belső tömlő vagy egy röplabda. Ebben az esetben a gáz nyomást gyakorol a henger falára, aljára és fedelére, a kamrára vagy bármely más testre, amelyben található. A gáznyomást nem egy szilárd test nyomása okozza a tartón.
Ismeretes, hogy a gázmolekulák véletlenszerűen mozognak. Mozgásuk során egymásnak, valamint a gázt tartalmazó tartály falának ütköznek. Egy gázban sok molekula van, ezért becsapódásuk száma igen nagy. Például a levegőmolekulák egy helyiségben 1 cm 2 területű felületre történő becsapódásának számát 1 másodperc alatt huszonhárom számjegyű számként fejezzük ki. Bár az egyes molekulák becsapódási ereje kicsi, az összes molekula hatása az edény falára jelentős - gáznyomást hoz létre.
Így, a gáz nyomását az edény falára (és a gázba helyezett testre) a gázmolekulák becsapódása okozza .
Mérlegeljük következő élmény. Helyezzen egy gumilabdát a légszivattyú harangja alá. Kis mennyiségű levegőt tartalmaz, és van szabálytalan alakú. Ezután kiszivattyúzzuk a levegőt a csengő alól. A labda héja, amely körül a levegő egyre ritkább lesz, fokozatosan felfújódik, és szabályos golyó alakját veszi fel.
Hogyan magyarázható ez az élmény?
A sűrített gáz tárolására és szállítására speciális, tartós acélpalackokat használnak.
Kísérletünkben mozgó gázmolekulák folyamatosan ütik a labda falait belül és kívül. A levegő kiszivattyúzásakor a golyó héja körüli harangban lévő molekulák száma csökken. De a labdán belül a számuk nem változik. Ezért a molekuláknak a héj külső falaira gyakorolt ütéseinek száma kisebb lesz, mint a belső falakra gyakorolt ütések száma. A golyó addig fújódik fel, amíg gumihéjának rugalmas ereje egyenlővé nem válik a gáznyomás erejével. A labda héja labda alakját veszi fel. Ez azt mutatja a gáz minden irányban egyformán nyomja a falait. Más szóval, a felület négyzetcentiméterére eső molekuláris hatások száma minden irányban azonos. Minden irányban azonos nyomás jellemző a gázra, és hatalmas számú molekula véletlenszerű mozgásának következménye.
Próbáljuk meg csökkenteni a gáz térfogatát, de úgy, hogy a tömege változatlan maradjon. Ez azt jelenti, hogy minden köbcentiméter Több lesz a gázmolekula, nő a gáz sűrűsége. Ekkor megnő a molekulák falakra gyakorolt hatásainak száma, azaz nő a gáznyomás. Ezt a tapasztalatok igazolhatják.
A képen Aüvegcső látható, amelynek egyik vége vékony gumifóliával van lezárva. A csőbe dugattyút helyeznek. Amikor a dugattyú bemozdul, a csőben lévő levegő térfogata csökken, azaz a gáz összenyomódik. A gumifólia kifelé hajlik, jelezve, hogy a légnyomás a csőben megnőtt.
Éppen ellenkezőleg, az azonos tömegű gáz térfogatának növekedésével minden köbcentiméterben csökken a molekulák száma. Ez csökkenti az edény falait érő ütések számát - a gáznyomás csökkenni fog. Valójában, amikor a dugattyút kihúzzák a csőből, a levegő mennyisége megnő, és a film meghajlik az edényben. Ez a légnyomás csökkenését jelzi a csőben. Ugyanez a jelenség figyelhető meg, ha levegő helyett más gáz lenne a csőben.
Így, ha a gáz térfogata csökken, a nyomása nő, a térfogat növekedésével a nyomás csökken, feltéve, hogy a gáz tömege és hőmérséklete változatlan marad.
Hogyan változik egy gáz nyomása, ha állandó térfogatra melegítjük? Ismeretes, hogy a gázmolekulák sebessége melegítés hatására nő. Ha gyorsabban mozognak, a molekulák gyakrabban ütköznek a tartály falaiba. Ezenkívül a molekula minden egyes falra gyakorolt hatása erősebb lesz. Ennek eredményeként az edény falai nagyobb nyomást szenvednek.
Ennélfogva, Minél magasabb a gáz hőmérséklete, annál nagyobb a gáznyomás egy zárt edényben, feltéve, hogy a gáz tömege és térfogata nem változik.
Ezekből a kísérletekből általánosságban arra lehet következtetni A gáznyomás annál gyakrabban és erősebben növekszik az edény falához .
A gázok tárolására és szállítására erősen össze vannak sűrítve. Ugyanakkor nyomásuk nő, a gázokat speciális, nagyon tartós palackokba kell zárni. Az ilyen hengerek például tengeralattjárókban sűrített levegőt és fémhegesztéshez használt oxigént tartalmaznak. Természetesen mindig emlékeznünk kell arra, hogy a gázpalackokat nem lehet fűteni, különösen akkor, ha gázzal vannak feltöltve. Mert, mint már tudjuk, egy robbanás nagyon kellemetlen következményekkel járhat.
Pascal törvénye.
A nyomás a folyadék vagy gáz minden pontjára továbbítódik.
A dugattyú nyomása a golyót megtöltő folyadék minden pontjára továbbítja.
Most gáz.
A szilárd anyagokkal ellentétben az egyes rétegek és kis folyadék- és gázrészecskék minden irányban szabadon mozoghatnak egymáshoz képest. Elég például egy pohárban enyhén a víz felszínére fújni, hogy a víz megmozduljon. Folyón vagy tavon a legkisebb szellő is hullámzást okoz.
A gáz- és folyadékrészecskék mobilitása magyarázza ezt a rájuk kifejtett nyomás nemcsak az erő irányába, hanem minden pontba továbbítódik. Tekintsük ezt a jelenséget részletesebben.
A képen, A gázt (vagy folyadékot) tartalmazó edényt ábrázol. A részecskék egyenletesen oszlanak el az edényben. Az edényt egy dugattyú zárja le, amely fel-le mozoghat.
Némi erő kifejtésével a dugattyút enyhén befelé kényszerítjük, és összenyomjuk a közvetlenül alatta található gázt (folyadékot). Ekkor a részecskék (molekulák) a korábbinál sűrűbben helyezkednek el ezen a helyen (b. ábra). A mobilitás miatt a gázrészecskék minden irányba mozognak. Ennek eredményeként elrendezésük ismét egységes lesz, de a korábbinál sűrűbb lesz (c. ábra). Ezért a gáznyomás mindenhol növekedni fog. Ez azt jelenti, hogy további nyomást továbbít minden gáz- vagy folyadékrészecskére. Tehát, ha magának a dugattyúnak a közelében a gázra (folyadékra) ható nyomás 1 Pa-val nő, akkor minden ponton belül gáz vagy folyadék, a nyomás ugyanannyival lesz nagyobb, mint korábban. Az edény falára, fenekére és dugattyújára nehezedő nyomás 1 Pa-val nő.
A folyadékra vagy gázra kifejtett nyomás minden irányban egyformán terjed bármely pontra .
Ezt az állítást ún Pascal törvénye.
Pascal törvénye alapján könnyen megmagyarázható a következő kísérlet.
A képen egy üreges golyó látható, különböző helyeken kis lyukakkal. A labdához egy cső van rögzítve, amelybe dugattyút helyeznek. Ha megtöltünk egy labdát vízzel, és egy dugattyút nyomunk a csőbe, a víz kifolyik a golyón lévő összes lyukból. Ebben a kísérletben egy dugattyú megnyomja a víz felszínét egy csőben. A dugattyú alatt elhelyezkedő vízrészecskék tömörödve átadják nyomását más, mélyebben fekvő rétegekre. Így a dugattyú nyomása a labdát kitöltő folyadék minden pontjára továbbítódik. Ennek eredményeként a víz egy része az összes lyukból kifolyó azonos patakok formájában kiszorul a labdából.
Ha a golyó megtelik füsttel, akkor amikor a dugattyút a csőbe tolják, egyenlő füstáramok kezdenek kijönni a labda összes lyukából. Ez megerősíti ezt a gázok minden irányban egyformán továbbítják a rájuk kifejtett nyomást.
Nyomás folyadékban és gázban.
A folyadék súlyának hatására a csőben lévő gumi fenék meghajlik.
A folyadékokra, mint minden testre a Földön, hatással van a gravitáció. Ezért minden edénybe öntött folyadékréteg a súlyával nyomást hoz létre, amely Pascal törvénye szerint minden irányban továbbítódik. Ezért a folyadék belsejében nyomás van. Ez tapasztalattal igazolható.
Öntsön vizet egy üvegcsőbe, amelynek alsó nyílása vékony gumifóliával van lezárva. A folyadék súlyának hatására a cső alja meghajlik.
A tapasztalat azt mutatja, hogy minél magasabban van a vízoszlop a gumifilm felett, annál jobban meghajlik. De minden alkalommal, amikor a gumifenék meghajlik, a csőben lévő víz egyensúlyba kerül (leáll), mivel a gravitációs erőn kívül a megfeszített gumifólia rugalmas ereje hat a vízre.
A gumifilmre ható erők az |
mindkét oldalon azonosak. |
Ábra.
Az alja a gravitációs nyomás hatására eltávolodik a hengertől.
A gumifenekű csövet, amibe vizet öntenek, engedjük le egy másik, szélesebb vízzel ellátott edénybe. Látni fogjuk, hogy ahogy a csövet leengedjük, a gumifólia fokozatosan kiegyenesedik. A film teljes kiegyenesítése azt mutatja, hogy a felülről és alulról rá ható erők egyenlőek. A film teljes kiegyenesítése akkor következik be, ha a csőben és az edényben a vízszint egybeesik.
Ugyanez a kísérlet elvégezhető egy csővel is, amelyben gumifólia fedi az oldalsó lyukat, amint az a ábrán látható. Merítsük ezt a vizes csövet egy másik vízzel ellátott edénybe, az ábrán látható módon, b. Észre fogjuk venni, hogy a fólia újra kiegyenesedik, amint a vízszint a csőben és az edényben egyenlő lesz. Ez azt jelenti, hogy a gumifilmre ható erők minden oldalon azonosak.
Vegyünk egy edényt, amelynek az alja leeshet. Tegyük egy üveg vízbe. Az alja szorosan az edény széléhez lesz nyomva, és nem esik le. Alulról felfelé irányuló víznyomás ereje nyomja.
Óvatosan vizet öntünk az edénybe, és figyeljük az alját. Amint az edényben lévő vízszint egybeesik az edényben lévő vízszinttel, a víz leesik az edényről.
Az elválasztás pillanatában az edényben lévő folyadékoszlop felülről lefelé nyomódik, és a nyomás egy azonos magasságú, de az edényben elhelyezkedő folyadékoszlopból alulról felfelé halad át az aljára. Mindkét nyomás azonos, de a fenék eltávolodik a hengertől a saját gravitációjának hatására.
A vízzel végzett kísérleteket fentebb leírtuk, de ha víz helyett más folyadékot veszünk, a kísérlet eredménye ugyanaz lesz.
Tehát a kísérletek ezt mutatják A folyadék belsejében nyomás van, és ugyanazon a szinten minden irányban egyenlő. A nyomás a mélységgel nő.
A gázok ebben a tekintetben nem különböznek a folyadékoktól, mert súlyuk is van. De emlékeznünk kell arra, hogy a gáz sűrűsége több százszor kisebb, mint a folyadék sűrűsége. Az edényben lévő gáz súlya kicsi, „súly” nyomása sok esetben figyelmen kívül hagyható.
Az edény fenekére és falaira gyakorolt folyadéknyomás kiszámítása.
Az edény fenekére és falaira gyakorolt folyadéknyomás kiszámítása.
Nézzük meg, hogyan számíthatja ki a folyadék nyomását az edény alján és falán. Először oldjuk meg a feladatot egy négyszögletes paralelepipedon alakú érre.
Kényszerítés F, amellyel az ebbe az edénybe öntött folyadék az alját nyomja, egyenlő a súllyal P folyadék a tartályban. A folyadék tömege a tömegének ismeretében határozható meg m. A tömeg, mint tudod, a következő képlettel számítható ki: m = ρ·V. Az általunk választott edénybe öntött folyadék térfogata könnyen kiszámítható. Ha egy edényben a folyadékoszlop magasságát betűvel jelöljük hés az edény aljának területe S, Azt V = S h.
Folyékony tömeg m = ρ·V, vagy m = ρ S h .
Ennek a folyadéknak a súlya P = g m, vagy P = g ρ S h.
Mivel egy folyadékoszlop tömege egyenlő azzal az erővel, amellyel a folyadék az edény alját nyomja, akkor a tömeg elosztásával P A térre S, megkapjuk a folyadéknyomást p:
p = P/S vagy p = g·ρ·S·h/S,
Kaptunk egy képletet az edény alján lévő folyadék nyomásának kiszámításához. Ebből a képletből egyértelmű, hogy a folyadék nyomása az edény alján csak a folyadékoszlop sűrűségétől és magasságától függ.
Ezért a kapott képlet segítségével kiszámíthatja az edénybe öntött folyadék nyomását bármilyen alakú(Szigorúan véve számításunk csak olyan edényekre alkalmas, amelyeknek egyenes prizma és henger alakúak. Az intézet fizika kurzusain bebizonyosodott, hogy a képlet tetszőleges alakú edényre is igaz). Ezenkívül az edény falára nehezedő nyomás kiszámítására is használható. A folyadékon belüli nyomást, beleértve a nyomást alulról felfelé, szintén ezzel a képlettel számítjuk ki, mivel a nyomás azonos mélységben minden irányban azonos.
A nyomás kiszámításakor a képlet segítségével p = gρh sűrűségre van szüksége ρ kilogramm/köbméterben kifejezve (kg/m3), valamint a folyadékoszlop magassága h- méterben (m), g= 9,8 N/kg, akkor a nyomást pascalban (Pa) fejezzük ki.
Példa. Határozza meg az olaj nyomását a tartály alján, ha az olajoszlop magassága 10 m és sűrűsége 800 kg/m 3.
Írjuk fel a probléma állapotát, és írjuk le.
Adott :
ρ = 800 kg/m 3
Megoldás :
p = 9,8 N/kg · 800 kg/m 3 · 10 m ≈ 80 000 Pa ≈ 80 kPa.
Válasz : p ≈ 80 kPa.
Kommunikációs erek.
Kommunikációs erek.
Az ábrán két edény látható, amelyek gumicsővel vannak összekötve egymással. Az ilyen edényeket ún kommunikál. Egy öntözőkanna, egy teáskanna, egy kávéskanna példák a kommunikáló edényekre. Tapasztalatból tudjuk, hogy például egy öntözőkannába öntött víz mindig azonos szinten van a kifolyócsőben és a belsejében.
Gyakran találkozunk kommunikáló erekkel. Például lehet teáskanna, öntözőkanna vagy kávéskanna. |
A homogén folyadék felületei azonos szinten vannak beépítve bármilyen alakú, egymással érintkező edénybe. |
Különböző sűrűségű folyadékok. |
A következő egyszerű kísérlet végezhető kommunikáló erekkel. A kísérlet elején a gumicsövet a közepébe szorítjuk, és az egyik csőbe vizet öntünk. Ezután kinyitjuk a bilincset, és a víz azonnal befolyik a másik csőbe, amíg a vízfelület mindkét csőben egy szintre nem kerül. Az egyik kézibeszélőt felszerelheti állványra, a másikat pedig felemelheti, leengedheti vagy megdöntheti különböző oldalak. És ebben az esetben, amint a folyadék megnyugszik, szintje mindkét csőben kiegyenlítődik.
Bármilyen alakú és keresztmetszetű összekötő edényekben a homogén folyadék felületei azonos szintre vannak állítva(feltéve, hogy a folyadék feletti légnyomás azonos) (109. ábra).
Ez a következőképpen igazolható. A folyadék nyugalomban van anélkül, hogy egyik edényből a másikba mozogna. Ez azt jelenti, hogy a nyomás mindkét edényben bármely szinten azonos. A folyadék mindkét edényben azonos, azaz azonos a sűrűsége. Ezért a magasságának azonosnak kell lennie. Amikor felemelünk egy edényt vagy folyadékot töltünk bele, a nyomás megnő, és a folyadék egy másik edénybe kerül, amíg a nyomások ki nem egyensúlyoznak.
Ha egy sűrűségű folyadékot öntünk az egyik összekötő edénybe, és egy másik sűrűségű folyadékot öntünk a másodikba, akkor egyensúlyi állapotban ezeknek a folyadékoknak a szintje nem lesz azonos. És ez érthető. Tudjuk, hogy a folyadék nyomása az edény alján egyenesen arányos az oszlop magasságával és a folyadék sűrűségével. És ebben az esetben a folyadékok sűrűsége eltérő lesz.
Ha a nyomások egyenlőek, akkor a nagyobb sűrűségű folyadékoszlop magassága kisebb lesz, mint egy kisebb sűrűségű folyadékoszlop magassága (ábra).
Tapasztalat. Hogyan határozzuk meg a levegő tömegét.
Levegősúly. Légköri nyomás.
A légköri nyomás létezése.
A légköri nyomás nagyobb, mint a ritkított levegő nyomása az edényben.
A levegőre, mint minden testre a Földön, hatással van a gravitáció, ezért a levegőnek súlya van. A levegő tömege könnyen kiszámítható, ha ismeri a tömegét.
Kísérletileg megmutatjuk, hogyan kell kiszámítani a levegő tömegét. Ehhez egy tartós, dugós üveggolyót és egy bilinccsel ellátott gumicsövet kell venni. Kiszivattyúzzuk belőle a levegőt, bilinccsel befogjuk a csövet és egyensúlyozzuk a mérlegen. Ezután a gumicsövön lévő bilincset kinyitva engedjen bele levegőt. Ez felborítja a mérleg egyensúlyát. A helyreállításhoz súlyokat kell helyeznie a mérleg másik serpenyőjére, amelyek tömege megegyezik a labda térfogatában lévő levegő tömegével.
A kísérletek kimutatták, hogy 0 °C hőmérsékleten és normál légköri nyomáson az 1 m 3 térfogatú levegő tömege 1,29 kg. Ennek a levegőnek a tömege könnyen kiszámítható:
P = g m, P = 9,8 N/kg 1,29 kg ≈ 13 N.
A Földet körülvevő levegőhéjat ún légkör (görögből légkör- gőz, levegő és gömb- labda).
A légkör a repülési megfigyelések szerint mesterséges műholdak A Föld több ezer kilométeres magasságig terjed.
A gravitáció hatására a légkör felső rétegei az óceánvízhez hasonlóan összenyomják az alsóbb rétegeket. A közvetlenül a Földdel szomszédos levegőréteg sűrített össze leginkább, és Pascal törvénye szerint minden irányba továbbítja a rá nehezedő nyomást.
Ennek eredményeként a Föld felszíneés a rajta elhelyezkedő testek a levegő teljes vastagságában átélik a nyomást, vagy ahogy ilyenkor mondani szokás, Légköri nyomás .
A légköri nyomás megléte sok olyan jelenséget magyarázhat, amellyel az életben találkozunk. Nézzünk meg néhányat közülük.
Az ábrán egy üvegcső látható, amelynek belsejében egy dugattyú található, amely szorosan illeszkedik a cső falaihoz. A cső végét vízbe engedjük. Ha felemeli a dugattyút, a víz felemelkedik mögötte.
Ezt a jelenséget vízszivattyúkban és néhány más készülékben használják.
Az ábrán egy hengeres edény látható. Dugóval van lezárva, amelybe egy csapot tartalmazó csövet helyeznek. A levegőt szivattyúval pumpálják ki az edényből. Ezután a cső végét vízbe helyezzük. Ha most kinyitja a csapot, a víz szökőkútként fog permetezni az edény belsejébe. A víz azért kerül az edénybe, mert a légköri nyomás nagyobb, mint a ritkított levegő nyomása az edényben.
Miért létezik a Föld légburoka?
Mint minden test, a Föld légburokát alkotó gázmolekulák is vonzódnak a Földhöz.
De akkor miért nem zuhan mindegyik a Föld felszínére? Hogyan őrzi meg a Föld légkörét és légkörét? Ennek megértéséhez figyelembe kell vennünk, hogy a gázmolekulák folyamatos és véletlenszerű mozgásban vannak. De akkor felmerül egy másik kérdés: miért nem repülnek el ezek a molekulák? világtér, vagyis az űrbe.
Annak érdekében, hogy teljesen elhagyja a Földet, egy molekula, mint pl űrhajó vagy rakéta, nagyon nagy sebességgel kell rendelkeznie (legalább 11,2 km/s). Ez az ún második menekülési sebesség. A legtöbb molekula sebessége a Föld léghéjában ennél lényegesen kisebb szökési sebesség. Ezért legtöbbjüket a gravitáció köti a Földhöz, csak elenyésző számú molekula repül a Földön túl az űrbe.
A molekulák véletlenszerű mozgása és a gravitáció rájuk gyakorolt hatása azt eredményezi, hogy a Föld közelében lévő űrben gázmolekulák „lebegnek”, légburkot, vagy az általunk ismert légkört alkotva.
A mérések azt mutatják, hogy a levegő sűrűsége gyorsan csökken a magassággal. Tehát a Föld felett 5,5 km-es magasságban a levegő sűrűsége kétszer kisebb, mint a Föld felszínén, 11 km-es magasságban - 4-szer kisebb stb. Minél magasabb, annál ritkább a levegő. És végül a legfelső rétegekben (a Föld felett több száz és ezer kilométerrel) a légkör fokozatosan levegőtlen térré változik. A Föld levegőburkának nincs egyértelmű határa.
Szigorúan véve a gravitáció hatására a gázsűrűség egyetlen zárt edényben sem azonos az edény teljes térfogatában. Az edény alján a gáz sűrűsége nagyobb, mint a felső részein, ezért a nyomás az edényben nem azonos. Az edény alján nagyobb, mint a tetején. Egy edényben lévő gáznál azonban ez a sűrűség- és nyomáskülönbség olyan kicsi, hogy sok esetben teljesen figyelmen kívül hagyható, csak tudni kell róla. De egy több ezer kilométeres légkör esetében ez a különbség jelentős.
Légköri nyomás mérése. Torricelli tapasztalata.
Lehetetlen a légköri nyomás kiszámítása a folyadékoszlop nyomásának kiszámítására szolgáló képlet segítségével (38. §). Egy ilyen számításhoz ismernie kell a légkör magasságát és a levegő sűrűségét. De a légkörnek nincs határozott határa, és a levegő sűrűsége különböző magasságokban eltérő. A légköri nyomást azonban meg lehet mérni egy olasz tudós 17. századi kísérletével Evangelista Torricelli , Galilei tanítványa.
Torricelli kísérlete a következőkből áll: egy körülbelül 1 m hosszú, egyik végén lezárt üvegcsövet megtöltenek higannyal. Ezután a cső második végét szorosan lezárva megfordítják és leengedik egy higanypohárba, ahol a csőnek ezt a végét a higanyszint alatt kinyitják. Mint minden folyadékkal végzett kísérletnél, a higany egy részét a csészébe öntik, egy része pedig a csőben marad. A csőben maradó higanyoszlop magassága körülbelül 760 mm. A cső belsejében a higany felett nincs levegő, levegőtlen tér van, így a cső belsejében lévő higanyoszlopra felülről gáz nem gyakorol nyomást, és nem befolyásolja a méréseket.
Torricelli, aki a fentebb leírt kísérletet javasolta, magyarázatot is adott. A légkör megnyomja a csészében lévő higany felületét. A higany egyensúlyban van. Ez azt jelenti, hogy a nyomás a csőben a szinten van ahh 1 (lásd az ábrát) egyenlő a légköri nyomással. A légköri nyomás változásával a csőben lévő higanyoszlop magassága is megváltozik. A nyomás növekedésével az oszlop meghosszabbodik. A nyomás csökkenésével a higanyoszlop magassága csökken.
A csőben az aa1 szinten lévő nyomást a csőben lévő higanyoszlop súlya hozza létre, mivel a cső felső részében nincs levegő a higany felett. Ebből következik, hogy légköri nyomás megegyezik a csőben lévő higanyoszlop nyomásával , azaz
p atm = p higany
Minél magasabb a légköri nyomás, annál magasabb a higanyoszlop Torricelli kísérletében. Ezért a gyakorlatban a légköri nyomás a higanyoszlop magasságával mérhető (milliméterben vagy centiméterben). Ha például a légköri nyomás 780 Hgmm. Művészet. (higanymilliméternek mondják), ez azt jelenti, hogy a levegő ugyanolyan nyomást termel, mint egy 780 mm magas függőleges higanyoszlop.
Ezért ebben az esetben a légköri nyomás mértékegysége 1 higanymilliméter (1 Hgmm). Keressük meg az egység és az általunk ismert egység közötti kapcsolatot - pascal(Pa).
Az 1 mm magas ρ higanyoszlop nyomása egyenlő:
p = g·ρ·h, p= 9,8 N/kg · 13 600 kg/m 3 · 0,001 m ≈ 133,3 Pa.
Tehát 1 Hgmm. Művészet. = 133,3 Pa.
Jelenleg a légköri nyomást általában hektopascalban mérik (1 hPa = 100 Pa). Például az időjárás-jelentések bejelenthetik, hogy a nyomás 1013 hPa, ami megegyezik 760 Hgmm-rel. Művészet.
A csőben lévő higanyoszlop magasságát naponta megfigyelve Torricelli felfedezte, hogy ez a magasság változik, vagyis a légköri nyomás nem állandó, növekedhet és csökkenhet. Torricelli azt is megjegyezte, hogy a légköri nyomás az időjárás változásaihoz kapcsolódik.
Ha függőleges skálát rögzít a Torricelli kísérletében használt higanycsőhöz, akkor a legegyszerűbb eszközt kapja - higany barométer (görögből baros- nehézkedés, metreo- Mérek). A légköri nyomás mérésére szolgál.
Barométer - aneroid.
A gyakorlatban a légköri nyomás mérésére egy fém barométert használnak, amelyet fémbarométernek neveznek. aneroid (görögről fordítva - aneroid). Ezt nevezik barométernek, mert nem tartalmaz higanyt.
Az aneroid megjelenése az ábrán látható. Fő része egy hullámos (hullámos) felületű fémdoboz 1 (lásd a másik ábrát). Ebből a dobozból kiszivattyúzzák a levegőt, és annak megakadályozására, hogy a légköri nyomás összenyomja a dobozt, a fedelét 2 egy rugó felfelé húzza. A légköri nyomás növekedésével a fedél lehajlik és megfeszíti a rugót. A nyomás csökkenésével a rugó kiegyenesíti a kupakot. A rugóra egy 4 jelzőnyíl van rögzítve egy 3 erőátviteli mechanizmus segítségével, amely a nyomás változásával jobbra vagy balra mozog. A nyíl alatt egy skála található, melynek osztásait a higanybarométer leolvasása szerint jelöljük. Így a 750-es szám, amellyel szemben az aneroid nyíl áll (lásd az ábrát), azt mutatja, hogy in Ebben a pillanatban higanybarométerben a higanyoszlop magassága 750 mm.
Ezért a légköri nyomás 750 Hgmm. Művészet. vagy ≈ 1000 hPa.
A légköri nyomás értéke nagyon fontos az elkövetkező napok időjárásának előrejelzéséhez, mivel a légköri nyomás változása az időjárás változásaival függ össze. A barométer a meteorológiai megfigyelések elengedhetetlen eszköze.
Légköri nyomás különböző magasságokban.
A folyadékban a nyomás, mint tudjuk, a folyadék sűrűségétől és oszlopának magasságától függ. Az alacsony összenyomhatóság miatt a folyadék sűrűsége különböző mélységekben közel azonos. Ezért a nyomás kiszámításakor a sűrűségét állandónak tekintjük, és csak a magasság változását vesszük figyelembe.
A gázokkal bonyolultabb a helyzet. A gázok erősen összenyomhatóak. És minél jobban összenyomnak egy gázt, annál nagyobb a sűrűsége, és annál nagyobb a nyomása is. Végül is a gáznyomást molekuláinak a test felületére gyakorolt hatása hozza létre.
A Föld felszínén lévő levegőrétegeket a felettük elhelyezkedő összes levegőréteg összenyomja. De minél magasabb a levegőréteg a felszíntől, annál gyengébb az összenyomás, annál kisebb a sűrűsége. Ezért annál kisebb nyomást termel. Ha pl. ballon a Föld felszíne fölé emelkedik, a labdára nehezedő légnyomás csökken. Ez nem csak azért történik, mert a felette lévő légoszlop magassága csökken, hanem azért is, mert a levegő sűrűsége csökken. Felül kisebb, mint alul. Ezért a légnyomás magasságtól való függése összetettebb, mint a folyadékoké.
A megfigyelések azt mutatják, hogy a tengerszinti területeken a légköri nyomás átlagosan 760 Hgmm. Művészet.
A 760 mm magas higanyoszlop nyomásával megegyező légköri nyomást 0 °C hőmérsékleten normál légköri nyomásnak nevezzük..
Normál légköri nyomás egyenlő 101 300 Pa = 1013 hPa.
Minél magasabb a tengerszint feletti magasság, annál alacsonyabb a nyomás.
Kis emelkedéseknél átlagosan minden 12 m emelkedésnél a nyomás 1 Hgmm-rel csökken. Művészet. (vagy 1,33 hPa-val).
A nyomás magasságtól való függésének ismeretében a barométer leolvasásának megváltoztatásával meghatározhatja a tengerszint feletti magasságot. Olyan aneroidokat nevezünk, amelyeknek van egy skálája, amellyel közvetlenül mérhető a tengerszint feletti magasság magasságmérők . Repülésben és hegymászásban használják.
Nyomásmérő.
Azt már tudjuk, hogy barométereket használnak a légköri nyomás mérésére. A légköri nyomásnál nagyobb vagy kisebb nyomás mérésére használják nyomásmérő (görögből manos- ritka, laza, metreo- Mérek). Vannak nyomásmérők folyékonyÉs fém.
|
|
Nézzük először az eszközt és a műveletet. Nyissa ki a folyadék nyomásmérőjét. Kétlábú üvegcsőből áll, amelybe némi folyadékot öntenek. A folyadék mindkét könyökbe azonos szinten van beépítve, mivel az edény könyökeiben csak a légköri nyomás hat a felületére.
Az ilyen nyomásmérő működésének megértéséhez gumicsővel csatlakoztatható egy kerek lapos dobozhoz, amelynek egyik oldala gumifóliával van borítva. Ha megnyomja az ujját a fólián, a folyadékszint a dobozhoz csatlakoztatott nyomásmérő könyökében csökken, a másik könyökben pedig nő. Mi magyarázza ezt?
A fólia megnyomásakor a dobozban megnő a légnyomás. Pascal törvénye szerint ez a nyomásnövekedés a dobozhoz csatlakoztatott nyomásmérő könyökében lévő folyadékra is átkerül. Ezért ebben a könyökben a folyadékra nehezedő nyomás nagyobb lesz, mint a másikban, ahol csak a légköri nyomás hat a folyadékra. A túlnyomás hatására a folyadék elkezd mozogni. A sűrített levegővel ellátott könyökben a folyadék leesik, a másikban felemelkedik. A folyadék egyensúlyba kerül (leáll), amikor a sűrített levegő túlnyomását kiegyenlíti a nyomásmérő másik lábában lévő felesleges folyadékoszlop nyomása.
Minél erősebben nyomja meg a filmet, annál nagyobb a felesleges folyadékoszlop, annál nagyobb a nyomása. Ennélfogva, a nyomás változása ennek a többletoszlopnak a magasságából ítélhető meg.
Az ábra azt mutatja, hogy egy ilyen nyomásmérő hogyan tudja mérni a nyomást egy folyadékban. Minél mélyebbre merül a cső a folyadékba, annál nagyobb lesz a folyadékoszlopok magasságkülönbsége a nyomásmérő könyökeiben., ezért és nagyobb nyomást generál a folyadék.
Ha a készülékdobozt bizonyos mélységben a folyadék belsejébe helyezi, és a fóliával felfelé, oldalra és lefelé fordítja, a nyomásmérő állása nem változik. Ennek így kell lennie, mert a folyadék belsejében azonos szinten a nyomás minden irányban egyenlő.
A képen látható fém nyomásmérő . Az ilyen nyomásmérő fő része egy csőbe hajlított fémcső 1 , melynek egyik vége zárva van. A cső másik végét egy csap segítségével 4 kommunikál azzal az edénnyel, amelyben a nyomást mérik. A nyomás növekedésével a cső kihajlik. Zárt végének mozgatása kar segítségével 5 és fogazatok 3 továbbított a nyílra 2 , a műszermérleg közelében mozog. A nyomás csökkenésekor a cső rugalmasságának köszönhetően visszatér korábbi helyzetébe, a nyíl pedig a skála nulla osztásába.
Dugattyús folyadékszivattyú.
A korábban vizsgált kísérletben (40. §) megállapították, hogy az üvegcsőben lévő víz a légköri nyomás hatására felfelé emelkedett a dugattyú mögött. Ezen alapul az akció. dugattyú szivattyúk
A szivattyú sematikusan látható az ábrán. Egy hengerből áll, amelynek belsejében egy dugattyú fel-le mozog, szorosan az edény falai mellett. 1 . A szelepek a henger aljára és magában a dugattyúban vannak felszerelve 2 , csak felfelé nyílik. Amikor a dugattyú felfelé mozog, a légköri nyomás hatására víz belép a csőbe, felemeli az alsó szelepet, és a dugattyú mögé mozog.
Ahogy a dugattyú lefelé mozog, a dugattyú alatti víz megnyomja az alsó szelepet, és az bezáródik. Ugyanakkor víznyomás alatt a dugattyú belsejében lévő szelep kinyílik, és a víz a dugattyú feletti térbe áramlik. Amikor a dugattyú legközelebb felfelé mozdul, a felette lévő víz is felemelkedik, és a kimeneti csőbe ömlik. Ugyanakkor a dugattyú mögé emelkedik egy új vízrész, amely a dugattyú későbbi leengedésekor megjelenik felette, és ez az egész eljárás újra és újra megismétlődik, miközben a szivattyú működik.
Hidraulikus nyomás.
Pascal törvénye megmagyarázza a cselekvést hidraulikus gép (görögből hidraulika- víz). Ezek olyan gépek, amelyek működése a folyadékok mozgásának és egyensúlyának törvényein alapul.
A hidraulikus gép fő része két különböző átmérőjű henger, amelyek dugattyúkkal és összekötő csővel vannak felszerelve. A dugattyúk és a cső alatti tér folyadékkal (általában ásványolajjal) van feltöltve. A folyadékoszlopok magassága mindkét hengerben azonos mindaddig, amíg a dugattyúkra nem hat erő.
Tegyük fel most, hogy az erők F 1 és F 2 - a dugattyúkra ható erők, S 1 és S 2 - dugattyús területek. Az első (kis) dugattyú alatti nyomás egyenlő p 1 = F 1 / S 1, és a második alatt (nagy) p 2 = F 2 / S 2. Pascal törvénye szerint a nyomást minden irányban egyformán továbbítja a nyugalmi folyadék, azaz. p 1 = p 2 vagy F 1 / S 1 = F 2 / S 2, innen:
F 2 / F 1 = S 2 / S 1 .
Ezért az erő F 2 annyiszor nagyobb erő F 1 , Hányszor nagyobb a nagy dugattyú területe, mint a kis dugattyúé?. Például, ha a nagy dugattyú területe 500 cm2, a kicsié pedig 5 cm2, és a kis dugattyúra 100 N erő hat, akkor 100-szor nagyobb, azaz 10 000 N erő hat. hat a nagyobb dugattyúra.
Így egy hidraulikus gép segítségével kisebb erővel nagyobb erőt lehet kiegyenlíteni.
Hozzáállás F 1 / F A 2 az erőnövekedést mutatja. Például a megadott példában az erőnövekedés 10 000 N / 100 N = 100.
A préselésre (préselésre) használt hidraulikus gépet ún hidraulikus nyomás .
A hidraulikus préseket ott használják, ahol nagyobb erőre van szükség. Például olajpréseléshez magvakból olajmalmokban, rétegelt lemez, karton, széna sajtolására. A kohászati üzemekben hidraulikus préseket használnak acélgép tengelyek, vasúti kerekek és sok más termék előállításához. A modern hidraulikus prések több tíz- és százmillió newtonos erőt képesek kifejteni.
A hidraulikus prés felépítése vázlatosan látható az ábrán. Az 1 (A) préselt testet a 2 nagy dugattyúhoz (B) csatlakoztatott platformra helyezzük. Egy kis dugattyú 3 (D) segítségével nagy nyomás jön létre a folyadékon. Ez a nyomás a hengereket töltő folyadék minden pontjára továbbítja. Ezért ugyanaz a nyomás hat a második, nagyobb dugattyúra. De mivel a 2. (nagy) dugattyú területe nagyobb, mint a kicsi, a rá ható erő nagyobb lesz, mint a 3 (D) dugattyúra ható erő. Ennek az erőnek a hatására a 2 (B) dugattyú felemelkedik. Amikor a 2. dugattyú (B) felemelkedik, az (A) test nekitámaszkodik az álló felső platformnak, és összenyomódik. A 4 (M) nyomásmérő a folyadéknyomást méri. Az 5. biztonsági szelep (P) automatikusan kinyílik, ha a folyadéknyomás meghaladja a megengedett értéket.
A kis hengerből a nagy hengerbe a folyadékot a kis 3 dugattyú (D) ismételt mozgása szivattyúzza. Ez a következőképpen történik. Amikor a kis dugattyú (D) felemelkedik, a 6 (K) szelep kinyílik, és folyadék szívódik be a dugattyú alatti térbe. Ha a kis dugattyút a folyadéknyomás hatására leengedik, a 6 (K) szelep bezárul, a 7 (K") szelep kinyílik, és a folyadék a nagy edénybe áramlik.
A víz és a gáz hatása a bennük elmerült testre.
A víz alatt könnyen felemelhetünk egy nehezen felemelhető követ a levegőben. Ha víz alá teszel egy parafát, és kiengeded a kezedből, fel fog úszni. Hogyan magyarázhatók ezek a jelenségek?
Tudjuk (38. §), hogy a folyadék megnyomja az edény fenekét és falait. És ha valamilyen szilárd testet helyezünk a folyadékba, az is nyomás alá kerül, akárcsak az edény falai.
Tekintsük azokat az erőket, amelyek a folyadékból a belemerült testre hatnak. Az érvelés megkönnyítése érdekében válasszunk olyan testet, amely paralelepipedon alakú, amelynek alapjai párhuzamosak a folyadék felszínével (ábra). A test oldalfelületeire ható erők páronként egyenlőek és kiegyenlítik egymást. Ezen erők hatására a test összehúzódik. De a test felső és alsó szélére ható erők nem azonosak. A felső élt felülről erővel nyomják F 1 oszlop folyadék magas h 1 . Az alsó szél szintjén a nyomás magas folyadékoszlopot hoz létre h 2. Ez a nyomás, mint tudjuk (37. §), a folyadék belsejében minden irányban továbbítódik. Következésképpen a test alsó oldalán alulról felfelé erővel F 2 magasra nyom egy folyadékoszlopot h 2. De h még 2 h 1, tehát az erőmodulus F 2 további tápmodul F 1 . Ezért a testet erővel kiszorítják a folyadékból F Vt, egyenlő az erők különbségével F 2 - F 1, azaz
|
|
De S·h = V, ahol V a paralelepipedon térfogata, és ρ f ·V = m f a folyadék tömege a paralelepipedon térfogatában. Ennélfogva, F out = g m w = P w, azaz felhajtóerő egyenlő a folyadék tömegével a belemerült test térfogatában(a felhajtóerő egyenlő a benne elmerült test térfogatával azonos térfogatú folyadék tömegével). A testet folyadékból kiszorító erő létezése kísérletileg könnyen kimutatható. A képen A rugóra felfüggesztett testet mutat be nyílmutatóval a végén. A nyíl az állványon lévő rugó feszességét jelöli. Amikor a testet a vízbe engedik, a forrás összehúzódik (ábra. b). A rugó ugyanolyan összehúzódása érhető el, ha bizonyos erővel alulról felfelé hat a testre, például megnyomja a kezével (emelje). Ezért a tapasztalatok ezt igazolják a folyadékban lévő testre olyan erő hat, amely kiszorítja a testet a folyadékból. Mint tudjuk, Pascal törvénye a gázokra is vonatkozik. Ezért A gázban lévő testekre olyan erő hat, amely kiszorítja őket a gázból. Ennek az erőnek a hatására a léggömbök felfelé emelkednek. Kísérletileg is megfigyelhető a testet gázból kiszorító erő létezése. A lerövidített pikkelyes serpenyőről egy üveggolyót vagy egy dugóval lezárt nagy lombikot akasztunk. A mérleg kiegyensúlyozott. Ezután egy széles edényt helyezünk a lombik (vagy golyó) alá úgy, hogy az az egész lombikot körülvegye. Az edény meg van töltve szén-dioxiddal, amelynek sűrűsége nagyobb, mint a levegő sűrűsége (ezért szén-dioxid leesik és kitölti az edényt, kiszorítva belőle a levegőt). Ilyenkor a mérleg egyensúlya megbomlik. A csésze a felfüggesztett lombikkal felfelé emelkedik (ábra). A szén-dioxidba merített lombik nagyobb felhajtóerőt fejt ki, mint a levegőben rá ható erő. Az az erő, amely egy testet kiszorít egy folyadékból vagy gázból, ellentétes a testre ható gravitációs erővel. Ezért prolkozmosz). Éppen ezért a vízben néha könnyen felemelünk olyan testeket, amelyeket nehezen tartunk a levegőben. Egy kis vödör és egy hengeres test van felfüggesztve a rugóra (ábra, a). Az állványon lévő nyíl jelzi a rugó nyúlását. Megmutatja a test súlyát a levegőben. A test felemelése után az öntőcső szintjéig folyadékkal töltött öntőedényt helyeznek alá. Ezután a test teljesen elmerül a folyadékban (b. ábra). Ahol a folyadék egy részét, amelynek térfogata megegyezik a test térfogatával, kiöntik a kiöntőedényből a pohárba. A rugó összehúzódik, a rugómutató pedig felemelkedik, jelezve a testtömeg csökkenését a folyadékban. Ilyenkor a gravitáció mellett egy másik erő is hat a testre, kiszorítva azt a folyadékból. Ha egy pohárból folyadékot öntünk a felső vödörbe (azaz azt a folyadékot, amelyet a test kiszorított), akkor a rugómutató visszatér a kiindulási helyzetébe (c ábra).
A tapasztalatok alapján arra lehet következtetni a folyadékba teljesen elmerült testet kinyomó erő egyenlő a folyadék tömegével a test térfogatában . Ugyanezt a következtetést kaptuk a 48. §-ban is. Ha egy hasonló kísérletet végeznének valamilyen gázba merített testtel, az azt mutatná a testet a gázból kinyomó erő is egyenlő a test térfogatában vett gáz tömegével . Azt az erőt, amely a testet folyadékból vagy gázból kilöki, ún Arkhimédeszi erő, a tudós tiszteletére Archimedes , aki először mutatott rá a létezésére és kiszámolta az értékét. Tehát a tapasztalat megerősítette, hogy az arkhimédeszi (vagy felhajtó) erő egyenlő a folyadék tömegével a test térfogatában, azaz. F A = P f = g més. A test által kiszorított mf folyadék tömege kifejezhető a ρf sűrűségével és a folyadékba merült Vt test térfogatával (mivel Vf - a test által kiszorított folyadék térfogata egyenlő Vt - a bemerült test térfogatával folyadékban), azaz m f = ρ f ·V t. Ekkor kapjuk: F A= g·ρés · V T Következésképpen az arkhimédeszi erő a folyadék sűrűségétől, amelybe a test elmerül, és a test térfogatától függ. De ez nem függ például a folyadékba merített test anyagának sűrűségétől, mivel ez a mennyiség nem szerepel a kapott képletben. Határozzuk meg most egy folyadékba (vagy gázba) merített test súlyát. Mivel a testre ható két erő ebben az esetben ellentétes irányú (a gravitációs erő lefelé, az arkhimédeszi erő pedig felfelé), így a P 1 folyadékban lévő test tömege kisebb lesz, mint a test tömege. a test vákuumban P = g m az arkhimédeszi erőről F A = g m w (hol m g - a test által kiszorított folyadék vagy gáz tömege). És így, ha egy testet folyadékba vagy gázba merítünk, akkor annyi súlyt veszít, amennyit kiszorított folyadék vagy gáz. Példa. Határozza meg a tengervízben 1,6 m 3 térfogatú kőre ható felhajtóerőt! Írjuk fel a probléma feltételeit és oldjuk meg. Amikor a lebegő test eléri a folyadék felszínét, akkor további felfelé mozgásával az arkhimédeszi erő csökken. Miért? Hanem azért, mert a folyadékba merült testrész térfogata csökkenni fog, és az arkhimédeszi erő megegyezik a folyadék súlyával a belemerült testrész térfogatában. Amikor az arkhimédészi erő egyenlővé válik a gravitációs erővel, a test megáll és a folyadék felszínén lebeg, részben belemerülve. Az így kapott következtetés kísérletileg könnyen ellenőrizhető. Öntsön vizet a vízelvezető edénybe a vízelvezető cső szintjéig. Ezt követően az úszótestet az edénybe merítjük, miután előzőleg lemértük a levegőben. A vízbe ereszkedés után a test a benne elmerült testrész térfogatával megegyező mennyiségű vizet szorít ki. A víz lemérése után azt találjuk, hogy a súlya (Archimédesi erő) megegyezik a lebegő testre ható gravitációs erővel, vagy ennek a testnek a tömegével a levegőben. Miután elvégezte ugyanazokat a kísérleteket bármely más, különböző folyadékokban – vízben, alkoholban, sóoldatban – lebegő testtel, biztos lehet benne, hogy ha egy test folyadékban lebeg, akkor az általa kiszorított folyadék tömege megegyezik a test tömegével a levegőben. Ezt könnyű bizonyítani ha a szilárd anyag sűrűsége nagyobb, mint a folyadék sűrűsége, akkor a test elsüllyed egy ilyen folyadékban. Ebben a folyadékban egy kisebb sűrűségű test úszik. Egy vasdarab például elsüllyed a vízben, de lebeg a higanyban. Az a test, amelynek sűrűsége megegyezik a folyadék sűrűségével, egyensúlyban marad a folyadék belsejében. A jég lebeg a víz felszínén, mert sűrűsége kisebb, mint a víz sűrűsége. Hogyan kisebb sűrűség test a folyadék sűrűségéhez képest a test kisebb része a folyadékba merül . A test és a folyadék azonos sűrűsége esetén a test bármilyen mélységben lebeg a folyadék belsejében. Két egymással nem elegyedő folyadék, például víz és kerozin található egy edényben sűrűségüknek megfelelően: az edény alsó részében - sűrűbb víz (ρ = 1000 kg/m3), felül - könnyebb kerozin (ρ = 800 kg). /m3) . A lakott élőlények átlagos sűrűsége vízi környezet, alig térnek el a víz sűrűségétől, így súlyukat szinte teljesen kiegyenlíti az arkhimédeszi erő. Ennek köszönhetően a vízi állatoknak nincs szükségük olyan erős és masszív csontvázakra, mint a szárazföldieknek. Ugyanezen okból a vízinövények törzse rugalmas. A hal úszóhólyagja könnyen változtatja a térfogatát. Amikor egy hal az izmok segítségével nagyobb mélységbe ereszkedik, és megnő a rá nehezedő víznyomás, a buborék összehúzódik, a hal testének térfogata csökken, és nem lökdösik felfelé, hanem lebeg a mélyben. Így a hal bizonyos határok között szabályozhatja merülésének mélységét. A bálnák tüdejük kapacitásának csökkentésével és növelésével szabályozzák merülésük mélységét. Hajók vitorlázása.A folyókon, tavakon, tengereken és óceánokon közlekedő hajók különböző sűrűségű anyagokból épülnek fel. A hajók törzse általában acéllemezekből készül. Minden belső rögzítés, amely a hajók szilárdságát adja, szintén fémből készül. A hajók építéséhez különféle anyagokat használnak, amelyeknek nagyobb és kisebb a sűrűsége a vízhez képest. Hogyan úsznak, szállnak fel és szállítanak nagy rakományt a hajók? Egy úszó testtel végzett kísérlet (50. §) kimutatta, hogy a test víz alatti részével annyi vizet szorít ki, hogy ennek a víznek a súlya megegyezik a levegőben lévő test tömegével. Ez minden hajóra igaz. A hajó víz alatti része által kiszorított víz tömege megegyezik a hajó tömegével a levegőben lévő rakományral vagy a rakományra ható gravitációs erővel. Azt a mélységet, ameddig a hajó vízbe merül, ún tervezet . A hajótesten a megengedett legnagyobb merülést egy piros vonallal jelöljük víz vonal (hollandból. víz- víz). Az a víz tömege, amelyet egy edény a vízvonalhoz merülve kiszorít egyenlő az erővel a rakományos hajóra ható gravitációt a hajó elmozdulásának nevezzük. Jelenleg 5 000 000 kN (5 × 10 6 kN) vagy annál nagyobb vízkiszorítású hajókat építenek olaj szállítására, azaz a rakommal együtt legalább 500 000 tonna (5 × 10 5 t) tömegű hajókat. Ha az elmozdulásból kivonjuk magának az edénynek a súlyát, akkor megkapjuk ennek az edénynek a teherbírását. A teherbírás a hajó által szállított rakomány súlyát mutatja. Hajóépítés már régen létezett Az ókori Egyiptom, Föníciában (úgy tartják, hogy a föníciaiak voltak az egyik legjobb hajóépítők), az ókori Kínában. Oroszországban a hajóépítés a 17. és 18. század fordulóján kezdődött. Többnyire hadihajókat építettek, de Oroszországban jelent meg az első jégtörő, belső égésű motorral szerelt hajó, atomjégtörő"Sarkvidéki". Repülés.
A Montgolfier fivérek léggömbjét leíró rajz 1783-ból: "Az első léggömb nézete és pontos méretei." 1786 Ősidők óta az emberek arról álmodoztak, hogy a tengeren úszva a felhők felett repülhetnek, úszhatnak a levegő óceánjában. A repüléshez Eleinte olyan léggömböket használtak, amelyeket felmelegített levegővel, hidrogénnel vagy héliummal töltöttek meg. Ahhoz, hogy egy léggömb a levegőbe emelkedjen, szükséges, hogy az arkhimédeszi erő (felhajtóerő) F A labdára ható hatás nagyobb volt, mint a gravitációs erő F nehéz, azaz. F A > F nehéz Ahogy a golyó felfelé emelkedik, a rá ható arkhimédészi erő csökken ( F A = gρV), mivel a légkör felső rétegeinek sűrűsége kisebb, mint a Föld felszínének sűrűsége. Ahhoz, hogy magasabbra emelkedjen, egy speciális ballasztot (súlyt) ejtenek le a labdáról, és ez megkönnyíti a labdát. Végül a labda eléri a maximális emelési magasságát. A golyó kioldásához a héjból a gáz egy részét egy speciális szelep segítségével szabadítják fel. Vízszintes irányban a léggömb csak a szél hatására mozog, ezért nevezik ballon (görögből aer- levegő, stato- állva). Nem is olyan régen hatalmas léggömböket használtak a légkör és a sztratoszféra felső rétegeinek tanulmányozására - sztratoszférikus léggömbök . Mielőtt megtanulták, hogyan kell nagy repülőgépeket építeni az utasok és a rakomány légi szállítására, irányított léggömböket használtak. léghajók. Hosszúkás alakúak, a karosszéria alatt egy motoros gondola van felfüggesztve, amely meghajtja a légcsavart. A ballon nem csak magától emelkedik fel, hanem néhány rakományt is fel tud emelni: a kabint, embereket, műszereket. Ezért annak megállapításához, hogy egy léggömb milyen terhelést képes felemelni, meg kell határozni emel. Legyen például egy 40 m 3 térfogatú héliummal töltött ballon a levegőbe. A golyó héját kitöltő hélium tömege egyenlő lesz: Ez azt jelenti, hogy ez a labda 520 N - 71 N = 449 N súlyú terhet képes felemelni. Ez az emelőereje. Egy azonos térfogatú, de hidrogénnel töltött ballon 479 N terhelést képes felemelni. Ez azt jelenti, hogy az emelőereje nagyobb, mint a héliummal töltött balloné. De a héliumot még mindig gyakrabban használják, mivel nem ég, ezért biztonságosabb. A hidrogén gyúlékony gáz. Sokkal könnyebb felemelni és leengedni egy forró levegővel töltött léggömböt. Ehhez egy égő található a golyó alsó részén található lyuk alatt. A gázégő segítségével szabályozható a labda belsejében lévő levegő hőmérséklete, így a sűrűsége és a felhajtóereje. Ahhoz, hogy a labda magasabbra emelkedjen, elegendő a benne lévő levegőt erősebben felmelegíteni az égő lángjának növelésével. Ahogy az égő lángja csökken, a golyóban lévő levegő hőmérséklete csökken, és a labda lefelé esik. Kiválaszthat olyan labdahőmérsékletet, amelynél a labda és a fülke súlya megegyezik a felhajtóerővel. Ekkor a labda a levegőben fog lógni, és könnyű lesz megfigyelni belőle. A tudomány fejlődésével jelentős változások következtek be a repüléstechnikában. Lehetővé vált új héjak használata léggömbökhöz, amelyek tartósak, fagyállóak és könnyűek lettek. A rádiótechnika, az elektronika és az automatizálás terén elért előrelépések lehetővé tették a pilóta nélküli léggömbök tervezését. Ezeket a ballonokat légáramlatok tanulmányozására, földrajzi és orvosbiológiai kutatásokra használják a légkör alsóbb rétegeiben. Miért nem esik a síléceken álló ember a laza hóba? Miért jobb a széles gumiabroncsokkal szerelt autó terepjáró képessége, mint egy normál gumiabroncsos autó? Miért van szüksége egy traktornak lánctalpasra? Ezekre a kérdésekre úgy fogjuk meg a választ, hogy megismerkedünk a nyomásnak nevezett fizikai mennyiséggel. Szilárd nyomás
Ha egy erő nem a test egy pontjára, hanem több pontra hat, akkor az a test felületére hat. Ebben az esetben arról a nyomásról beszélünk, amelyet ez az erő hoz létre a szilárd test felületén. A fizikában a nyomás egy fizikai mennyiség, amely numerikusan van egyenlő az aránnyal a rá merőleges felületre ható erő, ennek a felületnek a területére. p = F/S , Ahol R - nyomás; F - a felületre ható erő; S - felszíni terület. Tehát nyomás akkor keletkezik, amikor egy erő hat rá merőleges felületre. A nyomás mértéke ennek az erőnek a nagyságától függ, és egyenesen arányos vele. Minél nagyobb az erő, annál nagyobb nyomást hoz létre egységnyi területen. Az elefánt nehezebb, mint a tigris, ezért nagyobb nyomást gyakorol a felszínre. Egy autó nagyobb erővel nyomja az utat, mint egy gyalogos. A szilárd test nyomása fordítottan arányos azzal a felülettel, amelyre az erő hat. Mindenki tudja, hogy a mély hóban járni nehéz, mert a lábad folyamatosan megsüllyed. De sílécen elég könnyű megtenni. A lényeg az, hogy az ember mindkét esetben azonos erővel - gravitációval - hat a hóra. De ez az erő megoszlik a különböző területű felületeken. Mivel a sílécek felülete nagyobb, mint a bakancs talpfelülete, az ember súlya ebben az esetben nagyobb területen oszlik el. Az egységnyi területre ható erő pedig többszörösen kisebbnek bizonyul. Ezért a sílécen álló ember kisebb erőt fejt ki a hóra, és nem esik bele. A felület megváltoztatásával növelheti vagy csökkentheti a nyomás mértékét. Túrázáskor széles pántokkal ellátott hátizsákot válasszunk, hogy csökkentsük a vállra nehezedő nyomást. Az épület talajra gyakorolt nyomásának csökkentése érdekében az alap területét megnövelik. A teherautó gumiabroncsok szélesebbek, mint a személygépkocsik, így kisebb nyomást gyakorolnak a talajra. Ugyanezen okból a traktor vagy tartály hernyótalpakon készül, nem kerekeken. A kések, pengék, ollók és tűk úgy vannak élezve, hogy a lehető legkisebb vágási vagy szúrási területük legyen. És ekkor még kis erővel is nagy nyomás keletkezik. Ugyanezen okból a természet éles fogakat, agyarakat és karmokat adott az állatoknak. A nyomás egy skaláris mennyiség. Szilárd testekben az erő irányába továbbítódik. Az erő mértékegysége a newton. A terület mértékegysége m2. Ezért a nyomás mértékegysége N/m2. Ezt a mennyiséget az SI-mértékegységek nemzetközi rendszerében ún pascal (Pa vagy Ra). Nevét Blaise Pascal francia fizikus tiszteletére kapta. 1 pascal nyomást az 1 m2-es felületre ható 1 newton erő okoz. 1 Pa = 1 N/m2 . Más rendszerek olyan mértékegységeket használnak, mint a bár, légkör, Hgmm. Művészet. (higanymilliméter) stb. Nyomás folyadékokbanHa be szilárd test A nyomás az erő irányába, majd folyadékokban és gázokban, Pascal törvénye szerint, a folyadékra vagy gázra kifejtett nyomás minden irányban változás nélkül továbbítódik ». Töltsünk meg egy henger alakú keskeny csőhöz kapcsolódó apró lyukakkal ellátott labdát folyadékkal. Töltsük meg a labdát folyadékkal, helyezzünk egy dugattyút a csőbe, és kezdjük el mozgatni. A dugattyú megnyomja a folyadék felületét. Ez a nyomás a folyadék minden pontjára továbbítódik. A folyadék elkezd ömleni a labda lyukaiból. A labdát füsttel megtöltve ugyanazt az eredményt fogjuk látni. Ez azt jelenti, hogy a gázokban a nyomás is minden irányba továbbítódik. A folyadékra, mint minden testre a Föld felszínén, hatással van a gravitáció. A tartályban lévő folyadék minden rétege nyomást kelt a súlyával. Ezt igazolja a következő tapasztalat.
Ha az alja helyett gumifóliával ellátott üvegedénybe vizet öntünk, a fólia a víz súlya alatt meghajlik. És minél több víz van, annál jobban meghajlik a film. Ha ezt a vízzel ellátott edényt fokozatosan egy másik, szintén vízzel megtöltött edénybe merítjük, akkor lefelé haladva a film kiegyenesedik. És ha a vízszint az edényben és a tartályban egyenlő, a film teljesen kiegyenesedik.
Az egyik szinten a folyadék nyomása azonos. De a mélység növekedésével növekszik, mivel a molekulák felső rétegek nyomást gyakorolnak az alsóbb rétegek molekuláira. És viszont nyomást gyakorolnak a még alacsonyabban elhelyezkedő rétegek molekuláira. Ezért a tartály legalacsonyabb pontján lesz a legnagyobb a nyomás. A mélységi nyomást a következő képlet határozza meg: p = ρ g h , Ahol p - nyomás (Pa); ρ - folyadék sűrűsége (kg/m3); g - szabadesési gyorsulás (9,81 m/s); h - a folyadékoszlop magassága (m). A képletből jól látható, hogy a nyomás a mélység növekedésével nő. Minél lejjebb mész az óceánban víz alatti jármű, annál nagyobb nyomást fog tapasztalni. Légköri nyomás
Evangelista Torricelli Ki tudja, ha 1638-ban Toszkána hercege nem úgy döntött volna, hogy gyönyörű szökőkutakkal díszíti fel Firenze kertjeit, a légköri nyomást nem a 17. században fedezték volna fel, hanem sokkal később. Elmondhatjuk, hogy ez a felfedezés véletlenül történt. Akkoriban azt hitték, hogy a víz felszáll a szivattyú dugattyúja mögött, mert – ahogy Arisztotelész mondta – „a természet irtózik a vákuumtól”. A rendezvény azonban nem járt sikerrel. A szökőkutak vize valóban felemelkedett, kitöltve a keletkezett „ürt”, de 10,3 m magasságban megállt. Galileo Galileihez fordultak segítségért. Mivel nem talált logikus magyarázatot, utasította tanítványait: Evangelista TorricelliÉs Vincenzo Viviani kísérleteket végezni. A meghibásodás okát keresve a Galileo diákjai rájöttek, hogy a szivattyú mögött különböző folyadékok emelkednek különböző magasságokba. Minél sűrűbb a folyadék, annál alacsonyabbra tud emelkedni. Mivel a higany sűrűsége 13-szor nagyobb, mint a víz sűrűsége, 13-szor kisebb magasságba emelkedhet. Ezért használtak higanyt a kísérletükben.
A kísérletet 1644-ben végezték el. Egy üvegcső tele volt higannyal. Aztán beledöntötték egy szintén higannyal töltött edénybe. Egy idő után a csőben lévő higanyoszlop felemelkedett. De nem töltötte meg az egész csövet. A higanyoszlop fölött üres hely volt. Később „torricelli űrnek” nevezték el. De a higany sem ömlött ki a csőből a tartályba. Torricelli ezt azzal magyarázta, hogy a légköri levegő rányomja a higanyt, és a csőben tartja. A csőben lévő higanyoszlop magassága pedig ennek a nyomásnak a nagyságát mutatja. Ez volt az első alkalom, hogy légköri nyomást mértek. A Föld légköre a gravitációs vonzás által a közelében lévő levegő héja. A héjat alkotó gázok molekulái folyamatosan és kaotikusan mozognak. A gravitáció hatására a légkör felső rétegei rányomnak az alsóbb rétegekre, összenyomják azokat. A Föld felszínén található legalsó réteg a leginkább összenyomott. Ezért a nyomás ott a legnagyobb. Pascal törvénye szerint ezt a nyomást minden irányba továbbítja. Minden megtapasztalja, ami a Föld felszínén van. Ezt a nyomást ún légköri nyomás . Mivel a légköri nyomást a fedő levegőrétegek hozzák létre, a magasság növekedésével csökken. Köztudott, hogy magasan a hegyekben kevesebb, mint a hegyek lábánál. És mélyen a föld alatt sokkal magasabban van, mint a felszínen. Normál légköri nyomásnak azt a nyomást tekintjük, amely megegyezik egy 760 mm magas higanyoszlop nyomásával 0 o C hőmérsékleten. Légköri nyomásmérés
Mivel a légköri levegő különböző magasságokban eltérő sűrűségű, a légköri nyomás értéke nem határozható meg a képlettelp = ρ · g · h . Ezért speciális, úgynevezett barométerek . Vannak folyékony barométerek és aneroidok (folyadékmentes). A folyadékbarométerek működése a folyadékszint légköri nyomás alatti változásán alapul. Az aneroid egy hullámos fémből készült lezárt tartály, amelynek belsejében vákuumot hoznak létre. A tartály összehúzódik, ha a légköri nyomás nő, és kitágul, ha csökken. Mindezeket a változásokat egy rugós fémlemez segítségével továbbítják a mutatóhoz. A nyíl vége a skála mentén mozog. A barométer állásainak megváltoztatásával megjósolhatja, hogyan változik az időjárás a következő napokban. Ha emelkedik a légnyomás, akkor derült időre lehet számítani. És ha lemegy, felhős lesz. Olvassa el még:
|
