Тиск - це фізична величина, яка грає особливу роль у природі та житті людини. Це непомітне оку явище не тільки впливає на стан довкілля, але й дуже добре відчувається усіма. Давайте розберемося, що це таке, які види його існують і як знаходити тиск (формула) у різних середовищах.
Що називається тиском у фізиці та хімії
Цим терміном називається важлива термодинамічна величина, яка виявляється у співвідношенні перпендикулярно чинності сили тиску на площу поверхні, на яку вона впливає. Це не залежить від розміру системи, в якій діє, тому належить до інтенсивних величин.
У стані рівноваги, тиск однаково для всіх точок системи.
У фізиці та хімії воно позначається за допомогою літери «Р», що є скороченням від латинської назви терміна – pressūra.
Якщо мова йдепро осмотичний тиск рідини (рівновагу між тиском усередині та зовні клітини), використовується буква «П».
Одиниці тиску
Відповідно до стандартів Міжнародної системи СІ, фізичне явище, що розглядається, 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).
Проте на практиці застосовувати паскал досить складно, оскільки ця одиниця дуже мала. У зв'язку з цим, крім стандартів системи, дана величина може вимірюватися по-іншому.
Нижче наведені найвідоміші її аналоги. Більшість їх широко використовується на просторах колишнього СРСР.
- Бари. Один бар дорівнює 105 Па.
- Торри або міліметри ртутного стовпа.Приблизно один торр відповідає 133, 3223684 Па.
- Міліметри водяного стовпа.
- Метри водяний стовп.
- Технічна атмосфера.
- Фізичні атмосфери.Одна атм дорівнює 101325 Па і 1,033233 ат.
- Кілограм сили на квадратний сантиметр.Також виділяються тонна-сила та грам-сила. Крім того, є аналог фунт-сила на квадратний дюйм.
Загальна формула тиску (фізика 7-го класу)
З визначення цієї фізичної величини можна визначити спосіб її знаходження. Виглядає 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, яку воно впливає.
Також вона може бути записана так: Р = mg/S або Р = pVg/S. Таким чином, ця фізична величина виявляється пов'язаною з іншими термодинамічних змінних: об'ємом і масою.
Для тиску діє наступний принцип: що менше простір, яке впливає сила - тим більше давлячої сили на нього припадає. Якщо ж площа збільшується (при тій же силі) - шукана величина зменшується.
Формула гідростатичного тиску
Різні агрегатні станиречовин, що передбачають наявність у них відмінних один від одного властивостей. Виходячи з цього, способи визначення Р у них також будуть іншими.
Наприклад, формула тиску води (гідростатичного) виглядає так: Р = pgh. Також вона застосовна і до газів. При цьому її не можна використовувати для обчислення атмосферного тиску, через різницю висот і щільностей повітря.
У цій формулі р – щільність, g – прискорення вільного падіння, а h – висота. Виходячи з цього, чим глибше занурюється предмет або об'єкт, тим вищий тиск на нього всередині рідини (газу).
Розглянутий варіант є адаптацією класичної прикладу Р = F/S.
Якщо згадати, що сила дорівнює похідній масі на швидкість вільного падіння (F= mg), а маса рідини – це похідна об'єму на щільність (m = pV), то формулу тиск можна записати як P = pVg/S. площ, помножена на висоту (V = Sh).
Якщо вставити ці дані, вийде, що площу в чисельнику та знаменнику можна скоротити і на виході – вищезгадана формула: Р = pgh.
Розглядаючи тиск у рідинах, варто пам'ятати, що, на відміну від твердих тіл, часто можливе викривлення поверхневого шару. А це, у свою чергу, сприяє утворенню додаткового тиску.
Для таких ситуацій застосовується дещо інша формула тиску: Р = Р 0 + 2QH. У разі Р 0 - тиск не викривленого шару, а Q - поверхню натягу рідини. Н - це середня кривизна поверхні, яку визначають за законом Лапласа: Н = ½ (1/R 1 + 1/R 2). Складові R 1 і R 2 це радіуси головної кривизни.
Парціальний тиск та його формула
Хоча спосіб Р = pgh застосовується як для рідин, так і для газів, тиск останніх краще обчислювати дещо іншим шляхом.
Справа в тому, що в природі, як правило, не дуже часто зустрічаються абсолютно чисті речовини, адже у ній переважають суміші. І це стосується не лише рідин, а й газів. А як відомо, кожен із таких компонентів здійснює різний тиск, званий парціальним.
Визначити його досить легко. Воно дорівнює сумі тиску кожного компонента аналізованої суміші (ідеальний газ).
З цього випливає, що формула парціального тиску виглядає так: Р = Р 1 + Р 2 + Р 3 … і так далі, згідно з кількістю складових компонентів.
Непоодинокі випадки, коли необхідно визначити тиск повітря. Однак деякі помилково проводять обчислення тільки з киснем за схемою Р = pgh. Ось тільки повітря – це суміш із 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 отже, слід помітити вищезгадану Р = Р 1 + Р 2 + Р 3 …
Найпоширеніші прилади для вимірювання тиску
Незважаючи на те, що розрахувати термодинамічну величину за вищезгаданими формулами не складно, проводити обчислення іноді просто немає часу. Адже треба завжди враховувати численні нюанси. Тому для зручності за кілька століть було розроблено низку приладів, які роблять це замість людей.
Фактично майже всі апарати такого роду є різновидами манометра (допомагає визначати тиск у газах та рідинах). При цьому вони відрізняються по конструкції, точності та сфері застосування.
- Атмосферний тиск вимірюється з допомогою манометра, що називається барометром. Якщо необхідно визначити розрядження (тобто тиск нижче атмосферного) - застосовуються інший його різновид, вакуумметр.
- Для того щоб дізнатися артеріальний тиск у людини, йде сфігмоманометр. Більшості він відоміший під ім'ям неінвазивного тонометра. Таких апаратів існує чимало різновидів: від ртутних механічних до повністю автоматичних цифрових. Їхня точність залежить від матеріалів, з яких вони виготовляються і місця вимірювання.
- Перепади тиску в навколишньому середовищі (англійською – pressure drop) визначаються за допомогою або дифнамометрів (не плутати з динамометрами).
Види тиску
Розглядаючи тиск, формулу його знаходження та її варіації для різних речовин, варто дізнатися про різновиди цієї величини Їх п'ять.
- Абсолютне.
- Барометричний
- Надмірне.
- Вакуумметричне.
- Диференційне.
Абсолютне
Так називається повний тиск, під яким знаходиться речовина або об'єкт, не враховуючи впливу інших газоподібних складових атмосфери.
Вимірюється воно в паскалях і є сумою надлишкового та атмосферного тиску. Також він є різницею барометричного та вакуумметричного видів.
Обчислюється воно за формулою Р = Р 2 + Р 3 або Р = Р 2 - Р 4.
За початок відліку для абсолютного тиску в умовах планети Земля береться тиск усередині ємності, з якої видалено повітря (тобто класичний вакуум).
Тільки такий вид тиску використовується у більшості термодинамічних формул.
Барометричний
Цим терміном називається тиск атмосфери (гравітації) попри всі предмети та об'єкти, які у ній, включаючи безпосередньо поверхню Землі. Більшості вона також відома під ім'ям атмосферного.
Його зараховують до його величина змінюється щодо місця та часу вимірювання, а також погодних умов і знаходження над/нижче рівня моря.
Величина барометричного тиску дорівнює модулю сили атмосфери на площі одиницю нормалі до неї.
У стабільній атмосфері величина даного фізичного явищадорівнює вазі стовпа повітря на основу з площею, що дорівнює одиниці.
Норма барометричного тиску - 101325 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 кожний 8 км воно знижується на 100 Па.
Завдяки цій властивості в горах вода в чайниках закує 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 та автоклав. Підвищення тиску всередині них сприяють формуванню в посудинах більш високих температур, ніж у традиційних каструлях на плиті.
Використовується для обчислення атмосферного тиску формула барометричної висоти. Виглядає вона так, 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 постійна газова 8,3144598 Дж⁄( моль х К), а е - це число Ейклера, що дорівнює 2.71828.
Часто у представленій вище формулі атмосферного тиску замість R використовується К - постійна Больцмана. Через її твір на число Авогадро нерідко виражається універсальна постійна газова. Вона зручніша для розрахунків, коли кількість частинок задано в молях.
При проведенні обчислень завжди варто брати до уваги можливість зміни температури повітря через зміну метеорологічної ситуації або набір висоти над рівнем моря, а також географічну широту.
Надмірне та вакуумметричне
Різницю між атмосферним та 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 вакуумметричним. Варто пам'ятати, що він не може бути більшим за барометричний.
Диференційне
Ця величина є різницею тисків у різних точках виміру. Як правило, її використовують для визначення падіння тиску на якомусь обладнанні. Особливо це актуально у нафтовидобувній промисловості.
Розібравшись з тим, що за термодинамічна величина називається тиском і за допомогою яких формул її знаходять, можна зробити висновок, що це явище дуже важливе, а тому знання про нього ніколи не будуть зайвими.
Тиск- фізична величина, чисельно рівна силі, що діє на одиницю площі поверхні перпендикулярно до цієї поверхні. Для позначення тиску зазвичай використовується символ p- Від лат. pressūra(Тиск).
Тиск на поверхню може мати нерівномірний розподіл, тому розрізняють тиск на локальний фрагмент поверхні та середній тиск на всю поверхню.
Тиск на локальній площі поверхні визначається як відношення нормальної складової сили dF n, що діє на цей фрагмент поверхні, до площі цього фрагмента dS:
Середній тиск по всій поверхні є відношенням нормальної складової сили F n, що діє на цю поверхню, до її площі S:
Вимірювання тиску газів та рідин виконується за допомогою манометрів, дифманометрів, вакуумметрів, датчиків тиску, атмосферного тиску – барометрами.
Одиниці виміру тиску мають давню історію і з урахуванням різних середовищ (рідина, газ, тверде тіло) досить різноманітні. Наведемо основні.
Паскаль
У Міжнародній системі одиниць ( СІ) вимірюється в паскалях (російське позначення: Па; міжнародне: Pa). Паскаль дорівнює тиску, що викликається силою, що дорівнює одному ньютону, рівномірно розподіленою по нормальній до неї поверхні площею один квадратний метр.
1 Па = 1 Н/м 2
Один паскаль – невеликий тиск. Приблизно такий тиск створює аркуш зі шкільного зошита, що лежить на столі. Тому дуже часто використовують кратні одиниці тиску:
Тоді отримуємо таку відповідність: 1 МПа = 1 МН/м2 = 1 Н/мм2 = 100 Н/см2.
Також, шкали приладів для вимірювання тиску можуть бути градуйовані у величинах Н/м 2 або Н/мм 2 .
Співвідношення величин до 1 Па:
Діна
Діна(російське позначення: дин, міжнародне позначення: dyn) - одиниця сили у системі одиниць СГС. Одна діна чисельно дорівнює силі, яка повідомляє тілу масою в 1 грам прискорення на один сантиметр за секунду за секунду.
1 дин = 1 г · см / с 2 = 10 -5 H = 1,0197 · 10 -6 кгс
СГС(Сантиметр-грам-секунда) - система одиниць вимірювання, яка широко використовувалася до прийняття Міжнародної системи одиниць (СІ). Інша назва - абсолютна фізична система одиниць.
Бар (бар, бар)
Бар (російське позначення: бар; міжнародне: bar;) - позасистемна одиниця вимірювання тиску, приблизно рівна одній атмосфері, використовується для рідин та газів, що знаходяться під тиском.
Чому бар, а не паскаль? Для технічних вимірівде присутній високий тиск, паскаль – надто дрібна одиниця. Тому ввели одиницю більшу – 1 бар. Приблизно це тиск земної атмосфери.
Бар – позасистемна одиниця виміру тиску.
Кілограм-сила
Кілограм-силадорівнює силі, що повідомляє масі, що лежить, рівної масі міжнародного прототипу кілограма, прискорення, що дорівнює нормальному прискоренню вільного падіння (9,80665 м/с 2).
1 кгс = 1 кг * 9,80665 м/с 2 = 9,80665 Н
Кілограм-сила приблизно дорівнює силі, з якою тіло масою 1 кілограм тисне на ваги на поверхні Землі, тому зручна тим, що її величина дорівнює вазі тіла масою в 1 кг, тому людині легко уявити, наприклад, що таке сила 5 кгс.
Кілограм-сила (російське позначення: кгсабо кГ; міжнародне: kgfабо kg F ) - одиниця сили у системі одиниць МКГСС ( Метр - Доило Грамм- Змула - Зекунду).
Технічна атмосфера (at, ат), кгс/см2
Технічна атмосфера (російське позначення: ат; міжнародне: at) - дорівнює тиску, що виробляється силою в 1 кгс, рівномірно розподіленою по перпендикулярній до неї плоскій поверхні площею 1 см 2 . Таким чином,
1 ат = 98066,5 Па
Фізична атмосфера (atm, атм)
Нормальна, стандартна або фізична атмосфера (російське позначення: атм; міжнародне: atm) - позасистемна одиниця, що дорівнює тиску стовпа ртуті заввишки 760 мм на його горизонтальну основу при щільності ртуті 13 595,04 кг/м 3 при температурі 0 нормальному прискореннівільного падіння 9,80665 м/с2.
1 атм = 760 мм.рт.ст.
Відповідно до визначення:
Міліметр ртутного стовпа
Міліметр ртутного стовпа (російське позначення: мм рт.ст.; міжнародне: mm Hg) – позасистемна одиниця вимірювання тиску, іноді називається "торр" (російське позначення – торр, міжнародне – Torr) на честь Еванджелісти Торрічеллі.
1 мм рт.ст. ≈ 133,3223684 Па
| Атм рівень моря | 760 мм рт.ст. |
| 760 мм рт.ст. | 101 325 Па |
| 1 мм рт.ст. | 101 325 / 760 ≈ 133,3223684 Па |
| 1 мм рт.ст. |
13,5951 мм вод. |
Походження цієї одиниці пов'язане зі способом виміру атмосферного тиску за допомогою барометра, в якому тиск урівноважується стовпчиком рідини. Як рідина часто використовується ртуть, оскільки у неї дуже висока щільність (≈13 600 кг/м 3 ) та низький тиск насиченої париза кімнатної температури.
Міліметри ртутного стовпа використовуються, наприклад, у вакуумній техніці, у метеорологічних зведеннях та при вимірі кров'яного тиску.
У США та Канаді також використовується одиниця виміру "дюйм ртутного стовпа" (позначення - inHg). 1 inHg = 3,386389 кПа за 0 °C.
Міліметр водяного стовпа
Міліметр водяного стовпа (російське позначення: мм вод.ст., мм H2O; міжнародне: mmH2O) - позасистемна одиниця вимірювання тиску. Рівний гідростатичного тиску стовпа води висотою 1 мм, що надається на плоску основу при температурі води 4 °С.
В Російської Федераціїдопущений до використання як позасистемної одиниці вимірювання тиску без обмеження терміну з областю використання "всі області".
Зараз тиском прийнято називати таку фізичну величину, Що дорівнює відношенню сили, що діє перпендикулярно деякої поверхні, безпосередньо до площі цієї поверхні. Ну а ось під силою тиск мають на увазі силу, що перпендикулярно діє по відношенню до деякої, певної поверхні. Може здатися, що на цьому закінчуються основні відмінності цих двох понять. Насправді, це зовсім не так і в тому випадку, якщо вам цікаві докладніші нюанси щодо відмінностей обох цих понять, вам потрібно було б витратити трохи більше часу на те, щоб зрозуміти, в яких випадках ними найчастіше користуються.
Основні відмінні особливості тиску та сили тиску
Насамперед, відзначити було б те, що тиск - це скалярна величина, У якої не може бути будь-якого напряму. Прийнято вважати, що тиск потрібний для того, щоб охарактеризувати стан так званого «суцільного середовища». З цієї причини, таке поняття і виступає як діагональний компонент тензора напруги. Останній є тензором, що відноситься до другого рангу. Складається він із таких дев'яти величин, які передбачені тут для того, щоб у довільній точці навантаженого тіла представляти механічну напругу. 
Як відомо, тиск є інтенсивною фізичною величиною, для позначення якої користуються символом p, який походить від латинського слова pressura, дослівний переклад якого означає тиск. Не можна не відзначити також і того, що зараз, таке слово, як «тиск», може бути застосоване до самих різним областямлюдської діяльності. Так, наприклад, сьогодні прийнято розрізняти такі поняття, як артеріальний тиск, атмосферний тиск, тиск світла, а також дифузійний тиск.
Якщо більшість вищезгаданих термінів, достатньої популярністю - не користуються, а про артеріальний тиск зовсім не доречно говорити в нашому сьогоднішньому огляді, то ось атмосферний тиск, заслуговує на якусь вашу увагу. Вимірюється воно барометром і дорівнює вазі вище стовпа повітря, площа основи якого - одиниця. Ну а от якщо на тіло і діє така сила, що під її впливом воно зрештою деформується, то таке поняття цілком доречно називати силою тиску.
Роль сили тиску може відігравати будь-яка сила. Як така, може бути використана вага тіла, якому без будь-яких проблем вдалося б деформувати опору або така сила, під впливом якої певне тіло притискається до поверхні. Також, як і будь-яка інша сила, це поняття, прийняте вимірювати в ньютонах, що говорить про ще одну, не менш важливу відмінність понять, що розглядаються нами, адже звичайний тиск, вимірюється в паскалях.
Відзначити слід було б і те, що роль сили тиску крім однієї ваги, може виконати будь-яка інша сила пружності. До речі, що стосується безпосередньо самого тиску. Змінити його тим чи іншим чином вам вдасться тільки в тому випадку, якщо ви зміните силу тиску, або принаймні, змініть поверхню на яку ця сила впливає.
Висновки
Зважаючи на все вищезгадане, щоб скласти якусь картину того, що відбувається, і надати вам можливість все-таки дати відповідь на питання: чим тиск відрізняється від сили тиску, поспішаємо представити вашій увазі кілька найважливіших моментів. Не забувайте, що тиск - це фізична величина, що дорівнює відношенню тієї сили тиску, яка прикладається до даної поверхні, до площі цієї поверхні. У той самий час, силою тиску називають ту силу, яка перпендикулярно прикладається до поверхні.
З огляду на це, ми і можемо говорити, що тиск віднесено до одиниці площі, ну а ось сила, що відноситься вже до всієї площі дна, яку в сучасній фізиці, позначають буком Н. Навіть якщо не враховувати того, що у випадку обох цих понять, прийнято користуватися абсолютно різними одиницями вимірювань, можна говорити, що ці явища абсолютно різні . По суті, тиск — це звичайна характеристика, яка може бути порівнянна з освітленістю, тоді як сила тиску — це безпосередній вплив, який був таким явищем викликаний.
Людина на лижах і без них.
По пухкому снігу людина йде насилу, глибоко провалюючись при кожному кроці. Але, одягнувши лижі, він може йти майже не провалюючись у нього. Чому? На лижах або без лиж людина діє на сніг з однією і тією самою 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 кожен квадратний сантиметр площі поверхні снігу з силою, у 20 разів меншою, ніж стоячи на снігу без лиж.
Учень, приколюючи кнопками газету до дошки, діє кожну кнопку з однаковою силою. Однак кнопка, що має гостріший кінець, легше входить у дерево.
Значить, результат дії сили залежить не тільки від її модуля, напряму та точки докладання, але й від площі тієї поверхні, до якої вона прикладена (перпендикулярно до якої вона діє).
Цей висновок підтверджують фізичні досліди.
Досвід. Результат дії цієї сили залежить від того, яка сила діє на одиницю площі поверхні.
По кутах невеликої дошки треба вбити цвяхи. Спочатку цвяхи, вбиті в дошку, встановимо на піску вістрями нагору і покладемо на дошку гирю. І тут капелюшки цвяхів лише трохи вдавлюються в пісок. Потім дошку перевернемо і поставимо цвяхи на вістря. У цьому випадку площа опори менша, і під дією тієї ж сили цвяхи значно заглиблюються 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 до поверхні тіла. Вага людини була перпендикулярна поверхні снігу; сила, що діяла кнопку, перпендикулярна поверхні дошки.
Величина, що дорівнює відношенню сили, що діє перпендикулярно поверхні, до площі цієї поверхні, називається тиском.
Щоб визначити тиск, треба силу, що діє перпендикулярно до поверхні, розділити на площу поверхні:
тиск = сила/площа.
Позначимо величини, що входять до цього виразу: p, сила, що діє на поверхню, - Fта площа поверхні - S.
Тоді отримаємо формулу:
p = F/S
Зрозуміло, що більша за значенням сила, що діє на ту саму площу, буде чинити більший тиск.
За одиницю тиску приймається такий тиск, який виробляє сила в 1 Н, що діє на поверхню площею 1 м 2 перпендикулярно до цієї поверхні.
Одиниця тиску - Ньютон на квадратний метр(1 Н/м2). На честь французького вченого Бліза Паскаля вона називається паскалем ( Па). Таким чином,
1 Па = 1 Н/м 2.
Використовуються також інші одиниці тиску: гектопаскаль (гПа) та кілопаскаль (кПа).
1 кПа = 1000 Па;
1 гПа = 100 Па;
1 Па = 0,001 кПа;
1 Па = 0,01 гПа.
Запишемо умову задачі та вирішимо її.
Дано : m = 45 кг, S = 300 см 2; p =?
В одиницях СІ: S = 0,03 м 2
Рішення:
p = F/S,
F = P,
P = g·m,
P= 9,8 Н · 45 кг ≈ 450 Н,
p= 450/0,03 Н/м 2 = 15000 Па = 15 кПа
"Відповідь": p = 15000 Па = 15 кПа
Способи зменшення та збільшення тиску.
Тяжкий гусеничний трактор робить на ґрунт тиск рівний 40 - 50 кПа, тобто всього 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 більша площа опори, тим менший тиск, що виробляється однією і тією ж силою на цю опору .
Залежно від того, чи потрібно отримати малий чи великий тиск, площа опори збільшується чи зменшується. Наприклад, для того, щоб грунт міг витримати тиск будівлі, що зводиться, збільшують площу нижньої частини фундаменту.
Шини вантажних автомобілів та шасі літаків роблять значно ширше, ніж легкових. Особливо широкими роблять шини у автомобілів, призначених для пересування у пустелях.
Тяжкі машини, як трактор, танк або болотохід, маючи велику опорну площу гусениць, проходять по болотистій місцевості, якою не пройде людина.
З іншого боку, при малій площі поверхні можна невеликою силою зробити великий тиск. Наприклад, втискаючи кнопку в дошку, ми діємо на неї з силою близько 50 Н. Так як площа вістря кнопки приблизно 1 мм 2 , то тиск, що її виробляє, дорівнює:
p = 50 Н/0, 000001 м 2 = 50000000 Па = 50000 кПа.
Для порівняння, це тиск у 1000 разів більший за тиск, що виробляється гусеничним трактором на грунт. Можна знайти ще багато таких прикладів.
Лезо ріжучих та вістря колючих інструментів (ножів, ножиць, різців, пилок, 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, пазурі, дзьоби, шипи та 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 всю посудину, де знаходяться. Наприклад, сталевий балон для зберігання газів, камера автомобільної шини або волейбольний м'яч. При цьому газ тиск на стінки, дно і кришку балона, камери або будь-якого іншого тіла, в якому він знаходиться. Тиск газу обумовлений іншими причинами, ніж тиск твердого тіла на опору.
Відомо, що молекули газу безладно рухаються. При своєму русі вони стикаються одна з одною, а також зі стінками судини, в якій знаходиться газ. Молекул у газі багато, тому і кількість їх ударів дуже велика. Наприклад, число ударів молекул повітря, що знаходиться в кімнаті, поверхню площею 1 см 2 за 1 с виражається двадцятитризначним числом. Хоча сила удару окремої молекули мала, але дію всіх молекул на стінки судини значно, - і створює тиск газу.
Отже, тиск газу на стінки судини (і на поміщене 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 дзвона. Оболонка кульки, навколо якої повітря стає все більш розрідженим, поступово роздмухується і набуває форми правильної кулі.
Як пояснити цей досвід?
Для зберігання та перевезення стисненого газу використовуються спеціальні міцні сталеві балони.
У нашому досвіді молекули газу, що рухаються, безперервно вдаряють об стінки кульки всередині і зовні. При відкачуванні повітря кількість молекул у дзвоні навколо оболонки кульки зменшується. Але всередині кульки їхня кількість не змінюється. Тому число ударів молекул про зовнішні стінки оболонки стає меншим, ніж число ударів про внутрішні стінки. Кулька роздмухується доти, доки сила пружності його гумової оболонки не стане рівною силі тиску газу. Оболонка кульки набуває форми кулі. Це показує, що газ тисне на її стінки по всіх напрямках однаково. Інакше висловлюючись, число ударів молекул, які припадають кожен квадратний сантиметр площі поверхні, у всіх напрямах однаково. Однакове тиск у всіх напрямах притаманно газу і є наслідком безладного руху великої кількості молекул.
Спробуємо зменшити обсяг газу, але так, щоб його маса залишилася незмінною. Це означає, що у кожному кубічному сантиметрігазу молекул побільшає, щільність газу збільшиться. Тоді число ударів молекул об стінки збільшиться, тобто зросте тиск газу. Це можна підтвердити досвідом.
На малюнку азображена скляна трубка, один кінець якої закритий тонкою гумовою плівкою. У трубку вставлено поршень. При всмоктуванні поршня об'єм повітря в трубці зменшується, тобто газ стискається. Гумова плівка при цьому вигинається назовні, вказуючи на те, що тиск повітря в трубці збільшився.
Навпаки, зі збільшенням обсягу цієї маси газу, число молекул у кожному кубічному сантиметрі зменшується. Від цього зменшиться кількість ударів об стінки судини - тиск газу поменшає. Дійсно, при витягуванні поршня з трубки обсяг повітря збільшується, плівка прогинається всередину судини. Це вказує на зменшення тиску повітря у трубці. Такі ж явища спостерігалися б, якби замість повітря в трубці знаходився будь-який інший газ.
Отже, при зменшенні обсягу газу його тиск збільшується, а при збільшенні обсягу тиск зменшується за умови, що маса та температура газу залишаються незмінними.
А як зміниться тиск газу, якщо його нагріти при постійному обсязі? Відомо, що швидкість руху молекул газу під час нагрівання збільшується. Рухаючись швидше, молекули ударятимуть об стінки судини частіше. Крім того, кожен удар молекули об стінку буде сильнішим. Внаслідок цього, стінки судини зазнають більшого тиску.
Отже, тиск газу в закритому посудині тим більше, чим вище температура газу, за умови, що маса газу та 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 та перевезення газів їх сильно стискають. При цьому тиск їх зростає, гази необхідно укладати у спеціальні, дуже міцні балони. У таких балонах, наприклад, містять стиснене повітря в підводних човнах, кисень, що використовується при зварюванні металів. Звичайно ж, ми повинні запам'ятати, що газові балони не можна нагрівати, тим більше, коли вони заповнені газом. Тому що, як ми вже розуміємо, може статися вибух із дуже неприємними наслідками.
Закон Паскаля.
Тиск передається в кожну точку рідини чи газу.
Тиск поршня передається у кожну точку рідини, що заповнює кулю.
Тепер газ.
На відміну від твердих тіл окремі шари та дрібні частинки рідини та газу можуть вільно переміщатися відносно один одного у всіх напрямках. Достатньо, наприклад, злегка подути на поверхню води у склянці, щоб викликати рух води. На річці або озері при найменшому вітерці з'являється бриж.
Рухливістю частинок газу та рідини пояснюється, що тиск, вироблений ними, передається у напрямі дії сили, а кожну точку. Розглянемо це докладніше.
На малюнку, азображена посудина, в якій міститься газ (або рідина). Частинки поступово розподілені по всій посудині. Посудину закрито поршнем, який може переміщатися вгору та вниз.
Додаючи деяку силу, змусимо поршень трохи переміститися всередину і стиснути газ (рідина), що знаходиться безпосередньо під ним. Тоді частинки (молекули) розташуються тут щільніше, ніж раніше (рис, б). Завдяки рухливості частинки газу переміщатимуться у всіх напрямках. Внаслідок цього їх розташування знову стане рівномірним, але щільнішим, ніж раніше (рис, в). Тому тиск газу усюди зросте. Отже, додатковий тиск передається всім часткам газу чи рідини. Так, якщо тиск на газ (рідина) біля самого поршня збільшиться на 1 Па, то у всіх точках всерединігазу або рідини тиск стане більше колишнього на стільки ж. На 1 Па збільшиться тиск і стінки судини, і дно, і поршень.
Тиск, що виробляється на рідину або газ, передається на будь-яку точку однаково у всіх напрямках .
Це твердження називається законом Паскаля.
На основі закону Паскаля легко пояснити такі досліди.
На малюнку зображена порожня куля, що має в різних місцях невеликі отвори. До кулі приєднано трубку, в яку вставлено поршень. Якщо набрати води в кулю і всунути в трубку поршень, вода поллється з усіх отворів кулі. У цьому досвіді поршень тисне на поверхню води у трубці. Частинки води, що знаходяться під поршнем, ущільнюючись, передають його тиск іншим шарам, що лежать глибше. Таким чином, тиск поршня передається в кожну точку рідини, що заповнює шар. В результаті частина води виштовхується з кулі у вигляді однакових струмків, що випливають із усіх отворів.
Якщо шар заповнити димом, то при всуненні поршня в трубку з усіх отворів кулі почнуть виходити однакові струмки диму. Це підтверджує, що і гази передають чинний на них тиск на всі боки однаково.
Тиск у рідині та газі.
Під дією ваги рідини гумове дно у трубці прогнеться.
На рідини, як і всі тіла Землі, діє сила тяжкості. Тому кожен шар рідини, налитої в посудину, своєю вагою створює тиск, який за законом Паскаля передається в усіх напрямках. Отже, усередині рідини існує тиск. У цьому вся 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 щоразу після того, як гумове дно прогнулося, вода в трубці приходить у рівновагу (зупиняється), оскільки, крім сили тяжіння, на воду діє сила пружності розтягнутої гумової плівки.
Сили, що діють на гумову плівку, |
однакові з обох боків. |
Ілюстрація.
Дно відходить від циліндра через тиск на нього сили тяжіння.
Опустимо трубку з гумовим дном, в яку налита вода, в іншу, більш широку посудину з водою. Ми побачимо, що з опусканням трубки гумова плівка поступово випрямляється. Повне випрямлення плівки показує, що сили, що діють її зверху і знизу, рівні. Настає повне випрямлення плівки тоді, коли рівні води в трубці та посудині збігаються.
Такий же досвід можна провести з трубкою, в якій гумова плівка закриває бічний отвір, як показано на малюнку, а. Зануримо цю трубку з водою в іншу посудину з водою, як це зображено на малюнку, б. Ми помітимо, що плівка знову випрямиться, як рівні води в трубці і посудині зрівняються. Це означає, що сили, що діють на гумову плівку, однакові з усіх боків.
Візьмемо посудину, дно якої може відпадати. Опустимо його у банку з водою. Дно при цьому виявиться щільно притисненим до краю судини і не відпаде. Його притискає сила тиску води, спрямована знизу нагору.
Обережно наливатимемо воду в посудину і слідкуватимемо за його дном. Щойно рівень води у посудині збігається з рівнем води у банку, воно відпаде від судини.
У момент відриву на дно тисне зверху вниз стовп рідини в посудині, а знизу вгору на дно передається тиск такого ж за висотою стовпа рідини, але в банку. Обидва ці тиски 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 досліду будуть ті самі.
Отже, досліди свідчать, що всередині рідини існує тиск, і на тому самому рівні воно однаково по всіх 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 менша за щільність рідини. Вага газу, що знаходиться в посудині, мала, і його "ваговий" тиск у багатьох випадках можна не враховувати.
Розрахунок тиску рідини на дно та стінки судини.
Розрахунок тиску рідини на дно та стінки судини.
Розглянемо, як можна розраховувати тиск рідини на дно та стінки судини. Розв'яжемо спочатку задачу для судини, що має форму прямокутного паралелепіпеда.
Сила F, з якою рідина, налита в цю посудину, тисне на його дно, що дорівнює вазі Pрідини, що у посудині. Вага рідини можна визначити, знаючи її масу m. Масу, як відомо, можна обчислити за такою формулою: m = ρ·V. Об'єм рідини, налитої у вибрану нами посудину, легко розрахувати. Якщо висоту стовпа рідини, що знаходиться в посудині, позначити літерою h, а площа дна судини S, то V = S·h.
Маса рідини m = ρ·V, або m = ρ·S·h .
Вага цієї рідини P = g·m, або P = g·ρ·S·h.
Оскільки вага стовпа рідини дорівнює силі, з якою рідина тисне на дно судини, то розділивши вагу Pна площу S, отримаємо тиск рідини p:
p = P/S , або p = g·ρ·S·h/S,
Ми отримали формулу розрахунку тиску рідини на дно судини. З цієї формули видно, що тиск рідини на дно судини залежить тільки від щільності та висоти стовпа рідини.
Отже, за виведеною формулою можна розраховувати тиск рідини, налитої в посудину будь-якої форми(Строго кажучи, наш розрахунок годиться тільки для судин, що мають форму прямої призми та циліндра. У курсах фізики для інституту доведено, що формула правильна і для судини довільної форми). Крім того, по ній можна обчислити тиск на стінки судини. Тиск усередині рідини, у тому числі тиск знизу вгору, також розраховується за цією формулою, так як тиск на одній і тій же глибині однаковий у всіх напрямках.
При розрахунку тиску за формулою p = gρhтреба щільність ρ виражати у кілограмах на кубічний метр (кг/м 3 ), а висоту стовпа рідини h- у метрах (м), g= 9,8 Н/кг, тоді тиск буде виражено у паскалях (Па).
Приклад. Визначте тиск нафти на дно цистерни, якщо висота стовпа нафти 10 м, а густина її 800 кг/м 3 .
Запишемо умову задачі та запишемо її.
Дано :
ρ = 800 кг/м3
Рішення :
p = 9.8 Н/кг · 800 кг/м 3 · 10 м ≈ 80 000 Па ≈ 80 кПа.
Відповідь : p ≈ 80 кПа.
Сполучені судини.
Сполучені судини.
На малюнку зображено дві судини, з'єднані між собою гумовою трубкою. Такі судини називаються повідомляються. Лійка, чайник, кавник – приклади сполучених судин. З досвіду ми знаємо, що вода, налита, наприклад, у лійку, завжди стоїть на одному рівні в носику і всередині.
Сполучені судини зустрічаються нам часто. Наприклад, ним може бути чайник, лійка або кавник. |
Поверхні однорідної рідини встановлюються одному рівні в сполучених судинах будь-якої форми. |
Різні за густиною рідини. |
З сполученими судинами можна зробити такий простий досвід. На початку досвіду гумову трубку затискаємо всередині, і в одну з трубок наливаємо воду. Потім затиск відкриваємо, і вода вмить перетікає в іншу трубку, доки поверхні води в обох трубках не встановляться на одному рівні. Можна закріпити одну з трубок у штативі, а іншу піднімати, опускати або нахиляти у різні боки. І в цьому випадку, коли рідина заспокоїться, її рівні в обох трубках зрівняються.
У сполучених судинах будь-якої форми та перерізу поверхні однорідної рідини встановлюються на одному рівні(за умови, що тиск повітря над рідиною однаковий) (рис. 109).
Це можна обґрунтувати в такий спосіб. Рідина спочиває, не переміщаючись з однієї судини до іншої. Отже, тиски в обох судинах будь-якому рівні однакові. Рідина в обох судинах одна й та сама, тобто має однакову щільність. Отже, мають бути однакові та її висоти. Коли ми піднімаємо один посудину або доливаємо в нього рідину, тиск у ньому збільшується і рідина переміщується в інший посуд доти, доки тиску не врівноважать.
Якщо в один із сполучених судин налити рідину однієї щільності, а в другій - іншій щільності, то при рівновазі рівні цих рідин не будуть однаковими. І це зрозуміло. Адже ми знаємо, що тиск рідини на дно судини прямо пропорційно висоті стовпа і щільності рідини. А в цьому випадку густини рідин будуть різні.
При рівності тисків висота стовпа рідини з більшою щільністю буде меншою за висоту стовпа рідини з меншою щільністю (мал.).
Досвід. Як визначити масу повітря?
Вага повітря. Атмосферний тиск.
Існування атмосферного тиску.
Атмосферний тиск більший, ніж тиск розрідженого повітря в посудині.
На повітря, як і на всяке тіло, що знаходиться на Землі, діє сила тяжіння, і, отже, повітря має вагу. Вагу повітря легко вирахувати, знаючи його масу.
На досвіді покажемо, як визначити масу повітря. Для цього потрібно взяти міцну скляну кулю з пробкою та гумовою трубкою із затискачем. Викачаємо з нього насосом повітря, затиснемо трубку затискачем і врівноважений на терезах. Потім, відкривши затискач на гумовій трубці, впустимо повітря. Рівнавага терезів при цьому порушиться. Для його відновлення на іншу чашку терезів доведеться покласти гирі, маса яких дорівнюватиме масі повітря в обсязі кулі.
Досвідами встановлено, що при температурі 0 °С та нормальному атмосферному тиску маса повітря об'ємом 1 м 3 дорівнює 1,29 кг. Вага цього повітря легко вирахувати:
P = g·m, P = 9,8 Н/кг · 1,29 кг ≈ 13 Н.
Повітряна оболонка, що оточує Землю, називається атмосфера (Від грец. атмос- пар, повітря, та сфера- Куля).
Атмосфера, як показали спостереження за польотом штучних супутниківЗемлі простягається на висоту кількох тисяч кілометрів.
Внаслідок дії сили тяжіння верхні шари атмосфери, подібно до води океану, стискають нижні шари. Повітряний шар, що прилягає безпосередньо до Землі, стиснутий найбільше і, згідно із законом Паскаля, передає тиск, що на нього проводиться, по всіх напрямках.
В результаті цього земна поверхня і тіла, що знаходяться на ній, зазнають тиску всієї товщі повітря, або, як зазвичай в таких випадках, відчувають атмосферний тиск .
Існуванням атмосферного тиску можна пояснити багато явища, з якими ми зустрічаємося у житті. Розглянемо деякі з них.
На малюнку зображена скляна трубка, всередині якої знаходиться поршень, що щільно прилягає до стінок трубки. Кінець трубки опущено воду. Якщо піднімати поршень, то за ним підніматиметься і вода.
Це явище використовується у водяних насосах та деяких інших пристроях.
На малюнку показана циліндрична судина. Він закритий пробкою, в яку вставлено трубку з краном. З посудини насосом відкачується повітря. Потім кінець трубки міститься у воду. Якщо тепер відкрити кран, то вода фонтаном бризне всередину судини. Вода надходить у посудину тому, що атмосферний тиск більший за тиск 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 тоді всі вони не впадуть на поверхню Землі? Як зберігається повітряна оболонка Землі, її атмосфера? Щоб зрозуміти це, треба врахувати, що молекули газів перебувають у безперервному та безладному русі. Але тоді виникає інше питання: чому ці молекули не відлітають у світовий простір, тобто у космос.
Для того, щоб зовсім покинути Землю, молекула, як і космічний корабельабо ракета повинна мати дуже велику швидкість (не менше 11,2 км/с). Це так звана друга космічна швидкість. Швидкість більшості молекул повітряної оболонки Землі значно менша від цієї космічної швидкості. Тому більшість їх прив'язана до Землі силою тяжкості, лише мізерна мала молекула відлітає за межі Землі в космос.
Безладний рух молекул і вплив на них сили тяжіння призводять в результаті до того, що молекули газів "парять" у просторі біля Землі, утворюючи повітряну оболонку, або відому нам атмосферу.
Вимірювання показують, що густина повітря швидко зменшується з висотою. Так, на висоті 5,5 км над Землею щільність повітря в 2 рази менша за його щільність на поверхні Землі, на висоті 11 км - у 4 рази менша, і т. д. Чим вище, тим повітря розрідженіше. І нарешті, у самих верхніх шарах(сотні та тисячі кілометрів над Землею) атмосфера поступово переходить у безповітряний простір. Чіткого кордону повітряна оболонка Землі немає.
Строго кажучи, внаслідок дії сили тяжіння щільність газу в будь-якій закритій посудині неоднакова по всьому об'єму судини. Внизу судини щільність газу більша, ніж у верхніх його частинах, тому й тиск у посудині неоднаковий. На дні судини вона більша, ніж угорі. Однак для газу, що міститься в посудині, ця відмінність у щільності та тиску настільки мало, що його можна у багатьох випадках зовсім не враховувати, просто знати про це. Але для атмосфери, що тягнеться на кілька тисяч кілометрів, відмінність це суттєво.
Вимірювання атмосферного тиску. Досвід Торрічеллі.
Розрахувати атмосферний тиск за формулою для обчислення тиску стовпа рідини (§ 38) не можна. Для такого розрахунку треба знати висоту атмосфери та щільність повітря. Але певної межі в атмосфері немає, а щільність повітря різною висоті різна. Проте виміряти атмосферний тиск можна за допомогою досвіду, запропонованого в 17 столітті італійським ученим Еванджеліста Торрічеллі , учнем Галілея.
Досвід Торрічеллі полягає в наступному: скляну трубку довжиною близько 1 м, запаяну з одного кінця, наповнюють ртуттю. Потім щільно закривши другий кінець трубки, її перевертають і опускають у 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, 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 ніякий газ не чинить тиску зверху на стовп ртуті всередині цієї трубки і не впливає на вимірювання.
Торрічеллі, який запропонував описаний вище досвід, дав його пояснення. Атмосфера тисне на поверхню ртуті у чашці. Ртуть перебуває у рівновазі. Отже, тиск у трубці на рівні аа 1 (див. рис) дорівнює атмосферному тиску. При зміні атмосферного тиску змінюється висота стовпа ртуті в трубці. При збільшенні тиску стовпчик подовжується. При зменшенні тиску стовп ртуті зменшує свою висоту.
Тиск у трубці на рівні аа1 створюється вагою стовпа ртуті у трубці, тому що у верхній частині трубки над ртуттю повітря немає. Звідси слідує що атмосферний тиск дорівнює тиску стовпа ртуті у трубці , тобто.
pатм = pртуті.
Чим більший атмосферний тиск, тим вище стовп ртуті у досвіді Торрічеллі. Тому на практиці атмосферний тиск можна виміряти заввишки ртутного стовпа (у міліметрах чи сантиметрах). Якщо, наприклад, атмосферний тиск дорівнює 780 мм рт. ст. (Кажуть "міліметрів ртутного стовпа"), то це означає, що повітря робить такий же тиск, який робить вертикальний стовп ртуті заввишки 780 мм.
Отже, у разі за одиницю виміру атмосферного тиску приймається 1 міліметр ртутного стовпа (1 мм рт. ст.). Знайдемо співвідношення між цією одиницею та відомою нам одиницею - паскалем(Па).
Тиск стовпа ртуті ρ ртуті заввишки 1 мм дорівнює:
p = g·ρ·h, p= 9,8 Н/кг · 13600 кг/м 3 · 0,001 м ≈ 133,3 Па.
Отже, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
В даний час атмосферний тиск прийнято вимірювати в гектопаскалі (1 гПа = 100 Па). Наприклад, у зводках погоди може бути оголошено, що тиск дорівнює 1013 гПа, це те саме, що 760 мм рт. ст.
Спостерігаючи щодня за висотою ртутного стовпа в трубці, Торрічеллі виявив, що ця висота змінюється, тобто атмосферний тиск непостійний, він може збільшуватися та зменшуватися. Торрічеллі зауважив також, що атмосферний тиск пов'язаний із 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 вимірювання атмосферного тиску.
Барометр – анероїд.
У практиці для вимірювання атмосферного тиску використовують металевий барометр анероїдом (у перекладі з грецької - безрідковий). Так барометр називають тому, що в ньому немає ртуті.
Зовнішній вигляд анероїду зображено малюнку. Головна частина його - металева коробочка 1 із хвилястою (гофрованою) поверхнею (див. рис.). З цієї коробочки викачано повітря, а щоб атмосферний тиск не роздавило коробочку, її кришка 2 пружиною відтягується вгору. При збільшенні атмосферного тиску кришка прогинається вниз та натягує пружину. При зменшенні тиску пружина випрямляє кришку. До пружини за допомогою передавального механізму 3 прикріплена стрілка-покажчик 4, яка просувається праворуч або ліворуч при зміні тиску. Під стрілкою укріплено шкалу, розподілу якої нанесено за показаннями ртутного барометра. Так, число 750, проти якого стоїть стрілка анероида (див. мал.), показує, що у ртутному барометрі висота ртутного стовпа 750 мм.
Отже, атмосферний тиск дорівнює 750 мм рт. ст. або ≈ 1000 гПа.
Значення атмосферного тиску дуже важливе для передбачення погоди найближчими днями, оскільки зміна атмосферного тиску пов'язані з зміною погоди. Барометр – необхідний прилад для метеорологічних спостережень.
Атмосферний тиск різних висотах.
У рідині тиск, як ми знаємо, залежить від щільності рідини та висоти її стовпа. Внаслідок малої стисливості щільність рідини різних глибинах майже однакова. Тому, обчислюючи тиск, ми вважаємо її щільність постійною та враховуємо лише зміну висоти.
Складніша справа з газами. Гази сильно стисливі. А чим сильніше газ стиснутий, тим більша його щільність, і тим більший тиск він чинить. Адже тиск газу створюється ударами його молекул об поверхню тіла.
Шари повітря біля Землі стиснуті усіма вищележачими шарами повітря, що є над ними. Але що вище поверхні шар повітря, тим слабше він стиснутий, тим менше його щільність. Отже, тим менший тиск він чинить. Якщо, наприклад, повітряна куляпіднімається над поверхнею Землі, то тиск повітря на кулю стає меншим. Це відбувається не тільки тому, що висота стовпа повітря над ним зменшується, але ще й тому, що щільність повітря зменшується. Вгорі вона менша, ніж унизу. Тому залежність тиску повітря від висоти складніша, ніж рідини.
Спостереження показують, що атмосферний тиск у місцевостях, що лежать на рівні моря, в середньому дорівнює 760 мм рт. ст.
Атмосферний тиск, що дорівнює тиску стовпа ртуті заввишки 760 мм при температурі 0 °С, називається нормальним атмосферним тиском.
Нормальний атмосферний тискодно 101300 Па = 1013 гПа.
Чим більша висота над рівнем моря, тим тиск менший.
При невеликих підйомах в середньому на кожні 12 м підйому тиск зменшується на 1 мм рт. ст. (або 1,33 гПа).
Знаючи залежність тиску від висоти, можна змінити показань барометра визначити висоту над рівнем моря. Анероїди, що мають шкалу, за якою безпосередньо можна виміряти висоту над рівнем моря, називаються висотомірами . Їх застосовують в авіації та підйомі на гори.
манометри.
Ми вже знаємо, що для виміру атмосферного тиску застосовують барометри. Для вимірювання тиску, більшого або меншого атмосферного, використовується манометри (Від грец. манос- рідкісний, нещільний, метрео- Вимірюю). Манометри бувають рідинніі металеві.
|
|
Розглянемо спочатку пристрій та дію відкритого рідинного манометра. Він складається з двоколінної скляної трубки, в яку наливається якась рідина. Рідина встановлюється в обох колінах на одному рівні, тому що на її поверхню в колінах судини діє лише атмосферний тиск.
Щоб зрозуміти, як працює такий манометр, його можна з'єднати гумовою трубкою із круглою плоскою коробкою, одна сторона якої затягнута гумовою плівкою. Якщо натиснути пальцем на плівку, 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 у коробці. За законом Паскаля це збільшення тиску передається і рідини у тому коліні манометра, яке приєднано до коробки. Тому тиск на рідину в цьому коліні буде більшим, ніж в іншому, де на рідину діє тільки атмосферний тиск. Під впливом 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 врівноважується тиском, що виробляє надлишковий стовп рідини в іншому коліні манометра.
Чим сильніше тиснути на плівку, тим вище надлишковий стовп рідини, тим більший тиск. Отже, про зміну тиску можна судити за висотою 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 чинить рідина.
Якщо встановити коробочку приладу на якій-небудь глибині всередині рідини і повертати її плівкою вгору, вбік і вниз, то показання манометра не змінюватиметься. Так і має бути, адже на тому самому рівні всередині рідини тиск однаковий по всіх напрямках.
На малюнку зображено металевий манометр . Основна частина такого манометра - зігнута у трубу металева трубка 1 , один кінець якої закрито. Інший кінець трубки за допомогою крана 4 повідомляється з судиною, у якій вимірюють тиск. При збільшенні тиску трубка розгинається. Рух її закритого кінця за допомогою важеля 5 та зубчатки 3 передається стрілці 2 , що рухається біля шкали приладу. При зменшенні тиску трубка завдяки своїй пружності повертається в колишнє положення, а стрілка - до нульового поділу шкали.
Поршневий рідинний насос.
У досвіді, розглянутому нами раніше (§ 40), було встановлено, що вода у скляній трубці під дією атмосферного тиску піднімалася за поршнем. На цьому ґрунтується дія поршневихнасосів.
Насос схематично зображений малюнку. Він складається з циліндра, всередині якого ходить вгору і вниз, щільно прилягаючи до стінок судини, поршень 1 . У нижній частині циліндра та в самому поршні встановлені клапани 2 відкривається тільки вгору. При русі поршня вгору вода під впливом атмосферного тиску входить у 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 усередині поршня, і вода перетворюється на простір над поршнем. При наступному русі поршня вгору в місці з ним піднімається і вода, що знаходиться над ним, 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 насос працює.
Гідравлічний прес.
Закон Паскаля дозволяє пояснити дію гідравлічної машини (Від грец. гідравлікос- Водяний). Це машини, дія яких заснована на законах руху та рівноваги рідин.
Основною частиною гідравлічної машини служать два циліндри різного діаметра, забезпечені поршнями та сполучною трубкою. Простір під поршнями та трубку заповнюють рідиною (зазвичай мінеральною олією). Висоти стовпів рідини в обох циліндрах однакові, доки поршні не діють сили.
Допустимо тепер, що сили F 1 та F 2 - сили, що діють на поршні, S 1 та S 2 – площі поршнів. Тиск під першим (малим) поршнем дорівнює p 1 = F 1 / S 1 , а під другим (великим) p 2 = F 2 / S 2 . За законом Паскаля тиск рідиною, що спочиває, на всі боки передається однаково, тобто. 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 більша за площу 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 малою силою врівноважити більшу силу.
Ставлення F 1 / F 2 показує виграш у силі. Наприклад, у наведеному прикладі виграш у силі дорівнює 10000 Н/100 Н = 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 олійних заводах, для пресування фанери, картону, сіна. На металургійних заводах гідравлічні преси використовують із виготовлення сталевих валів машин, залізничних коліс та інших виробів. Сучасні гідравлічні преси можуть розвивати силу в десятки та сотні мільйонів ньютонів.
Пристрій гідравлічного преса схематично показано малюнку. Тіло 1 (A), що пресується, кладуть на платформу, з'єднану з великим поршнем 2 (B). З допомогою малого поршня 3 (D) створюється великий тиск рідина. Цей тиск передається у кожну точку рідини, що заповнює циліндри. Тому такий тиск діє і на другий, великий поршень. Але так як площа 2-го (великого) поршня більша за площу малого, то і сила, що діє на нього, буде більше сили, що діє на поршень 3 (D). Під дією цієї сили поршень 2 (B) підніматиметься. При підйомі поршня 2 (B) тіло (A) упирається у нерухому верхню платформу та стискається. З допомогою манометра 4 (M) вимірюється тиск рідини. Запобіжний клапан 5 (P) автоматично відкривається, коли тиск рідини перевищує допустиме значення.
З малого циліндра великий рідина перекачується повторними рухами малого поршня 3 (D). Це здійснюється в такий спосіб. 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 та газу на занурене в них тіло.
Під водою ми легко можемо підняти камінь, який важко піднімається в повітрі. Якщо занурити пробку під воду і випустити її з рук, вона спливе. Як пояснити ці явища?
Ми знаємо (§ 38), що рідина тисне на дно та стінки судини. І якщо всередину рідини помістити якесь тверде тіло, воно також буде піддаватися тиску, як і стінки судини.
Розглянемо сили, що діють із боку рідини на занурене у ній тіло. Щоб легше було міркувати, виберемо тіло, яке має форму паралелепіпеда з основами, паралельними поверхні рідини (рис.). Сили, що діють на бічні грані тіла, попарно рівні та врівноважують одна одну. Під впливом цих сил тіло стискається. А ось сили, що діють на верхню та нижню грані тіла, неоднакові. На верхню грань тисне зверху силою F 1 стовп рідини заввишки h 1 . На рівні нижньої грані тиск робить стовп рідини заввишки h 2 . Цей тиск, як ми знаємо (§ 37), передається всередині рідини на всі боки. Отже, на нижню грань тіла знизу нагору з силою F 2 тисне стовп рідини заввишки h 2 . Але h 2 більше h 1 , отже, і модуль сили F 2 більше модуля сили F 1 . Тому тіло виштовхується з рідини із силою Fвит, рівної різниці сил F 2 - F 1, тобто.
|
|
Але S·h = V, де V - об'єм паралелепіпеда, а ρ ж · V = m ж - маса рідини в обсязі паралелепіпеда. Отже, F вит = g·m ж = P ж, тобто. виштовхувальна сила дорівнює вазі рідини в обсязі зануреного в неї тіла(виштовхувальна сила дорівнює вазі рідини такого ж об'єму, як і об'єм зануреного в неї тіла). Існування сили, що виштовхує тіло з рідини, легко виявити на досвіді. На малюнку азображено тіло, підвішене до пружини зі стрілкою вказівником на кінці. Стрілка відзначає на штативі розтяг пружини. При відпусканні тіла у воду пружина скорочується (мал. 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, яка 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 із газу. Під дією цієї сили повітряні кулі піднімаються нагору. Існування сили, що виштовхує тіло з газу, також можна спостерігати на досвіді. До укороченої чашки терезів підвісимо скляну кулю або велику колбу, закриту пробкою. Терези врівноважуються. Потім під колбу (або кулю) ставлять широку посудину так, щоб вона оточувала всю колбу. Посудина наповнюється вуглекислим газом, щільність якого більша за щільність повітря (тому вуглекислий газопускається вниз і заповнює посудину, витісняючи повітря). При цьому рівновага ваги порушується. Чашка з підвішеною колбою піднімається нагору (мал.). На колбу, занурену у вуглекислий газ, діє велика виштовхувальна сила, порівняно з тією, що діє на неї в повітрі. Сила, що виштовхує тіло з рідини або газу, протилежно спрямована силі тяжіння, прикладеної до цього тіла. Тому пролкосмосі). Саме цим пояснюється, що у воді ми іноді легко піднімаємо тіла, які важко утримуємо в повітрі. До пружини підвішується невелике цебро і тіло циліндричної форми (рис., а). Стрілка на штативі відзначає розтяг пружини. Вона показує вагу тіла у повітрі. Піднявши тіло, під нього підставляється відливна судина, наповнена рідиною до рівня відливної трубки. Після чого тіло занурюється повністю в рідину (рис. б). При цьому частина рідини, об'єм якої дорівнює об'єму тіла, виливаєтьсяз відливної судини у склянку. Пружина скорочується, і вказівник пружини піднімається нагору, показуючи зменшення ваги тіла в рідині. В даному випадку на тіло, крім сили тяжіння, діє ще одна сила, яка виштовхує його з рідини. Якщо у верхнє цебро вилити рідину зі склянки (тобто ту, яку витіснило тіло), то вказівник пружини повернеться до свого початкового положення (рис., в).
На підставі цього досвіду можна зробити висновок, що сила, що виштовхує повністю занурене в рідину тіло, дорівнює вазі рідини в обсязі цього тіла . Такий самий висновок ми отримали і в § 48. Якщо подібний досвід зробити з тілом, зануреним у якийсь 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 чи газу, називається архімедовою силою, на честь вченого Архімеда , який вперше вказав на її існування та розрахував її значення. Отже, досвід підтвердив, що архімедова (або виштовхує) сила дорівнює вазі рідини обсягом тіла, тобто. FА = Pж = g·mж. Масу рідини m ж, що витісняється тілом, можна виразити через її щільність ρ ж і об'єм тіла V т, зануреного в рідину (оскільки V ж - обсяг витісненої тілом рідини дорівнює V т - об'єму тіла, зануреного в рідину), тобто. m ж = ρ ж · V т. Тоді отримаємо: F A = g·ρж · Vт Отже, архімедова сила залежить від густини рідини, в яку занурене тіло, і від об'єму цього тіла. Але вона не залежить, наприклад, від щільності речовини тіла, що занурюється в рідину, так як ця величина не входить до отриманої формули. Визначимо тепер вагу тіла, зануреного в рідину (або газ). Так як дві сили, що діють на тіло в цьому випадку, спрямовані в протилежні сторони (сила тяжіння вниз, а архімедова сила вгору), то вага тіла в рідині P 1 буде менше ваги тіла у вакуумі P = g·mна архімедову силу FА = g·mж (де mж - маса рідини чи газу, витісненої тілом). Таким чином, якщо тіло занурене в рідину або газ, воно втрачає у своїй вазі стільки, скільки важить витіснена ним рідина або газ. Приклад. Визначити виштовхувальну силу, що діє камінь обсягом 1,6 м 3 в морській воді. Запишемо умову задачі та вирішимо її. Коли тіло, що спливає, досягне поверхні рідини, то при подальшому його русі вгору архімедова сила буде зменшуватися. Чому? А тому, що зменшуватиметься об'єм частини тіла, зануреної в рідину, а архімедова сила дорівнює вазі рідини в обсязі зануреної в неї частини тіла. Коли архімедова сила стане рівною силі тяжіння, тіло зупиниться і плаватиме на поверхні рідини, частково занурившись у неї. Отриманий висновок легко перевірити на досвіді. У відливну судину наллємо воду до рівня відливної трубки. Після цього зануримо в судину плаваюче тіло, попередньо зваживши його в повітрі. Опустившись у воду, тіло витісняє об'єм води, що дорівнює обсягу зануреної у ній частини тіла. Зваживши цю воду, знаходимо, що її вага (архімедова сила) дорівнює силі тяжіння, що діє плаваюче тіло, або ваги цього тіла в повітрі. Проробивши такі ж досліди з будь-якими іншими тілами, що плавають у різних рідинах - у воді, спирті, розчині солі, можна переконатися, що якщо тіло плаває в рідині, то вага витісненої ним рідини дорівнює вазі цього тіла у повітрі. Легко довести, що якщо щільність суцільного твердого тіла більша за щільність рідини, то тіло в такій рідині тоне. Тіло з меншою щільністю спливає у цій рідині. Шматок заліза, наприклад, тоне у воді, але спливає у ртуті. Тіло ж, щільність якого дорівнює щільності рідини, залишається в рівновазі всередині рідини. Плаває на поверхні води лід, тому що його щільність менша за щільність води. Чим менше щільністьтіла в порівнянні з щільністю рідини, тим менша частина тіла занурена в рідину . При рівних щільностях тіла та рідини тіло плаває всередині рідини на будь-якій глибині. Дві рідини, що не змішуються, наприклад вода і гас, розташовуються в посудині відповідно до своїх щільностей: у нижній частині судини - більш щільна вода (ρ = 1000 кг/м 3 ), зверху - легший гас (ρ = 800 кг/м 3 ) . Середня щільність живих організмів, що населяють водне середовище, мало відрізняється від щільності води, тому їхня вага майже повністю врівноважується архімедовою силою. Завдяки цьому водні тварини не потребують таких міцних і масивних скелетів, як наземні. З цієї 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, об'єм тіла риби зменшується, і вона не виштовхується вгору, а плаває в глибині. Таким чином, риба може у певних межах регулювати глибину свого занурення. Кіти регулюють глибину свого занурення за рахунок зменшення та збільшення обсягу легень. Плавання судів.Судна, що плавають річками, озерами, морями і океанами, побудовані з різних матеріалів з різною щільністю. Корпус суден зазвичай виготовляється зі сталевих листів. Всі внутрішні кріплення, що надають міцність судам, також виготовляють з металів. Для будівництва суден використовують різні матеріали, що мають у порівнянні з водою як більші, так і менші щільності. Завдяки чому судна тримаються на воді, приймають на борт та перевозять великі вантажі? Досвід із плаваючим тілом (§ 50) показав, що тіло витісняє своєю підводною частиною стільки води, що за вагою ця вода дорівнює вазі тіла у повітрі. Це також є справедливим і для будь-якого судна. Вага води, що витісняється підводною частиною судна, дорівнює вазі судна з вантажем у повітрі або силі тяжіння, що діє на судно з вантажем. Глибина, на яку судно занурюється у воду, називається осадкою . Найбільша допустима осадка відмічена на корпусі судна червоною лінією, що називається ватерлінією (Від голланд. ватер- Вода). Вага води, що витісняється судном при зануренні до ватерлінії, рівний силітяжкості, 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, тобто мають разом з вантажем масу 500 000 т (5 · 10 5 т) і більше. Якщо з водотоннажності відняти вагу самого судна, ми отримаємо вантажопідйомність цього судна. Вантажопідйомність показує вагу вантажу, що перевозиться судном. Суднобудування існувало ще в Стародавньому Єгипті, у Фінікії (вважається, що Фінікійці були одними з найкращих суднобудівників), Стародавньому Китаї. У Росії її суднобудування зародилося межі 17-18 ст. Споруджувалися головним чином військові кораблі, але саме в Росії були побудовані перший криголам, судна з двигуном внутрішнього згоряння, атомний криголам"Арктика". Повітроплавання.
Малюнок з описом кулі братів Монгольф'є 1783: «Вигляд і точні розміри „Аеростата Земна куля“, яка була першою». 1786 З давніх-давен люди мріяли про можливість літати над хмарами, плавати в повітряному океані, як вони плавали морем. Для повітроплавання спочатку використовували повітряні кулі, які наповнювали або нагрітим повітрям, або воднем або гелієм. Для того, щоб повітряна куля піднялася в повітря, необхідно, щоб архімедова сила (виштовхує) FА, що діє на кулю, була більша сили тяжіння Fтяж, тобто. FА > Fтяж. У міру підняття кулі вгору архімедова сила, що діє на нього, зменшується. FА = gρV), оскільки щільність верхніх шарів атмосфери менша, ніж у Землі. Щоб піднятися вище, з кулі скидається спеціальний баласт (вантаж) і цим полегшує кулю. Зрештою куля досягає своєї граничної висоти підйому. Для спуску кулі з оболонки за допомогою спеціального клапана випускається частина газу. У горизонтальному напрямку повітряна куля переміщається тільки під дією вітру, тому вона називається аеростатом (від грець аер- Повітря, стато- вартий). Для вивчення верхніх шарів атмосфери, стратосфери ще недавно застосовувалися великі повітряні кулі. стратостати . Перш ніж навчилися будувати великі літаки для перевезення повітрям пасажирів і вантажів, застосовувалися керовані аеростати. дирижаблі. Вони мають подовжену форму, під корпусом підвішується гондола з двигуном, який надає руху пропелер. Повітряна куля не тільки сама піднімається вгору, але може підняти й деякий вантаж: кабіну, людей, прилади. Тому для того, щоб дізнатися, який вантаж може підняти повітряну кулю, необхідно визначити її підйомну силу. Нехай, наприклад, у повітря запущена куля об'ємом 40 м 3 наповнений гелієм. Маса гелію, що заповнює оболонку кулі, дорівнюватиме: Значить, цей шар може підняти вантаж вагою 520 Н - 71 Н = 449 Н. Це і є його підйомна сила. Куля такого ж об'єму, але наповнена воднем, може підняти вантаж 479 Н. Отже, підйомна сила його більша, ніж кулі, наповненої гелієм. Але все ж таки частіше використовують гелій, тому що він не горить і тому безпечніше. Водень же горючий газ. Набагато простіше здійснити підйом та спуск кулі, наповненої гарячим повітрям. Для цього під отвором, що знаходиться в нижній частині кулі, розташовується пальник. За допомогою газового пальника можна регулювати температуру повітря всередині кулі, а значить, його щільність і силу, що виштовхує. Щоб шар піднявся 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 дорівнюватиме виштовхувальній силі. Тоді куля повисне в повітрі, і з неї буде легко проводити спостереження. У міру розвитку науки відбувалися і суттєві зміни у повітроплавній техніці. З'явилася можливість використання нових оболонок для аеростатів, які стали міцними, морозостійкими та легкими. Досягнення у галузі радіотехніки, електроніки, автоматики дозволили сконструювати безпілотні аеростати. Ці аеростати використовуються для вивчення повітряних течій, для географічних та медико-біологічних досліджень у нижніх шарах атмосфери. Чому людина, яка стоїть на лижах, не провалюється в пухкий сніг? Чому автомобіль з широкими шинами має більшу прохідність, ніж автомобіль зі звичайними шинами? Навіщо трактору гусениці? Відповідь на ці питання ми дізнаємося, познайомившись із фізичною величиною, яка називається тиском. Тиск твердих тіл
Коли сила прикладена не до однієї точки тіла, а до безлічі точок, вона діє на поверхню тіла. І тут говорять про тиск, який створює ця сила лежить на поверхні твердого тіла. У фізиці тиском називають фізичну величину, чисельно рівну відношеннюсили, що діє на поверхню перпендикулярно до неї, площі цієї поверхні. p = F/S , де р - Тиск; F - Сила, що діє на поверхню; S - площа поверхні. Отже, тиск виникає, коли на поверхню перпендикулярно до неї діє сила. Величина тиску залежить від величини цієї сили і прямо пропорційна їй. Чим більша сила, тим більший тиск створює на одиниці площі. Слон важчий за тигр, тому чинить на поверхню більший тиск. Автомобіль тисне на дорогу з більшою силою, ніж пішохід. Тиск твердого тіла обернено пропорційно площі поверхні, на яку діє сила. Всім відомо, що йти глибоким снігом важко через те, що ноги постійно провалюються. Але на лижах це досить просто. Вся справа в тому, що в тому і в іншому випадку людина діє на сніг з тією самою силою - силою тяжіння. Але ця сила розподіляється поверхнями з різною площею. Оскільки площа поверхні лиж більша за площу підошв черевиків, то вага людини в даному випадку розподіляється на більшу площу. А сила, що діє на одиницю площі, виявляється меншою у кілька разів. Тому людина, яка стоїть на лижах, меншою силою тисне на сніг і не провалюється в нього. Змінюючи площу поверхні, можна збільшити чи зменшити величину тиску. Збираючись у похід, ми вибираємо рюкзак із широкими лямками, щоб зменшити тиск на плече. Щоб зменшити тиск будівлі на ґрунт, збільшують площу фундаменту. Шини вантажних автомобілів роблять ширшими, ніж шини легкових машин, щоб вони чинили менший тиск на ґрунт. З цієї причини трактор чи танк роблять на гусеничному ходу, а чи не на колісному. Ножі, леза, ножиці, голки гостро відточують, щоб вони мали якнайменшу площу ріжучої або колючої частини. І тоді навіть за допомогою невеликої прикладеної сили створюється великий тиск. З цієї причини природа забезпечила тварин гострими зубами, іклами, кігтями. Тиск – скалярна величина. В твердих тілахвоно передається у напрямі дії сили. Одиниця виміру сили – ньютон. Одиниця виміру площі - м 2 . Отже, одиниця вимірювання тиску - н/м 2 . Ця величина у міжнародній системі одиниць СІ називається паскаль (Па чи Ра). Здобула свою назву на честь французького фізика Блеза Паскаля. Тиск 1 паскаль викликає сила 1 ньютон, що діє на поверхню розміром 1 м 2 . 1 Па = 1н/м2 . В інших системах використовуються такі одиниці виміру, як бар, атмосфера, мм рт. ст. (міліметри ртутного стовпа) та ін. Тиск у рідинахЯкщо в твердому тілі тиск передається у напрямку дії сили, то в рідинах та газах, згідно із законом Паскаля, « будь-який тиск, що чиниться на рідину або газ, передається в усіх напрямках без змін ». Заповнимо рідиною шар з крихітними отворами, з'єднаний з вузькою трубкою у вигляді циліндра. Заповнимо кулю рідиною, вставимо в трубку поршень і почнемо його рухати. Поршень тисне на поверхню рідини. Цей тиск передається у кожну точку рідини. Рідина починає виливатись з отворів у кулі. Заповнивши кулю димом, ми побачимо такий самий результат. Це означає, що й у газах тиск також передається в усіх напрямках. На рідину, як і будь-яке тіло лежить на поверхні Землі, діє сила тяжкості. Кожен шар рідини, що знаходиться в ємності, своєю вагою створює тиск. Це підтверджує такий досвід.
Якщо в скляну посудину, замість дна якої гумова плівка, налити воду, то плівка буде прогинатися під вагою води. І чим більше води, тим більше прогнеться плівка. Якщо ж ми поступово занурюватимемо цей посудину з водою в іншу ємність, також наповнену водою, то в міру опускання плівка буде розпрямлятися. І коли рівні води в посудині та ємності зрівняються, плівка розпрямиться зовсім.
На одному рівні тиск у рідині однаковий. Але зі збільшенням глибини воно зростає, оскільки молекули верхніх шарів чинять тиск на молекули нижніх шарів. А ті, своєю чергою, тиснуть на молекули шарів, розташовані ще нижче. Тому в найнижчій точці ємності тиск буде найвищим. Тиск на глибині визначається за формулою: p = ρ·g·h , де p - Тиск (Па); ρ - Щільність рідини (кг/м 3); g - прискорення вільного падіння (9,81 м/с); h - Висота стовпа рідини (м). З формули видно, що тиск зростає із зростанням глибини. Чим нижче в океані опускається підводний апарат, тим більший тиск він відчуватиме. Атмосферний тиск
Еванджеліста Торрічеллі Хто знає, якби в 1638 р. герцог Тосканський не вирішив прикрасити сади Флоренції гарними фонтанами, атмосферний тиск був би відкритий не в XVII столітті, а набагато пізніше. Можна сміливо сказати, що це відкриття було зроблено випадково. У ті часи вважалося, що вода підніматиметься за поршнем насоса, тому що, як стверджував Аристотель, «природа не терпить порожнечі». Проте захід не увінчався успіхом. Вода у фонтанах справді піднімалася, заповнюючи «порожнечу», проте на висоті 10,3 м вона зупинялася. За допомогою звернулися до Галілео Галілея. Оскільки логічного пояснення він знайти не зміг, то доручив своїм учням. Еванджеліста Торрічелліі Вінценцо Вівіаніпровести експерименти. Намагаючись виявити причину невдачі, учні Галілея з'ясували, що різні рідини піднімаються за насосом на різну висоту. Чим щільніша рідина, тим меншу висоту вона може піднятися. Так як щільність ртуті в 13 разів більша за щільність води, то і піднятися вона зможе на висоту в 13 разів меншу. Тому у своєму досвіді вони використали ртуть.
У 1644 р. досвід було проведено. Скляну трубку заповнили ртуттю. Потім її перекинули в ємність, також наповнену ртуттю. Через деякий час стовпчик ртуті в трубці піднявся. Але всю трубку він не наповнив. Над стовпчиком ртуті залишалося порожнє місце. Пізніше воно було названо «торрічелевою пусткою». Але і в ємність ртуть із трубки не виливалася. Торрічеллі пояснив це тим, що на ртуть тисне атмосферне повітря та утримує її в трубці. А висота стовпчика ртуті у трубці показує величину цього тиску. Так було вперше виміряно атмосферний тиск. Атмосфера Землі - це її повітряна оболонка, яка утримується біля неї гравітаційним тяжінням. Молекули газів, що становлять цю оболонку, безперервно та хаотично рухаються. Під дією сили тяжіння верхні шари атмосфери тиснуть на нижні шари, стискаючи їх. Найсильніше стиснутий нижній шар, що знаходиться на поверхні Землі. Тому тиск у ньому найбільший. Відповідно до закону Паскаля, цей тиск він передає у всіх напрямках. Його відчуває на собі все, що знаходиться на Землі. Цей тиск називають атмосферним тиском . Оскільки атмосферний тиск створюється шарами повітря, що лежать вище, то зі збільшенням висоти воно зменшується. Відомо, що високо в горах воно менше, ніж біля підніжжя гір. А глибоко під землею вона набагато вища, ніж на поверхні. Нормальним атмосферним тиском вважається тиск, що дорівнює тиску стовпчика ртуті висотою 760 мм при температурі 0 про С. Вимірювання атмосферного тиску
Так як атмосферне повітря має різну щільність на різній висоті, то величину атмосферного тиску не можна визначити за формулоюp = ρ · g · h . Тому його визначають за допомогою спеціальних приладів, які називаються барометрами . Розрізняють рідинні барометри та анероїди (безрідкісні). Робота рідинних барометрів полягає в зміні у стовпчику рівня рідини під тиском атмосфери. Анероїд є герметичний контейнер з гофрованого металу, всередині якого створено розрідження. Контейнер стискається, коли атмосферний тиск підвищується і розпрямляється при його зниженні. Всі ці зміни передаються на стрілку за допомогою пружинної металевої пластини. Кінець стрілки пересувається за шкалою. По зміні показань барометра можна припустити, як зміниться погода найближчими днями. Якщо атмосферний тиск підвищується, то можна очікувати ясної погоди. А якщо знижується, буде хмарно. Читайте також:
|
