Физика что такое давление: Давление — урок. Физика, 7 класс. - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Давление твердых тел — формулы, определение, формулировка

Агрегатных состояния точно три?

На самом деле, есть еще четвертое — плазма. Звучит, как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Давление твердого тела

Идущий по рыхлому снегу человек будет в него постоянно проваливаться. Но, надев лыжи, он может передвигаться по снегу спокойно. Казалось бы, сила и масса человека не меняется — он воздействует на снег с одинаковой силой и на лыжах, и без них.

Дело в том, что «проваливание» в снег характеризуется не только силой — оно также зависит от площади, на которую эта сила воздействует.

Площадь поверхности лыжи в 20 раз больше площади поверхности подошвы, поэтому человек, стоя на лыжах, действует на каждый квадратный сантиметр с силой в 20 раз меньшей, чем без них.

Или, например, если втыкать кнопки в пробковую доску, и действовать на них с одинаковой силой — легче войдет та кнопка, у которой более заостренный конец, так как у него площадь меньше.

А теперь подтвердим этот вывод опытами, как настоящие физики.

Резюмируем

Результат действия силы зависит не только от ее модуля, направления и точки приложения, но и от площади поверхности, к которой эта сила приложена.

А теперь подтвердим этот вывод опытами, как настоящие физики

Возьмем небольшую доску и вобьем гвозди в ее углы. Также возьмем емкость с песком и поставим конструкцию из доски и гвоздей в эту емкость. Сначала расположим конструкцию так, как показано на рисунке — «шляпками» вниз — и поставим на нее гирю. Конструкция не потонет в песке, а только чуть-чуть углубится.

Затем перевернем конструкцию так, чтобы «шляпки» гвоздей оказались сверху и также поставим на доску гирю. 2]

Как уменьшить или увеличить давление

Тяжелый гусеничный трактор производит давление на почву, равное 40 — 50 кПа. Мальчик массой 45 кг производит давление всего лишь в 3 раза меньше, чем такой трактор. Это связано как раз с тем, что площадь гусениц больше.

В зависимости от того, какое давление хотят получить, площадь опор уменьшают или увеличивают. Например, чтобы уменьшить давление здания на грунт, в процессе строительства увеличивают площадь нижней части фундамента.

Шины грузовых автомобилей делают значительно шире легковых автомобилей (обратите внимание на колеса какой-нибудь большой фуры). Самые широкие шины можно увидеть на автомобилях, предназначенных для передвижения в пустыне. Тот же самый «лайфхак» используется в шасси самолетов.

Обратная зависимость тоже используется, например, при создании лезвий колющих и режущих инструментов. Острое лезвие имеет малую площадь, поэтому даже при небольшом нажатии создается большое давление.

Задачка раз

Книга лежит на столе. Масса книги равна 0,6 кг. Площадь ее соприкосновения со столом равна 0,08 м2. Определите давление книги на стол.

Решение:

На стол будет давить сила, равная весу книги. Так как она покоится, ее вес будет равен силе тяжести. Следовательно:

p = mg/S = 0,6*10/0,08 = 75 Па

Ответ: давление книги на стол будет равно 75 Па

Задачка два

Гусеничный трактор ДТ-75М массой 6610 кг имеет опорную площадь обеих гусениц 1,4 м2. Определите давление этого трактора на почву.

Решение:

p=m⋅g/S = 6610⋅10/1,4 = 47 214Па = 47,2 кПа.

Ответ: давление трактора на почву составляет 47,2 кПа

Задачка три

Человек массой 80 кг с сумкой весом 100 Н стоит неподвижно на полу. Сила давления подошв его ботинок на пол равномерно распределена по площади 600 см2. Какое давление человек оказывает на пол?

Решение:

Масса человека: m = 80 кг.

Вес сумки, которую держит человек: Pc = 100 Н.

Площадь соприкосновения подошвы ботинок с полом: S = 600 кв. см.

600 кв. см = 600/10000 кв. м = 0,06 кв. м

Давление — это отношение силы к площади, на которую она действует. В данном случае на площадь действует сила, равная сумме силы тяжести человека и веса сумки:

F = mg + Pc

Поэтому давление, оказываемое человеком с сумкой на пол, равно

p = (mg + Pc)/S = (80*10 + 100)/0,06 = 15 000 Па = 15 кПа

Ответ: давление человека, держащего сумку, на пол равно 15 кПа

Еще больше задачек — на онлайн-курсах по физике для 9 класса в школе Skysmart.

Давление в физике – виды, формулы и определения с примерами

Содержание:

Давление:

Вы уже знаете, что тело, находящееся на горизонтальной опоре, действует на опору силой давления. Она приложена к опоре и направлена перпендикулярно к ней. Опора деформируется. А от чего зависит степень ее деформации?

Проделаем такой опыт. Поместим столик вверх ножками в ящик с песком, на столик поставим гирю (рис. 166, а). Столик с гирей лишь незначительно погрузится в песок. А теперь перевернем столик ножками вниз и поставим ту же гирю (рис. 166, б). Ножки погрузятся в песок. Результат действия одной и той же силы давления (веса столика с гирей) оказался разным. Почему? Потому, что сила давления действовала на разную площадь поверхности опоры. В первом случае ее действие распределилось на площадь поверхности песка под крышкой, во втором — на площадь поверхности песка под ножками столика. Ясно, что площадь под ножками значительно меньше площади под крышкой столика.

А если убрать гирю, т. е. уменьшить силу давления, не меняя площади поверхности, на которую она действует (рис. 166, в)? Ножки погрузятся в песок, но не так сильно.

Результат действия силы давления на поверхность можно определить с помощью физической величины — давления. Обозначим давление буквой р. Из опыта следует, что давление тем больше, чем больше сила давления и чем меньше площадь поверхности,

на которую она действует.

Давление — это физическая величина, равная отношению силы давления, действующей перпендикулярно поверхности, к площади поверхности.

Математически это можно выразить так:

В СИ единицей давления является Ее называют паскалем (Па) в честь французского ученого Блеза Паскаля, изучавшего давление в жидкостях и газах.

1 паскаль — это давление на поверхность площадью производимое силой 1 Н, действующей перпендикулярно.

Применяют кратные единицы давления: гектопаскаль (гПа), килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа).

Обратите внимание:

Позлее вы познакомитесь и с другими единицами давления.

Силой давления может быть не только вес тела, но и любая сила, перпендикулярная поверхности, на которую она действует.

Простой пример: вы загоняете канцелярскую кнопку в вертикальную доску (рис. 167). Силой давления на кнопку является сила действия руки, направленная горизонтально (перпендикулярно доске). Пружины дивана оказывают давление на сидящего на нем человека. Сила давления (сила упругости пружин) при этом направлена вертикально вверх.

Для практических целей иногда необходимо уменьшить давление, а в ряде случаев, наоборот, — увеличить. Как изменить давление?

Обратимся к формуле Совершенно ясно: чтобы уменьшить давление, нужно уменьшить силу давления или увеличить площадь поверхности.

Например, чтобы увеличить проходимость тяжелых машин (трактора, танка), их снабжают гусеницами (рис. 168). Площадь поверхности, на которую действует сила давления, увеличивается, а давление — уменьшается. Широкие шины у автомобилей, лыжи у человека (рис. 169), довольно большие по площади стопы у слона (рис. 170) играют ту же роль, что и гусеницы у трактора. Приведите сами подобные примеры.

А как увеличить давление? Из формулы давления следует: надо увеличить силу давления или уменьшить площадь поверхности, на которую действует сила. Затачивая лезвия ножей, ножниц (рис. 171), кос, острия игл, зубцы пил и др., мы стараемся уменьшить площадь поверхности. Тем самым, действуя малой силой, можно создать большое давление.

Животному миру природа сама обеспечила возможность создавать большое давление небольшим усилием, вооружив его представителей иглами, клювами и когтями (рис. 172), зубами, клыками, жалами и т. д.

Главные выводы:

Давление — это физическая величина, равная отношению силы давления к площади поверхности.
Чем больше действующая на поверхность сила давления, чем меньше площадь поверхности, на которую действует сила давления, тем больше давление.
В СИ единицей давления является 1 Па.

Для любознательных:

Человек при ходьбе создает давление до 300—400 кПа (определите давление, которое создаете вы, стоя на полу; сравните полу ценные результаты с приведенным значением и объясните причину расхождения этих значений). Гусеничный трактор создает давление на почву в 40—60 кПа, а колеса вагона поезда па рельсы — около 50 МПа.

Пример решения задачи:

Семиклассник массой m = 50 кг стоит на полу. Определите давление, которое он производит на пол, если площадь соприкосновения подошвы его ботинка с полом Коэффициент

Дано:

m = 50 кг

Решение:

Давление, которое производит семиклассник на пол:

Сила давления F равна весу P семиклассника. Вес Тогда:

Ответ: p = 50 кПа.

Давление газа

Газы, как и твердые тела, тоже производят давление. Но твердые тела передают давление в том направлении, в котором действует сила давления. Кнопка (см. рис. 167) передает давление перпендикулярно доске, лопата (рис. 174) — в направлении силы давления ноги и т. д.

А вот газы передают давление во все стороны. Чем обусловлена такая особенность газов? От чего зависит давление газа?

Вам уже известно, что газы, как жидкости и твердые тела, состоят из частиц (атомов, молекул). Но расстояния между частицами у газов больше, чем у жидкостей и твердых тел. Поэтому силы взаимодействия между частицами у газов практически отсутствуют (кроме процессов столкновения). Двигаясь хаотически, они сталкиваются между собой и со стенками сосуда. Так как число частиц газа в сосуде чрезвычайно велико (например, в их примерно ), то стенка воспринимает удары частиц как действие вполне ощутимой силы давления.

В газах среднее число ударов хаотически движущихся частиц и средняя сила ударов на единицу площади поверхности стенки по всем направлениям одинаковы. Значит, и среднее давление по всем направлениям одинаково.

Подтвердим это опытом. Под стеклянный колокол поместим завязанную оболочку резинового шара, внутри которой находится газ (рис. 175). Будем откачивать воздух из-под колокола. Объем шара по мере откачки воздуха увеличивается. Это связано с тем, что давление газа под колоколом становится меньше, чем внутри шара.

Форма оболочки в виде шара — доказательство того, что давление газа по всем направлениям одинаково.

Каким образом можно изменить давление газа? Поскольку давление обусловлено числом ударов частиц и силой удара каждой частицы о стенку, то есть два пути его изменения. Первый из них — изменить число частиц в единице объема.

Подтвердим сказанное опытом. В пробковом пистолете между пробкой и поршнем находится воздух (рис. 176, а), который оказывает давление по всем направлениям. Если будем поршнем сжимать газ, не меняя его температуры, то пробка вылетит из пистолета (рис. 176, б). Почему?

Уменьшая объем газа, мы увеличиваем число частиц в единице объема. Это приводит к увеличению числа ударов о стенки. Давление газа возрастает. А с увеличением давления растет сила давления газа на пробку, и она вылетает из пистолета. Если увеличивать объем газа при постоянной температуре, то давление будет уменьшаться.

Итак, при уменьшении объема (сжатии) газа при постоянной температуре его давление увеличивается, а при увеличении объема (расширении) газа давление уменьшается.

Второй путь изменить (например, увеличить) давление газа — это изменить силу удара частиц о стенки. Для этого газ нужно нагреть. Тогда скорость хаотического движения частиц увеличится, и, следовательно, увеличится и сила ударов их о стенки.

Зависимость давления от температуры можно подтвердить опытом. Если объем газа в пробковом пистолете (рис. 177, а) сохранять постоянным, но повышать температуру газа, подогревая его на спиртовке (рис. 177, б), то пробка вылетит вследствие увеличения давления. Значит, чем выше температура газа, тем больше его давление; чем ниже температура, тем меньше давление.

Главные выводы:

Давление газа есть результат ударов частиц о стенки сосуда, в котором он находится.
Давление газа можно увеличить, если уменьшать его объем при постоянной температуре или, сохраняя объем газа, увеличивать его температуру.
Давление газа можно уменьшить, если увеличивать (расширять) его объем при постоянной температуре или охлаждать газ, сохраняя его объем.

Для любознательных:

Возрастание давления газа при его нагревании вызвано не только увеличением силы отдельных ударов. В холодном и горячем газе будет неодинаковым и среднее число ударов частиц о стенки сосуда за единицу времени (т. е. частота ударов). Подумайте, как влияет этот фактор на давление газа.

На баллоне с лаком для волос написано: «Предохранять от воздействия прямых солнечных лучей и нагревания выше +50 °С!» Объясните необходимость таких мер предосторожности с точки зрения физики.

Передача давления газами и жидкостями. Закон Паскаля

Вы уже знаете, что частицы твердых тел (атомы, молекулы) жестко связаны между собой и могут совершать лишь хаотические колебательные движения около положений равновесия. У газов частицы движутся по всему объему хаотически поступательно. У жидкостей они совершают и хаотическое колебательное, и хаотическое поступательное движение. Значит, у газов и жидкостей подвижность частиц значительно выше, чем у твердых тел. Поэтому жидкости и газы не сохраняют своей формы, а принимают форму сосуда, в котором находятся (рис. 178).

Кроме того, некоторые законы для жидкостей и газов одинаковы. Рассмотрим один из них. Проведем опыт. Шар с отверстиями заполним дымом и присоединим к трубке с поршнем. Дым с имеющимся в шаре воздухом займет весь объем шара. Будем перемещать поршень вниз. Мы заметим, что из всех отверстий начнут вытекать струйки дыма (рис. 179). Как объяснить это явление?

Подвижность частиц дыма и молекул воздуха приводит к тому, что они распределяются равномерно по всему объему. Сталкиваясь со стенками шара, молекулы и частицы дыма действуют на стенки, создавая давление. Сжимая газ (воздух с дымом), мы уменьшаем объем и тем самым увеличиваем вначале давление непосредственно под поршнем. Благодаря подвижности молекул давление передается газом во все точки шара, и газ вытекает из отверстий во всех направлениях. Такой же эффект достигается в случае, когда в шаре будет только воздух (без дыма). Дым лишь делает видимыми вытекающие струйки.

Аналогичный опыт можно провести с жидкостью, например с водой. При нажатии на поршень струйки воды через отверстия шара будут вытекать но всем направлениям.

Проведем еще опыт. Через пробку в банку с водой вставим четыре трубки (рис. 180). Через трубку 1 будем накачивать в банку воздух, увеличивая там его давление. Увеличение внешнего давления (давления воздуха) на поверхность воды передается водой от слоя к слою по всем направлениям. В результате вода во всех трубках поднимается, причем на одну и ту же высоту. Значит, давление в воде сбоку (трубка 2), снизу (трубка 3), сверху (трубка 4) на одной глубине одинаково.

А вспомните, как с одинаковым напором вытекают струйки воды из всех дыр, появившихся в шланге для полива огорода (рис. 181). Давление, производимое внешней силой на жидкость (газ), находящуюся в сосуде, передается жидкостью (газом) во все точки жидкости (газа) без изменения. К такому выводу еще в XVII в. пришел французский ученый Блез Паскаль. Этот вывод называют законом Паскаля.

В твердых телах подвижность частиц ограничена, и эти тела не подчиняются закону Паскаля. Если вы поставите на стол тяжелый предмет, например гирю, то вес гири создаст давление лишь на площадь поверхности стола под гирей, т. е. только в направлении действия силы.

Главные выводы:

Частицы жидкости и газа обладают подвижностью.
Благодаря подвижности частиц жидкости и газы передают производимое на них давление во все точки без изменения.
Твердые тела передают давление только в направлении действия силы давления.

Давление жидкости, обусловленное ее весом

Благодаря подвижности частиц (атомов, молекул) жидкость принимает форму того сосуда, в который она налита. Если на жидкость действует внешняя сила давления, то жидкость передает созданное этой силой давление во все точки. Но жидкость создает давление и за счет своего веса, причем не только на дно сосуда, но и на стенки.

В том, что жидкость давит на стенки и дно сосуда, можно убедиться, используя эластичный полиэтиленовый пакет или трубку, нижний конец которой закрыт резиновой пленкой. Постепенно наливая подкрашенную воду в сосуд, мы обнаружим увеличивающийся прогиб пленки (рис. 182).

Причиной увеличения прогиба является рост давления воды на пленку. Притягиваясь к Земле, жидкость давит своим весом на пленку подобно тому, как давит на стол стопка книг. Давление неподвижной жидкости, обусловленное ее весом, называют гидростатическим (от лат. hydros — вода, station — неподвижный).

Гидростатическое давление можно рассчитать. Так, давление столба жидкости высотой h на дно сосуда с вертикальными стенками и площадью дна S (рис. 183) равно Силой давления F является вес жидкости. Для неподвижной жидкости ее вес численно равен силе тяжести:

Запишем массу m жидкости через плотность и объем V. Масса: Объем тогда Подставим в формулу давления, получим:

Итак, давление жидкости на дно сосуда зависит от ее плотности и высоты столба жидкости.

Выведенная формула справедлива для сосуда любой формы, даже если таким «сосудом» является пруд или океан. Чтобы подтвердить формулу, к сосуду с эластичным дном присоединим измерительную систему (рис. 184). При замене цилиндрического сосуда (а) на конические (б и в) (сосуды имеют одинаковую площадь дна и равные высоты столбов жидкости) прибор показывает равные силы давления. Значит, давления жидкости на дно всех сосудов равны, хотя масса жидкости в сосудах разная.

Формула позволяет найти давление не только на дно, но и на боковые стенки. Действительно, давление на стенку на данной глубине, как и на дно, зависит от высоты столба жидкости. Подтвердим это опытом. Нальем в пластиковую бутылку с проколотыми в стенке отверстиями подкрашенную воду (рис. 185). Наблюдения за вытекающими струями показывают, что гидростатическое давление действует и на стенку бутылки. Его величина возрастает по мере увеличения высоты столба воды в бутылке над отверстием, поэтому струя III падает дальше, чем струя I. Чтобы объяснить это явление, разделим мысленно жидкость на слои /, 2> 3, 4. На каждый нижний слой жидкости действует вес верхних ее слоев. Сила тяжести, действующая на слой /, прижимает его к слою 2. Слой 2 передает производимое на него давление слоя 1 по всем направлениям. На слой 3 действует вес слоев 2, 2. Следовательно, давление в слое 3 больше, чем в слое 2. Наибольшим оно будет на дно и стенку у дна сосуда.

Главные выводы:

Гидростатическое давление обусловлено весом покоящейся жидкости.
Гидростатическое давление на данной глубине зависит от плотности жидкости и высоты столба жидкости.
Гидростатическое давление на боковую стенку сосуда и на поверхность находящегося в жидкости тела на глубине h равно

Для любознательных:

Гидростатическое давление — главное препятствие для проникновения людей в глубины Мирового океана. Уже на глубине 2,5 м нетренированный ныряльщик испытывает боль в ушах из-за давления воды на барабанные перепонки. Корпуса подводных лодок, изготовленные из прочнейших сталей, на глубине в несколько сотен метров находятся на грани превышения допустимой прочности. Тогда почему рыбы на большой глубине чувствуют себя комфортно? Оказывается, вода давит на рыб не только извне, но и изнутри, т. е. происходит компенсация сил давления.

Пример №1

Определите глубину водоема, на которой давление воды р = 100 кПа. Какая сила давления воды действует на ракушку с площадью поверхности лежащую на дне? Коэффициент примите равным

Дано:

Давление воды на глубине h равно:

откуда где (плотность воды).

Сила давления:

Ответ:

Сообщающиеся сосуды

Действие на жидкость силы тяжести и подвижность ее молекул приводят к тому, что в широких сосудах поверхность жидкости устанавливается горизонтально. Это легко проверить с помощью прямоугольного треугольника (рис. 187). Горизонтальной будет поверхность жидкости и в сосудах, соединенных между собой, независимо от их формы.

Возьмем несколько соединенных между собой открытых сосудов. Их называют сообщающимися. Будем наливать в один из них воду. Вода перетечет в остальные сосуды и установится во всех сосудах на одном уровне (рис. 188) (если сосуды не очень узкие). Почему это происходит?

Рассмотрим самые простые сообщающиеся сосуды (рис. 189). Выделим внутри тонкий слой жидкости Как и вся жидкость, он неподвижен. Значит, слева и справа на него действуют силы с равными модулями, но противоположные по направлению. Это силы давления столбов жидкости Но чтобы модули этих сил были равны, необходимо, чтобы были одинаковыми давления, создаваемые левым и правым столбами жидкости, т. е.

После сокращения получим:

В открытых сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одинаковом уровне.

С сообщающимися сосудами вы встречаетесь постоянно: это чайники, лейки для полива (рис. 190, а), водомерные трубки в больших емкостях с водой или топливом (рис. 190, б). На принципе действия сообщающихся сосудов работает, к примеру, безнасосный фонтан (рис. 191).

Сложную систему сообщающихся сосудов используют в дачных поселках и деревнях в башенном водопроводе. Схема простейшего водопровода представлена на рисунке 192. Вода из артезианского источника насосом (1) подается в бак водонапорной башни (2). От бака идут трубы с ответвлениями, вводимыми в дома на все этажи. Концы ответвлений труб закрываются кранами. Давление воды в кране определяется высотой столба воды в башне над уровнем крана. Поэтому чем выше этаж, тем давление воды в кране меньше. Чтобы вода смогла достигать всех этажей, башни строят высокими.

А если вам потребуется строго горизонтально установить поверхность стола или стиральной машины? Как в этом случае вам смогут помочь сообщающиеся сосуды? Приведите еще примеры использования сообщающихся сосудов.

Все полученные в этом параграфе закономерности справедливы для широких сосудов, в которых поверхности жидкости плоские. В очень узких сосудах поверхности жидкости искривляются (рис. 193) и данные закономерности не выполняются.

Главные выводы:

В широких неподвижных сосудах поверхность жидкости всегда горизонтальна.
Уровень поверхностей однородной жидкости в открытых сообщающихся сосудах одинаков и не зависит от формы сосудов.

Для любознательных:

Что мы будем наблюдать, если в сообщающиеся сосуды налиты разные жидкости, например ртуть и вода (см. рис.)? В таком случае для равновесия тонкого слоя нужно, чтобы давление, создаваемое левым (ртутным) столбом высотой было равно давлению правого столба воды и ртути высотой , т. е. откуда Используя свойства пропорции, запишем окончательно:

Посмотрите в таблицу плотностей жидкостей. Плотность ртути в 13,6 раза больше плотности воды. Значит, будет в 13,6 раза меньше

В открытых сообщающихся сосудах высоты столбов несмешивающихся жидкостей над уровнем их раздела обратно пропорциональны плотностям жидкостей.

Пример №2

Поверхность воды в водонапорной башне находится на h = 40 м выше кухонного водопроводного крана. Определите давление воды в кране. Коэффициент примите равным

Дано:

Решение:

Давление в кране создается столбом воды высотой ; где – плотность воды;

Ответ:

Газы и их вес

То, что жидкость имеет вес, никого не удивляет. Каждый из вас ощущал вес, держа в руке ведро воды (рис. 197), бутылку растительного масла или напитка. Однако мы не чувствуем изменения веса футбольного мяча при его накачивании воздухом. Почему?

Посмотрите в таблицу плотностей и сравните плотность воздуха и воды. Плотность воздуха почти в 800 раз меньше плотности воды.

Расчеты показывают, что, например, в сильно накачанном мяче вес воздуха находится в пределах 0,1 Н, а его масса около 10 г.

Покажем на опыте наличие у воздуха массы, а следовательно, веса. Уравновесим на весах стеклянный сосуд, заполненный воздухом. Откачаем насосом воздух и взвесим сосуд повторно. Он стал легче (рис. 198). Добавляя на чашку с сосудом разновес, можно узнать массу откачанного воздуха и его вес.

Воздушный слой, окружающий нашу Землю (земная атмосфера), тоже имеет вес. На каждую молекулу этого слоя действует Земля силой тяжести. Молекулы земной атмосферы, если бы на них не действовала сила тяжести, двигаясь хаотично, давно бы покинули нашу планету. Но тяготение Земли стремится расположить их у поверхности, что приводит к неоднородности атмосферы. Ее плотность заметно убывает с высотой. Так, на высоте км плотность воздуха уже в 2 раза меньше, чем у поверхности Земли. На высоте км плотность а на высоте 400 км, где летают спутники, об атмосфере можно говорить лишь условно, так как ее плотность

Главные выводы:

Газы обладают массой и весом.
Земная атмосфера обладает весом вследствие действия на нее притяжения Земли.
Действие силы тяжести и хаотичное движение молекул приводят к неодинаковой плотности земной атмосферы.

Для любознательных:

Обратите внимание, что приведенные в таблице 3 плотности газов указаны при нормальных условиях, т. е. при строго определенной температуре и давлении. При сжатии газов (и обычного воздуха) их плотности могут возрастать во много раз. Такие сильно сжатые газы, во-первых, очень удобны при транспортировке, например в баллонах с кислородом для сварки или в баллонах аквалангистов. Во-вторых, сжатые до высокого давления газы удобно использовать при работе отбойного молотка и пневматических (от греч. pneuma — дуновение, дыхание) тормозов, которые устанавливаются на мощных автомобилях, в том числе на автомобилях МАЗ и БелАЗ. Устройства для сжатия различных газов называют компрессорами.

Атмосферное давление

Вы знаете, что атмосфера Земли — газовая оболочка, в состав которой входят азот, кислород, углекислый газ, водяные пары и другие газы (рис. 199).

Всякий газ, если он находится в сосуде, производит давление на стенки сосуда, так как молекулы газа непрерывно бомбардируют эти стенки. А производит ли давление атмосфера Земли? Чем обусловлено это давление?

Атмосфера Земли удерживается силой тяжести, действующей со стороны Земли. В результате действия этой силы верхние слои атмосферы давят на нижние. Поэтому нижний слой оказывается наиболее сжатым. Давление одного слоя атмосферы на другой по закону Паскаля передается по всем направлениям и действует на любое тело: на здания, на растения, на людей. Это давление называют атмосферным. Атмосферное давление по мере удаления от поверхности Земли уменьшается. Уменьшается толщина слоя воздуха, создающего давление, и его плотность.

Атмосферное давление можно рассчитать. Результаты этих расчетов не могут не удивлять. Атмосферное давление равно примерно Значит, на каждый квадратный сантиметр нашего тела действует сила 10 Н, а на всю площадь поверхности тела (примем ее за ) — сила 100 000 Н. Это равно весу десятитонного МАЗа! Как же мы живем под таким гигантским давлением?

Вспомним глубоководных рыб. Подобно им, мы просто не замечаем этой огромной сжимающей силы, так как она компенсируется равной расширяющей силой, создаваемой давлением воздуха внутри нас (он растворен даже в нашей крови).

Так что же, атмосферное давление вообще нельзя обнаружить? Для ответа на этот вопрос обратимся к опыту. Возьмем стакан с водой, накроем его листом бумаги, перевернем, придерживая рукой лист, а затем уберем руку (см. рис. 200). Мы видим, что вода из стакана не выливается, лист не отрывается. Сила атмосферного давления, приложенная к листу бумаги, компенсирует действие веса налитой воды и разреженного воздуха в стакане.

Опустите иглу шприца в подкрашенную воду и поднимайте поршень вверх. Вы увидите, что жидкость поднимается вслед за поршнем (рис. 201) противоположно направлению действия силы тяжести. Сила атмосферного давления заставляет сок подниматься вверх по трубочке (рис. 202). Опытов, в которых проявляется действие атмосферного давления, много.

Как измерить атмосферное давление? Рассмотрим наиболее важный из опытов, проведенный в 1643 г. по предложению итальянского физика и математика Эванджелисты Торричелли.

В этом опыте запаянная с одной стороны метровая стеклянная трубка (рис. 203, а) заполнялась ртутью. Верхний конец трубки закрывался, трубка переворачивалась и опускалась в широкий сосуд со ртутью, после чего отверстие открывалось. Часть ртути вытекала из трубки в сосуд. В трубке оставался столб ртути высотой Н около 76 см (760 мм) (рис. 203, б).

Что же удерживало от вытекания оставшуюся в трубке ртуть? Широкий сосуд и трубка — это, по сути, уже известные вам сообщающиеся сосуды. Над ртутью в трубке воздуха нет. На ртуть в широком сосуде действует атмосферное давление, которое жидкая ртуть передает по всем направлениям, в том числе вверх. Сила этого давления и поддерживает ртутный столб.

Рассмотрим условия равновесия тонкого слоя ртути (на рисунке 203, б он обозначен желтым цветом). Это условие требует, чтобы сила атмосферного давления снизу и сила гидростатического давления столба ртути сверху были равны. А это значит, что Таким образом, измерив высоту столба ртути Н, мы можем рассчитать его давление по формуле и тем самым определить величину атмосферного давления.

Поскольку атмосферное давление определяется высотой столба ртути, то понятно, почему очень часто его измеряют не в международных единицах (паскалях), а в миллиметрах ртутного столба.

Выразим в паскалях внесистемную единицу давления 1 миллиметр ртутного столба (сокращенно 1 мм рт. ст.):

По договоренности атмосферное давление считают нормальным, если оно равно давлению столба ртути высотой h = 760 мм при температуре t = 20 °С. Такое давление называют одной нормальной, или физической, атмосферой (сокращенно 1 атм):

В большинстве случаев мы будем использовать округленное значение:

Атмосферное давление играет важную роль во многих бытовых и технических устройствах. Оно не только позволяет пользоваться пипеткой или шприцом для набора лекарств, но и дает возможность простого, недорогого способа подъема воды. Знакомые многим резиновые присоски (рис. 204) используются как в быту, так и на заводах для переноса сложнейших узлов электроники, прикосновение к которым (даже в перчатках) совершенно недопустимо.

Главные выводы:

Удерживаемая земным притяжением атмосфера Земли производит давление.
Человек не ощущает атмосферного давления, так как оно действует как снаружи, так и изнутри него.
За нормальное атмосферное давление принято давление столба ртути высотой 760 мм.

Заказать решение задач по физике

Для любознательных:

В середине XVII в. в немецком городе Магдебурге ученым Отто фон Герике был проведен опыт-спектакль. Из пространства между двумя одинаковыми медными полушариями был выкачан воздух. Для разрыва полушарий, т. е. для преодоления сил атмосферного давления, потребовалось 8 пар самых сильных лошадей. Разрыв сопровождался сильным хлопком, подобным звуку выстрела.

Измерение атмосферного давления. Барометры и манометры

Ежедневно мы получаем информацию о величине атмосферного давления и его изменении. Почему оно не является постоянным? Почему на разных территориях Земли давление разное? Как давление зависит от высоты?

Атмосферное давление зависит от состава воздуха. Так, например, при поступлении влажного воздуха, насыщенного водяными парами, давление уменьшается, поскольку масса молекул воды заметно меньше массы других молекул атмосферы — азота и кислорода. Наиболее сжатыми, а значит, более плотными являются прилегающие к поверхности Земли слои атмосферы. Следовательно, значение атмосферного давления зависит от высоты места над уровнем моря. На вершине самой высокой (h = 8848 м) горы Эверест (рис. 208) давление почти в 3 раза меньше, чем у ее подножия.

Вода, как и другие жидкости, практически несжимаема. Поэтому давление жидкости от высоты столба зависит прямо пропорционально Зависимость же атмосферного давления от высоты описывается гораздо более сложной формулой. Однако для расчетов, не требующих большой точности (при не очень больших высотах), можно считать, что при подъеме на каждые 12 м давление убывает на 1 мм рт. ст. Зависимость давления от высоты можно использовать для измерения высоты подъема (альпинистов, летательных аппаратов).

Так, если при подъеме давление уменьшилось на 20 мм рт. ст., то это значит, что высота подъема:

Приборы, измеряющие высоту по такому принципу, называют альтиметрами (от лат. altius — выше и metron — мера) (рис. 209).

Атмосферное давление измеряют барометра ми (от греч. baros — тяжесть и metron — мера). Простейшим барометром является сосуд со ртутью и трубка, используемые в опыте Торричелли (см. рис. 203). Однако ртутные барометры не находят широкого применения, хотя имеют высокую точность. Пары ртути вредны для человека. На практике в основном пользуются металлическим барометром — анероидом. Хотя он менее точен, чем ртутный, но совершенно безопасен.

Внешний вид и внутреннее устройство барометра-анероида представлены на рисунке 210, а, б. Главной частью анероида является металлическая коробочка с волнистой (гофрированной) верхней и нижней поверхностями. Воздух из коробочки частично откачан.

При увеличении атмосферного давления увеличивается сила давления на коробочку. Коробочка сжимается и растягивает пружину, прикрепленную к ней. Пружина связана со стрелкой, которая перемещается по шкале в сторону больших значений давления.

Если давление снижается, сила давления на коробочку уменьшается, силы упругости распрямляют коробочку, и стрелка перемешается по шкале в противоположную сторону.

Шкалу анероида предварительно градуируют, т. е. наносят деления по показаниям ртутного барометра. Значения давления на шкале выражены в миллиметрах ртутного столба и в гектопаскалях (гПа).

Для измерения разности давления в сосуде и атмосферного давления служат манометры. Простейший манометр — жидкостный. Он представляет собой рассмотренную нами ранее U-образную трубку с жидкостью (см. рис. 189). Одно колено трубки (рис. 211) присоединяется к сосуду, давление в котором необходимо измерить. Другое колено открыто. Если уровень поверхности жидкости в колене, соединенном с сосудом, ниже, чем в открытом, значит, давление газа в сосуде больше атмосферного на величину давления столба жидкости высотой h, т. е.

А если давление газа в несколько раз больше атмосферного? Для измерения высоких давлений применяют металлический манометр (рис. 212). Его основным элементом является полая тонкостенная металлическая трубка (/), согнутая в дугу. Один конец трубки (3) закрыт, другой (2) присоединяется к сосуду с газом. Закрытый конец (3) через зубчатый механизм соединен со стрелкой, движущейся относительно шкалы. Чем больше давление в трубке (а значит, в сосуде), тем больше распрямляется трубка и тем больше отклоняется стрелка. Нуль на шкале соответствует атмосферному давлению. Значит, если стрелка стоит на цифре «8», давление в сосуде в 9 раз больше атмосферного. Именно так устроен манометр для контроля давления в автомобильных шинах (рис. 213).

Главные выводы:

Атмосферное давление зависит от высоты местности и метеоусловий.
Зависимость атмосферного давления от высоты и метеоусловий можно использовать для измерения высоты и для прогноза погоды.
Атмосферное давление измеряют барометрами, а давление газов в сосудах — манометрами.

Для любознательных:

Жидкостными манометрами можно измерять давление, отличающееся от атмосферного лишь незначительно. Так, если в примере на с. 127—128 давление в сосуде будет в 2 раза больше атмосферного, т. е. то, согласно формуле имеем:

откуда

При использовании в манометре воды

Только представьте размеры такого прибора! При использовании ртути размеры уменьшаются в 13,6 раза, но возникают новые проблемы — пары ртути ядовиты.

Пример №3

У подножия горы барометр показывает давление мм рт. ст., а на ее вершине — мм рт. ст. Определите высоту данной горы.

Дано:

Решение:

Разность давлений у подножия горы и на ее вершине:

Учтем, что на 1 мм рт. ст. давление уменьшается при подъеме примерно на высоту Тогда высота горы:

Ответ: H = 120 м.

просто и понятно о том, как определяется давление

Определение

Общая формула

Единицы измерения

Формула гидростатического давления

Парциальное давление и его формула

Формула давления идеального газа

Приборы для измерения давления

Рекомендованная литература и полезные ссылки

Видео

Давление – очень важная физическая величина, играющая огромную роль, как в окружающей природе, так и жизни человека. Внешне незаметное человеческому глазу давление может очень хорошо ощущаться каждым из нас. Особенно хорошо это усвоили люди в возрасте, часто страдающие от повышенного давления (или наоборот от пониженного). Но в нашей статье мы больше поговорим именно о давлении в физике, о том, как оно измеряется и рассчитывается, какие есть формулы для расчетов давления разных субстанций: воздуха, жидкости или твердого тела.

Определение

Под давлением в физике понимается термодинамическая величина, выраженная соотношением перпендикулярной силы давления на площадь поверхности, на которую она воздействует. При этом согласно закону Паскаля если система находится в состоянии равновесия, то давление на нее будет одинаковым для всех точек системы.

В физике, как впрочем и химии, давление обозначают большой буквой Р, идущей от латинского слова «pressura» – давление. (В английском языке давление так и осталось почти без изменения – pressure).

Общая формула

Из классического определения того, что такое давление можно вывести общую формулу для его расчета. Выглядеть она будет таким образом:

P = F/S

Где F – это сила давления, а S – площадь поверхности на которую она действует. То есть иными словами формула нахождения давления – это сила, воздействующая на определенную поверхность, разделенная на площадь этой самой поверхности.

Как видно из формулы, при расчете давления всегда действует следующий принцип: чем меньше пространство, на которое влияет сила, тем большее количество давящей силы на него приходится и наоборот.

Это можно проиллюстрировать простым жизненным примером: хлеб легче всего порезать острым ножом, потому что у острого ножа заточенное лезвие, то есть площадь поверхности S из формулы у него минимальна, а значит, давление ножа на хлеб будет максимально равно приложенной силе F того кто держит нож. А вот тупым ножом порезать хлеб уже сложнее, так как у его лезвия большая площадь поверхности S, и давление ножа на хлеб будет меньшим, и значит, чтобы отрезать себе кусок хлеба нужно приложить большее количество силы F.

Общая формула давления, по сути, отлично описывает формулу давления твердого тела.

Единицы измерения

Согласно стандартам Международной метрической системы давление измеряется в паскалях. Один паскаль из классической формулы равен одному Ньютону (Как мы знаем, Ньютон у нас единица измерения силы) разделенному на один квадратный метр.

Но увы на практике паскаль оказывается очень маленькой единицей и использовать его для измерения давления не всегда удобно, поэтому часто для измерения давления применяют другие единицы:

Бары – один бар равен 105 паскалей
Миллиметры водяного столпа
Метры водяного столпа
Технические и физические атмосферы

Формула гидростатического давления

Как мы знаем, разные агрегатные состояния вещества, имеют разные физические свойства. Жидкости своими свойствами отличаются от твердых тел, а газы в свою очередь отличаются от них всех. Поэтому вполне логично, что способы определения давления для жидкостей, твердых тел и газов также будут разными. Так, например, формула давления воды (или гидростатического давления) будет иметь следующий вид:

P = p*g*h

Где маленькая p – плотность вещества, g – ускорение свободного падения, h – высота.

В частности эта формула объясняет, почему при погружении водолазов (или батискафа или подводной лодки) на глубину все больше возрастает давление окружающей воды. Также из этой формулы понятно, почему на предмет, погруженный в какой-нибудь кисель, будет воздействовать большее давление, чем на предмет, погруженный просто в воду, так как плотность киселя (p) выше, чем у воды, а чем выше плотность жидкости, тем выше ее гидростатическое давление.

Приведенная нами формула гидростатического давления справедлива не только для жидкостей, но и для газов. Поэтому поднимаясь высоко в горы (где воздух более разрежен, а значит меньшее давление), как и спускаясь в подводные глубины, человек, водолаз или альпинист должен пройти специальную адаптацию, привыкнуть к тому, что на него будет воздействовать другое давление.

Резкая смена давления может привести к кессоной болезни (в случае с водолазами) или к «горной» болезни (в случае с альпинистами). И «кесонка» и «горняшка», как их сленгово называют водолазы и альпинисты, вызвана резкой сменной давления окружающей среды. То есть, если не подготовленный человек начнет вдруг подниматься на Эверест, то он быстро словит «горняшку», а если этот же человек начнет опускаться на дно Мариинской впадины, то гарантировано получит «кесонку». В первом случае причиной будет не адаптация организма к пониженному давлению, а во втором – к повышенному.

Американские водолазы в декомпрессионой камере, призванной подготовить их к глубоководным погружениям и адаптировать организм к высокому давлению океанских глубин.

Парциальное давление и его формула

Хотя формула гидростатического давления применима для газов, но давления для них удобнее вычислять по другой формуле, формуле парциального давления.

Дело в том, что в природе редко встречаются абсолютно чистые вещества, причем это касается как жидкостей, так и газов. Обычно на практике в окружающем мире преобладают различные смеси, и логично, что каждый из компонентов такой смеси может оказывать разное давление, такое разное давление и называют парциальным. Определить парциальное давление просто – оно равно суме давлений каждого компонента рассматриваемой смеси. Отсюда формула парциального давления будет иметь следующий вид:

P = P₁+P₂+P₃

Где P₁, P₂ и P₃ – давления каждого из компонентов газовой смеси, так званный «идеальный газ».

К примеру, чтобы определить давления воздуха обычной формулы гидростатического давления проделанной только с кислородом недостаточно, так как воздух в реальности представляет собой смесь разных газов, где помимо основного компонента кислорода, которым мы все дышим, есть и другие: азот, аргон и т. д.

Такие расчеты нужно проделывать при помощи формулы парциального давления.

Формула давления идеального газа

Также стоит заметить, что давление идеального газа, то есть каждого отдельного из компонентов газовой смеси удобно посчитать по формуле молекулярно-кинетической теории.

P = n*k*T

Где n – концентрация молекул газа, T – абсолютная температура газа, k – постоянная Больцмана (указывает на взаимосвязь между кинетической энергией частицы газа и ее абсолютной температурой), она равна 1,38*10^-23 Дж/К.

Приборы для измерения давления

Разумеется, человечество изобрело многие приборы, позволяющие быстро и удобно измерять уровень давления. Для измерения давления окружающей среды, оно же атмосферное давление используют такой прибор как манометр или барометр.

Так выглядит классический барометр для измерения атмосферного давления.

Чтобы узнать артериальное давление у человека, часто служащее причиной недомоганий используется прибор известный большинству под названием неинвазивный тонометр. Таких приборов существует множество разновидностей.

Также биологи в своих исследованиях занимаются расчетами осмотического давления – это давление внутри и снаружи клетки. А метеорологи, в частности по перепадам давления в окружающей среде предсказывают нам погоду.

Видео

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Страница про автора

Простая физика – EASY-PHYSIC

По определению, давление – это сила, приходящаяся на единицу площади поверхности. Если речь идет о давлении некоторой силы на некоторую поверхность – то берут составляющую силы, направленную перпендикулярно поверхности, если говорят о давлении жидкостей и газов – то по закону Паскаля давление в этих средах передается во все стороны одинаково.

Давление измеряется в Паскалях – [Па], [Па]=[Н/м]. Эта единица измерения является единицей СИ. Также давление (атмосферное) измеряют в мм рт. ст., а большие давления – в атмосферах или барах. Нормальное атмосферное давление – это давление величиной Па, или 760 мм рт.ст.

Галилео Галилей изобрел насос для полива и обнаружил, что столб воды в трубке никогда не поднимается выше 10 м, и не мог объяснить этот факт. Потом Торичелли, ученик Галилео, проводил опыты со ртутью, и ртуть поднималась в запаянной трубке на 760 мм. Торичелли доказал, что воздух имеет вес, и атмосфера, таким образом, давит на поверхность планеты с определенной силой. Это вызвано силой гравитации. Именно давление окружающего воздуха и заставляет ртуть из чашки подниматься вверх по трубке на определенную высоту. Высота этого столба зависит от плотности жидкости: чем она плотнее, тем столбик ниже. Далее Блез Паскаль доказал, что, чем выше поднимаешься над поверхностью земли, тем меньше атмосферное давление.

Отто фон Герике, бургомистр Магдебурга, наглядно доказал существование атмосферного давления, поставив свой опыт с магдебургскими полушариями (под таким названием мы теперь их и знаем). Плотно прижав полушария друг к другу, он откачал воздух изнутри, и даже две восьмерки лошадей не смогли разъединить их.

Задача 1. Выразить давление 1 мм рт. ст. в единицах СИ.

Известно, что нормальное давление может быть выражено в мм рт.ст., и тогда оно равно 760 мм рт.ст., или в Паскалях – единицах СИ, и тогда нормальным считают давление в Па.

Приравняем эти две величины: мм рт.ст Па, откуда мм рт.ст Па.

Сила давления

Задача 2. Определить давление, которое оказывает шило на брусок, если оно действует с силой 100 Н и площадь его острия равна мм

Давление – это сила, приходящаяся на единицу площади: . Сила дана в единицах СИ – ньютонах, а площадь – нет, поэтому выразим площадь в квадратных метрах: в одном метре – 1000 мм, следовательно, в одном квадратном метре – мм, или мм. У нас площадь – всего четыре сотых мм, или из миллиона:

Теперь найдем давление:

Мы определили давление в Па, а давление, равное Па, еще называют одной атмосферой или баром. Тогда ответ этой задачи можно выразить еще в атмосферах (барах): , или 25000 атмосфер.

Задача 3. Цилиндрические сосуды уравновешены на весах. В сосуды наливают одинаковую массу воды. Нарушится ли равновесие весов? Одинаково ли будет давление воды на дно сосудов?

Сосуды с водой на весах

Так как весы были уравновешены, то после добавления на обе их чаши одинаковой массы они из равновесия не выйдут. Поскольку из картинки понятно, что сосуды разного диаметра, то понятно, что одна и та же масса воды, имеющая один и тот же объем, при разных диаметрах образует разной высоты слои в этих сосудах. То есть высота столба жидкости будет больше в узком сосуде, чем в широком. Так как давление воды прямо зависит от высоты столба , то в широком сосуде давление воды на дно меньше, чем в узком.

Задача 4. Рассчитать давление воды на самой большой глубине Тихого океана – 11035 м, на наибольшей глубине Азовского моря – 14 м. Принять плотность воды в Азовском море равной 1020 кг/м. Атмосферное давление считать нормальным.

Давление в открытых сосудах (к ним можно отнести и моря с океанами) равно сумме атмосферного давления и давления столба жидкости. Таким образом, давление на самой большой глубине океана равно (с учетом плотности морской воды 1030 кг/м):

Это давление в Па, а в атмосферах – 1137,6 атм.

То есть каждые 10 метров водяного столба создают давление ровно в 1 атмосферу – вот почему в изобретенном Галилеем насосе вода не поднималась выше 10 метров, как он ни старался.

Давление в Азовском море:

Или 2,42 атмосферы.

Ответ: в океане Па, или 1137,6 атм, в Азовском море Па, или 2,42 атмосферы.

Задача 5. Определить высоту уровня воды в водонапорной башне, если манометр, установленный у ее основания, показывает давление Па. Атмосферное давление считать нормальным.

Существенное отличие этой задачи от предыдущей в том, что башня – не открытый сосуд, то есть манометр будет показывать только давление столба жидкости. Отсюда, зная плотность воды, находим высоту столба:

Ответ: 22,4 метра

Задача 6. Желоб, до краев наполненный водой, имеет высоту см, ширину нижнего основания см и верхнего см. Определить силу давления воды на м длины боковой стенки. Атмосферное давление считать нормальным.

Желоб с водой

Так как желоб открыт, то давление будет складываться из атмосферного давления и давления столба жидкости. Причем на верхний край боковой стенки жидкость не давит совсем (глубина равна 0, или, что то же самое – высота столба), а на нижний край жидкость давит как раз полной высотой столба. Поэтому, для того чтобы рассчитать давление, при расчете возьмем среднее давление – то есть давление на половине глубины желоба.

Сила давления , рассчитаем давление и площадь боковой стенки:

см или 0,08 м, тогда

Желоб: детализация

Наконец, определяем силу:

Ответ: 14400 Н

Задача 7. Шар перекрывает отверстие радиусом в плоской стенке, разделяющей жидкости, давление которых и . С какой силой жидкость прижимает шар к отверстию?

Силу, зная давление, можно найти как произведение давления на площадь: .

Шарик, закрывающий отверстие

На шарик будут давить обе жидкости, но, поскольку их давления разные, то и давить они будут по-разному. Первая будет давить с силой , и сила эта направлена вниз. Вторая будет давить с силой , и эта сила направлена уже вверх. Тогда суммарная сила давления на шарик будет: , направлена вниз.

Ответ: , направлена вниз.

Задача 8. Коническая пробка перекрывает сразу два отверстия в плоском сосуде, заполненном жидкостью с давлением . Радиусы отверстий и . С какой силой жидкость действует на пробку?

Треугольная пробка в двух отверстиях

Аналогично предыдущей задаче, жидкость будет давить на пробку во всех направлениях, но давление на боковую поверхность «справа» будет компенсировать давление на боковую поверхность «слева», в результате чего различие будет только в давлении, которое оказывает жидкость на «верх» и «низ» пробки. На верхнее основание пробки – то есть на площадь пробки в отверстии – – жидкость будет давить вверх, пытаясь эту пробку вытолкнуть, с силой . На нижнее основание пробки – то есть на площадь пробки в отверстии – – жидкость будет давить вниз, пытаясь эту пробку втолкнуть поглубже, с силой . Суммарная сила давления жидкости на пробку – разность этих двух сил, и, так как верхнее основание пробки больше нижнего, то в итоге жидкость больше будет давить вверх, чем вниз: , направлена вверх.

Ответ: , направлена вверх.

Задача 8. Плоскодонная баржа получила пробоину в дне площадью см. С какой силой нужно давить на пластырь, которым закрывают отверстие, чтобы сдержать напор воды на глубине м? Вес пластыря не учитывать.

Пробоина в барже

Так как баржа, как и водонапорная башня – сосуд, закрытый сверху, то атмосферное давление не учитываем. Таким образом, вода будет давить на пробоину с силой, равной произведению давления столба воды на глубине пробоины на площадь пробоины. Давление столба воды на такой глубине равно кПа, а сила, с которой надо будет удерживать пластырь, по третьему закону Ньютона равна силе давления воды:

Ответ: 360 Н

давление твердых тел, жидкостей и газов :: SYL.ru

Одним из важных параметров, который по-разному характеризует три основных состояния материи (газ, твердое тело и жидкость), является давление. В статье рассматриваются главные вопросы физики давления твердых тел, жидкостей и газов.

Три агрегатных состояния материи

Перед тем как перейти к вопросу давления в физике, дадим определение твердым, жидким и газообразным телам, которые являются основными способами существования материи на нашей планете.

Твердое тело практически не проявляет текучести, и этот факт характеризует основное отличие твердых тел от жидкостей и газов. Составляющие твердое тело частицы (молекулы, атомы) находятся в определенных пространственных положениях и меняют их очень редко. Именно поэтому всякое воздействие внешней силы на твердое тело приводит к возникновению противодействующих сил в нем, стремящихся сохранить форму и объем.

Жидкости и газы – это текучие состояния материи, то есть даже минимальное воздействие на них внешней силы приведет к изменению их формы. Как в жидкостях, так и в газах частицы, из которых они состоят, не имеют определенного места в пространстве и постоянно перескакивают из одних положений в другие. Отличаются между собой эти текучие состояния силой взаимодействия между их частицами. Так, в жидкостях сила взаимодействия между атомами и молекулами хотя и на порядок меньше таковой в твердом теле, но все же остается значимой, чтобы сохранять занимаемый жидкостью объем. Это означает, что жидкости являются практически несжимаемыми. В газах же силой взаимодействия между образующими их частицами можно пренебречь, поэтому газы всегда занимают сколь угодно большой объем, который находится в их распоряжении.

Отметим, что существует четвертое состояние вещества – плазма, которая по своим свойствам подобна газу, но отличается от него тем, что ее характеристики во многом определяются магнитными и электрическими эффектами. Бо́льшая часть вещества во Вселенной находится именно в состоянии плазмы.

Понятие о давлении в физике

Чтобы понять, что такое давление, сначала необходимо рассмотреть концепцию силы. Под силой в физике понимают интенсивность воздействия или взаимодействия между телами. Например, при формулировке второго закона Ньютона под силой понимают физическую величину любой природы, которая способна придавать телу конечной массы некоторое ускорение. В Международной системе единиц сила измеряется в ньютонах (Н). Сила в 1 Н способна менять скорость тела массой 1 кг на 1 м за каждую секунду.

Давление – это величина, которая определяется как перпендикулярная составляющая силы, относящаяся к поверхности с некоторой площадью, то есть:

P = F/S, где

P – давление, S – площадь, F – сила.

Измерение давления в физике осуществляют в паскалях (Па), 1 [Па] = 1 [Н]/ 1 [м²].

Если сила F действует под некоторым углом к поверхности, тогда для расчета давления необходимо определить именно перпендикулярную составляющую силы к этой поверхности. Действующая по касательной к поверхности сила не создает никакого давления.

Твердые тела и давление

Поскольку для создания давления необходима сила и поверхность воздействия, то в случае твердых тел это невозможно, поскольку они находятся в равновесном состоянии. Действительно, каждая частица в твердом теле занимает определенное положение, а результирующая сила, которая действует на эту частицу со стороны ее окружения, равна нулю. Поэтому говоря о физике давления твердых тел, имеют в виду участие внешних объектов, с которыми взаимодействуют эти тела.

Например, если взять металлический брус и положить его на песок большей плоскостью, то он начнет создавать некоторое давление на поверхность песка. Теперь если этот же брус положить на песок меньшей плоскостью, тогда можно увидеть, что он погрузится в песок на некоторую глубину. Причиной этого явления будет разное давление, оказываемое металлическим брусом на песок в разных его положениях. Из формулы для давления P = F/S видно, что чем меньше площадь, тем большее давление создает твердое тело на поверхность опоры. В случае с брусом сила F оставалась постоянной во всех его положениях, и была равна весу бруса:

m × g, где

m и g – масса бруса и ускорение свободного падения, соответственно.

Давление в жидкостях

Поскольку газы и жидкости являются представителями текучей материи, то физика давления в жидкости и газе характеризуется тем, что оба состояния вещества в любом бесконечно малом их объеме оказывают во всех пространственных направлениях одинаковое давление. Однако если рассматриваемый объем будет иметь некоторые конечные размеры, то для жидкостей начнет играть роль сила тяжести, с которой верхние слои действуют на нижние. Эта сила приводит к понятию гидростатического давления.

В физике гидростатическое давление определяется как давление, с которым жидкость действует на погруженное в нее тело. Вычисляется это давление по формуле:

P = ρ × g × h, где

ρ и h – плотность жидкости и глубина, соответственно.

Давление в газообразных средах

Рассматривая газы, следует сказать, что давление в них связано исключительно с хаотическим движением атомов и молекул.

Предположим есть газ закрытый в некотором сосуде. Поскольку его частицы двигаются хаотически во всех направлениях одинаково, то достигнув стенок сосуда, они начнут ударяться о них, то есть создавать давление. Конечно же, удар одной частицы создаст очень маленькое давление, однако если учесть, что этих частиц много (порядка числа Авогадро N_A= 6,02*10²³), и что движутся они с большими скоростями (порядка 1 000 м/с), то оказываемое давление на стенки сосуда приобретает заметные на практике значения.

В отличие от жидкостей, частицы газов не взаимодействуют друг с другом (приближение идеального газа), поэтому говорить о давлении верхних слоев газа на нижние нет никакого смысла.

От чего зависит величина давления в газе?

Зная природу появления давления в газах можно предположить, что если увеличить число ударов частиц о стенки сосуда, и увеличить силу этих ударов, тогда давление должно возрасти. В связи с этим определяют изменение давления в газе следующие факторы.

Концентрация частиц. Повысить ее можно путем уменьшения объема, который занимает газ. При постоянной температуре изменение объема будет обратно пропорционально сказываться на давлении.
Температура. Поскольку эта величина определяет кинетическую энергию газовых частиц, то ее увеличение при прочих постоянных параметрах системы приведет к повышению давления.

Давление земной атмосферы

Поскольку атмосфера нашей планеты представляет собой смесь газов (главным образом азота и кислорода), то физика атмосферного давления ничем не будет отличаться от физики описания этой величины для газов. Так, на поверхности Земли давление воздуха составляет 101 325 Па или 100 кПа, что соответствует давлению 760 мм ртутного столба.

С увеличением высоты концентрация молекул воздуха начинает уменьшаться, поскольку уменьшается земное притяжение, и уже на высоте горы Эверест (8 848 м), давление воздуха падает до 34 кПа, что составляет 1/3 от этого давления на уровне моря. Такое уменьшение атмосферного давления является серьезной угрозой для жизни человека.

Пример решения задачи

Любое решение задачи по физике на давление осуществляется с помощью формул и понятий, которые рассмотрены в статье. Приведем пример решения одной из таких задач.

Для практических целей атмосферное давление в физике принято выражать в миллиметрах ртутного столба. Какое давление в миллиметрах ртутного столба на вершине Эвереста?

Из приведенной выше информации известно, что на вершине самой высокой горы в мире давление воздуха составляет 34 кПа. Чтобы определить, какой высоты должен быть столб ртути, дабы он уравновесил это атмосферное давление, воспользуемся формулой для гидростатического давления:

P = ρ × g × h,

откуда

h = P / (ρ × g), где

ρ = 13 540 кг/м³ – плотность ртути,

g = 9,81 м/c².

Подставляя в формулу известные значения, получим:

h = 0,256 м = 256 мм.

Решить эту задачу можно было и другим способом. Зная, что вблизи поверхности планеты давление воздуха равно 101 кПа, и это соответствует давлению 760 мм столба ртути, получить высоту столба ртути на высоте Эвереста можно через простую пропорцию:

h = 34 × 760 / 101 = 256 мм.

Давление в физике

Почему, шагая по глубокому снегу в зимней обуви, мы обязательно проваливаемся, а надев лыжи, можем совершенно спокойно перемещаться, как по ровной поверхности? Почему мы режем хлеб острым ножом, а не ложкой или вилкой? Почему, катаясь на велосипеде по бездорожью, мы можем застрять в песке, а с любой машиной на гусеничном ходу это никогда не случится?

Ответы на эти и другие вопросы ты получишь, ознакомившись с таким понятием, как давление.

Что такое давление?

Давление — это сила, которую прикладывают перпендикулярно какой-либо поверхности. Давление на поверхность оказывают как твердые тела, так и жидкости, газы.

Тебе наверняка приходилось резать яблоко тупым ножом. Как ты думаешь, почему острый нож режет лучше? Площадь соприкосновения острого ножа и яблока меньше, поэтому твое яблоко успешно режется на дольки именно этим ножом

От чего зависит давление?

Давление зависит от двух составляющих: прилагаемой силы и площади поверхности.

Давай рассмотрим следующий пример: один гимнаст удерживает другого обеими руками. При этом руки гимнаста, находящегося сверху, оказывают определенное давление на руки нижнего гимнаста, и давление распределяется равномерно на обе руки. Когда верхний гимнаст отпускает одну руку, площадь соприкосновения обоих гимнастов уменьшается, поэтому давление на руку нижнего гимнаста возрастает вдвое. То есть уменьшение площади способствует увеличению давления. Теперь ты знаешь, что для увеличения силы воздействия на поверхность нужно просто уменьшить площадь соприкосновения предметов.

Например, этот принцип широко применяется в карате для разбивания досок. Теперь понятно, почему удар по доске или кирпичу ребром руки гораздо эффективнее, чем ладонью: именно так резким ударом каратисты разбивают доски на две части. Если ты со всей силы ударишь по доске ладонью, доска останется целой, а на руке появится большой синяк.

Давление внутри жидкости с глубиной увеличивается. Это объясняется тем, что верхний слой жидкости давит на нижний, а тот — на еще более низкие слои

В каких случаях уменьшают давление?

Иногда большая поверхность гораздо предпочтительнее, чем маленькая. Так, ходить по снегу в снегоступах гораздо проще, чем в обычных ботинках. Нога не проваливается в снег, так как наш вес равномерно перераспределяется по площади снегоступа (она гораздо больше, чем площадь подошвы обуви), при этом сила давления становится меньше, и соответственно уменьшается твое давление на поверхность снега.

Такой же принцип касается беговых и водных лыж. Как и снегоходы, лыжи позволяют удержаться на поверхности снега или воды.

Интересные факты

Давай разберем обычное катание на коньках. У конька очень острое лезвие, и со льдом контактирует довольно небольшая поверхность. Это означает, что твой вес создает большое давление на лед, причем оно гораздо больше, чем когда ты стоишь на льду в обычной обуви.
Лед обладает одной очень интересной особенностью: он тает под давлением, даже если его температура ниже 0°С. Поэтому, когда ты катаешься на коньках, ты фактически скользишь по тонкому слою только что растаявшей воды, которая тут же замерзает по мере твоего движения!
Сложно поверить, но даже очень стройная модель может испортить пол своими каблуками. Этот факт можно объяснить очень малой площадью каблука, который создает большое давление на поверхность пола. Между прочим, давление такой шпильки гораздо больше давления, создаваемого слоном, если бы он стоял на этом же подиуме.

Давление и текучие вещества

С точки зрения физики, газы и жидкости относятся к текучим веществам, т.е. веществам, способным изменять форму в зависимости от сосуда, в котором они находятся. По сравнению с твердыми веществами жидкости и газы несколько иначе реагируют на давление. Например, если ты возьмешь в руки мяч, его внешний вид вообще не изменится от твоего прикосновения, однако если ты с силой сожмешь мяч, то он деформируется. Что касается текучих веществ, то они скорее разольются, чем деформируются.

Открытие Паскаля

Французский математик и физик Блез Паскаль, живший в XVII в., исследовал ряд важных свойств жидкостей и газов.

Портрет Блеза Паскаля

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

На основе изучения этого явления, открытого ученым, были созданы различные приборы и механизмы, в которых используется закон Паскаля.

Гидравлический пресс

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

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

Системы водоснабжения, газо- и нефтепроводы

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

Гидравлический домкрат

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

Системы торможения и открывания дверей

Системы торможения и открывания дверей в поездах также работают благодаря закону Паскаля.

Поделиться ссылкой

Давление

Все когда-либо оказывались под давлением или при определенных обстоятельствах действительно «чувствовали давление». Однако с научной точки зрения давление имеет очень конкретное определение, и его изучение приводит к некоторым очень важным приложениям.

В физике давление — это эффект силы, действующей на поверхность. Математически это скалярная величина, вычисляемая как сила, приложенная к единице площади, где приложенная сила всегда перпендикулярна поверхности. Единица давления в СИ, Паскаль (Па), эквивалентна Н/м ² .

Все состояния материи могут оказывать давление. Когда вы идете по покрытому льдом озеру, вы оказываете давление на лед, равное силе тяжести, действующей на ваше тело (ваш вес), деленной на площадь, на которой вы соприкасаетесь со льдом. Вот почему важно распределять свой вес при движении по хрупким поверхностям. Ваши шансы пробиться сквозь лед значительно возрастают, если вы ходите по льду на высоких каблуках, так как небольшая площадь соприкосновения со льдом приводит к высокому давлению. Это также причина, по которой снегоступы имеют такую большую площадь. Они предназначены для уменьшения давления, оказываемого на верхний слой снега, чтобы вам было легче ходить, не увязая в снежных заносах.

Жидкости также могут оказывать давление. Все жидкости оказывают внешнее давление во всех направлениях на стороны любого контейнера, содержащего жидкость. Даже атмосфера Земли оказывает давление, которое вы сейчас испытываете. Однако давление внутри и снаружи вашего тела настолько хорошо сбалансировано, что вы редко замечаете 101 325 паскалей из-за атмосферы (примерно 10 Н/см ² ). Если вы летите в самолете и быстро меняете высоту (и, следовательно, давление), вы, возможно, испытываете ощущение «хлопка» в ушах — это происходит из-за того, что давление внутри вашего уха уравновешивает давление снаружи вашего уха при передаче воздуха через маленькие трубки, соединяющие внутреннее ухо с горлом.

Вопрос: Атмосферное давление составляет примерно 100 000 Па. Какая сила действует на книгу, когда она лежит на столе? Площадь обложки книги 0,035 м ² .
Ответ:

Вопрос: Рыбак массой 75 кг засыпает на своем четвероногом стуле массой 5 кг. Если каждая ножка стула имеет площадь поверхности 2,5×10 ^-4 м ² при контакте с землей, каково среднее давление, оказываемое рыбаком и стулом на землю?
Ответ: Приложенная сила является силой тяжести, поэтому мы можем написать:

Вопрос: Шкала, показывающая 0 в космическом вакууме, помещена на поверхность планеты Физика. На поверхности планеты шкала показывает силу в 10 000 ньютонов. Вычислите площадь поверхности весов, учитывая, что атмосферное давление на поверхности Physica составляет 80 000 паскалей.
Ответ:

Вопрос: Проранжируйте следующее от самого высокого давления к самому низкому давлению на землю:
Атмосфера на уровне моря
Слон массой 7000 кг общей площадью 0,5 м ² в контакте с землей
Женщина массой 65 кг на высоких каблуках общей площадью 0,005 м ² в контакте с землей
Автомобиль массой 1600 кг с общей площадью контакта шин 0,2 м ²
Ответ: От самого высокого давления до самого низкого давления:
Слон (137 000 Па)
Дама на высоких каблуках (127 000 Па)
Атмосфера (100 000 Па)
Автомобиль (78 400 Па)

Давление, которое жидкость оказывает на объект, погруженный в эту жидкость, можно рассчитать почти так же просто. Если объект погружен на глубину (h), давление находится путем умножения плотности жидкости на глубину погружения, все умноженное на ускорение свободного падения.

Это известно как манометрическое давление, потому что это показание, которое вы увидите на манометре. Если над жидкостью также есть атмосфера, как здесь, на Земле, вы можете определить абсолютное давление или полное давление, добавив атмосферное давление (P ₀ ), которое равно примерно 100 000 паскалей.

Вопрос: Саманта находит спрятанные сокровища во время подводного плавания во время отпуска на Карибах. Если ей нужно погрузиться на глубину 40 метров, чтобы проверить давление, какое манометрическое давление она покажет на своем акваланге? Плотность морской воды 1025 кг/м ³ .
Ответ:

Вопрос: Каково абсолютное давление воды и атмосферы в предыдущей задаче на водолаза?
Ответ:

Вопрос: Манометр водолаза показывает 250 000 Па в пресной воде (ρ=1000 кг/м ³ ). На какой глубине находится дайвер?
Ответ:

Что такое давление – Физика | Определение и расчет

Давление является мерой силы, приложенной на единицу площади к границам вещества. Стандартной единицей для давления в системе СИ является Ньютон на квадратный метр или паскаль (Па) . Математически:

p = F/A

, где

p — давление
F — нормальная сила
A — площадь границы

Паскаль определяется как сила в 1 Н, действующая на единицу площади.

1 Паскаль = 1 Н/м ²

Однако для большинства инженерных задач это довольно маленькая единица, поэтому удобно работать с кратными паскалю:1 кПа 90,90 бар и МПа .

1 MPa 10 ⁶ N/m ²
1 bar 10 ⁵ N/m ²
1 kPa 10 ³ N/m ²

В общем случае давление или сила, действующая на единицу площади на границы вещества, вызывается столкновениями молекул вещества с границами системы. Когда молекулы ударяются о стенки, они прилагают усилия, которые пытаются вытолкнуть стенки наружу. Силы, возникающие в результате всех этих столкновений, вызывают давление , оказываемое системой на окружающую среду. Давление как интенсивная переменная постоянна в замкнутой системе. Это актуально только для жидких или газообразных систем.

Статическое давление

В общем, давление является мерой силы, приложенной на единицу площади к границам вещества. В гидродинамике многие авторы используют термин статическое давление, а не просто давление, чтобы избежать двусмысленности. Термин статическое давление идентичен термину давление и может быть идентифицирован для каждой точки в поле потока жидкости.

Статическое давление является одним из членов уравнения Бернулли:

Эффект Бернулли вызывает снижение давления жидкости (статическое давление – скорость) в областях, где поток увеличивается. Это снижение давления при сужении пути потока может показаться нелогичным, но кажется менее таковым, если рассматривать давление как плотность энергии. В высокоскоростном потоке через сужение кинетическая энергия (динамическое давление – ½.ρ.v ² ) должно увеличиваться за счет энергии давления ( статическое давление – p ).

Упрощенную форму уравнения Бернулли можно обобщить в следующем запоминающемся словесном уравнении:

статическое давление + динамическое давление = полное давление (давление застоя)

Полное и динамическое давление не являются давлением в обычном смысле — они не могут измеряют с помощью анероида, трубки Бурдона или ртутной колонки.

Динамическое давление

В общем, давление является мерой силы, оказываемой на единицу площади на границах вещества. Термин динамическое давление (иногда называемый скоростным давлением ) связан с потоком жидкости и эффектом Бернулли, который описывается уравнением Бернулли:

давление) в областях, где скорость потока повышена. Это снижение давления при сужении пути потока может показаться нелогичным, но кажется менее таковым, если рассматривать давление как плотность энергии. В высокоскоростном потоке через сужение кинетическая энергия (динамическое давление – ½.ρ.v ² ) должен увеличиваться за счет энергии давления (статическое давление – p).

Как видно, динамическое давление является одним из членов уравнения Бернулли. В динамике несжимаемой жидкости динамическое давление определяется как:

Упрощенная форма уравнения Бернулли может быть резюмирована следующим запоминающимся уравнением:

Общее и динамическое давление не являются давлением в обычном смысле – их нельзя измерить с помощью анероида, трубки Бурдона или ртутного столба.

Многие авторы используют термин статическое давление, чтобы отличить его от общего давления и динамического давления, чтобы избежать потенциальной двусмысленности при упоминании давления в гидродинамике. Термин статическое давление идентичен термину давление и может быть идентифицирован для каждой точки в поле потока жидкости. Динамическое давление – это разница между давлением торможения и статическим давлением.

Давление застоя

В общем, давление является мерой силы, приложенной на единицу площади к границам вещества. В гидродинамике и аэродинамике давление торможения (или давление Пито или полное давление ) представляет собой статическое давление в критической точке в потоке жидкости. В критической точке , скорость жидкости равна нулю, и вся кинетическая энергия преобразуется в энергию давления (изоэнтропически). Этот эффект широко используется в аэродинамике (измерение скорости или напорный воздухозаборник).

Давление застоя равно сумме динамического давления набегающего потока и статического давления набегающего потока.

Статическое давление и динамическое давление являются членами уравнения Бернулли:

Эффект Бернулли вызывает снижение давления жидкости (статическое давление – скорость) в областях, где поток увеличивается. Это снижение давления при сужении пути потока может показаться нелогичным, но кажется менее таковым, если рассматривать давление как плотность энергии. В высокоскоростном потоке через сужение кинетическая энергия (динамическое давление – ½.ρ.v ² ) должен увеличиваться за счет энергии давления (статическое давление – p).

Упрощенная форма уравнения Бернулли может быть резюмирована следующим запоминающимся словесным уравнением:

статическое давление + динамическое давление = общее давление (давление застоя)

Полное и динамическое давление не являются давлениями в обычном смысле – они не могут измеряют с помощью анероида, трубки Бурдона или ртутной колонки.

Давление застоя иногда называют давлением Пито, потому что оно измеряется с помощью трубки Пито. Трубка Пито — это прибор для измерения давления, используемый для измерения скорости потока жидкости. Скорость можно определить по следующей формуле:

где:

u — измеряемая скорость потока в м/с,
p _{с —} — стагнация или полное давление в Па,
t 3 _{2 – статическое давление в Па,}
ρ – плотность жидкости в кг/м ³ .

Шкалы давления – единицы давления

Паскаль – единица давления

Как уже обсуждалось, единицей системы СИ давления и напряжения является паскаль .

1 паскаль 1 Н/м ² = 1 кг / (м.с ² )

Паскаль определяется как один ньютон на квадратный метр. Однако для большинства инженерных задач это довольно маленькая единица, поэтому удобно работать с кратными паскалю: кПа , бар и МПа .

1 MPa 10 ⁶ N/m ²
1 bar 10 ⁵ N/m ²
1 kPa 10 ³ N/m ²

Единица измерения, называемая стандартной атмосферой ( атм ), определяется как:

1 атм = 101,33 кПа

, Обратите внимание, что есть разница между стандартная атмосфера (атм) и техническая атмосфера (атм).

Техническая атмосфера — это единица измерения давления, не входящая в систему СИ, равная одному килограмму силы на квадратный сантиметр.

1 AT = 98,67 KPA

фунтов на квадратный дюйм-PSI

. Это давление, возникающее в результате силы в один фунт силы, приложенной к площади в один квадратный дюйм.

1 кв. Дюйм 1 фунт/в ² = 4,45 Н/(0,0254 м) ² ≈ 6895 кг/м ²

Следовательно, один фунт на квадратный дюйм является приблизительно 6895 PA. Единица измерения, называемая стандартной атмосферой (атм), определяется как:

1 атм = 14,7 фунтов на квадратный дюйм

разница между стандартная атмосфера (атм) и техническая атмосфера (атм).

1 при = 14,2 фунта/кв. Он не входит в Международную систему единиц (СИ). Бар обычно используется в промышленность и метеорология , а прибор, используемый в метеорологии для измерения атмосферного давления, называется барометром.
Один бар в точности равен 100 000 Па и немного меньше среднего атмосферного давления на Земле на уровне моря ( 1 бар = 0,9869 атм). Атмосферное давление часто указывается в миллибарах, тогда как стандартное давление на уровне моря определяется как 1013 мбар, 1,013 бар или 101,3 (кПа).
Иногда «бар(абс.)» и «бара» используются для обозначения абсолютного давления, а «бар(изб.)» и «бар изб.» для манометрического давления.
Абсолютное и манометрическое давление
Давление, как обсуждалось выше, называется абсолютное давление . Часто бывает важно различать абсолютное давление и манометрическое давление . В этой статье термин давление относится к абсолютному давлению, если явно не указано иное. Но в технике мы часто имеем дело с давлениями, которые измеряются некоторыми приборами. Хотя в термодинамических соотношениях необходимо использовать абсолютные давления, устройства для измерения давления часто указывают разность между абсолютным давлением в системе и абсолютным давлением атмосферы, существующей вне измерительного устройства. Они измеряют манометрическое давление .
Абсолютное давление. Когда давление измеряется относительно идеального вакуума, оно называется абсолютным давлением (psia). Абсолютные фунты на квадратный дюйм (psia) используются для уточнения того, что давление относится к вакууму, а не к атмосферному давлению окружающей среды. Поскольку атмосферное давление на уровне моря составляет около 101,3 кПа (14,7 фунта на кв. дюйм), это значение будет добавлено к любому измерению давления в воздухе на уровне моря.
Манометрическое давление. Когда давление измеряется относительно атмосферного давления (14,7 фунтов на кв. дюйм), оно называется манометрическим давлением (фунты на кв. дюйм). Термин манометрическое давление применяется, когда давление в системе больше, чем местное атмосферное давление, p _атм . Последняя шкала давления была разработана потому, что почти все манометры регистрируют ноль, когда они открыты для атмосферы. Манометрическое давление является положительным, если оно выше атмосферного давления, и отрицательным, если оно ниже атмосферного давления.
p _{манометр} = p _{абсолютный} – p _{абсолютный; атм}

Атмосферное давление. Атмосферное давление – это давление окружающего воздуха на поверхности Земли или «близко к ней». Атмосферное давление зависит от температуры и высоты над уровнем моря. Стандартное атмосферное давление приблизительно соответствует среднему давлению на уровне моря на 45° северной широты.0018 Standard Atmospheric Pressure is defined at sea-level at 273 ^o K (0 ^o C) and is:

101325 Pa
1.01325 Бар
14,696 PSI
760 мм рт. Ст. Когда местное атмосферное давление больше, чем давление в системе, используется термин вакуумное давление . Идеальный вакуум соответствовал бы абсолютному нулевому давлению. Конечно, возможно иметь отрицательное манометрическое давление, но невозможно иметь отрицательное абсолютное давление. Например, абсолютное давление 80 кПа может быть описано как манометрическое давление -21 кПа (т.е. на 21 кПа ниже атмосферного давления 101 кПа).

р _вакуум = p _{абсолютное; atm} – p _{абсолютное}

Например, автомобильная шина, накачанная до давления на 2,5 атм (36,75 фунтов на кв. дюйм) выше местного атмосферного давления (скажем, на 1 атм или 14,7 фунтов на кв. 2,5 + 1 = 3,5 атм (36,75 + 14,7 = 51,45 фунтов на квадратный дюйм или 36,75 фунтов на квадратный дюйм изб.).

С другой стороны, конденсационные паровые турбины (на атомных электростанциях) выбрасывают пар при давлении значительно ниже атмосферного (например, при 0,08 бар, или 8 кПа, или 1,16 фунтов на квадратный дюйм) и в частично сконденсированном состоянии. В относительных единицах это отрицательное манометрическое давление около – 0,9.2 бар, – 92 кПа или – 13,54 фунтов на кв. дюйм изб.

Закон идеального газа

Любое уравнение, связывающее давление, температуру и удельный объем вещества, называется уравнением состояния . Самое простое и наиболее известное уравнение состояния для веществ в газовой фазе — это уравнение состояния идеального газа . Эмиль Клапейрон впервые сформулировал его в 1834 году как комбинацию эмпирического закона Бойля, закона Шарля и закона Авогадро. Это уравнение предсказывает поведение p-v-T газа достаточно точно для разбавленных газов или газов низкого давления. В идеальном газе молекулы не имеют объема и не взаимодействуют. Согласно закону идеального газа, давление зависит линейно от температуры и количества и обратно пропорционально объему .

pV = nRT

where:

p is the absolute pressure of the gas
n is the amount of substance
T is the absolute temperature
V is the volume
R is the ideal, or universal, gas constant , equal к произведению постоянной Больцмана и постоянной Авогадро,

В этом уравнении символ R представляет собой универсальную газовую постоянную , которая имеет одинаковое значение для всех газов, а именно, R = 8,31 Дж/моль K.

Сила закона идеального газа в его простоте . Когда любые две термодинамические переменные, p, v и T, равны при заданном , третья может быть легко найдена . Идеальный газ определяется как газ, в котором все столкновения между атомами или молекулами абсолютно упругие и в котором нет межмолекулярных сил притяжения. Идеальный газ можно представить себе как набор совершенно твердых сфер, которые сталкиваются, но не взаимодействуют друг с другом. В действительности ни один реальный газ не похож на идеальный газ, и, следовательно, никакие реальные газы полностью не следуют закону или уравнению идеального газа. При температурах, близких к точке кипения газа, повышение давления вызовет конденсацию и резкое уменьшение объема. При очень высоких давлениях межмолекулярные силы газа значительны. Однако большинство газов примерно согласуются при давлениях и температурах выше их точки кипения. Закон идеального газа используется инженерами, работающими с газами, потому что он прост и приближает поведение реального газа.

Типичные давления в технике – примеры

паскалей (Па) как единица измерения давления широко используется во всем мире. Он в значительной степени заменил единицу фунтов на квадратный дюйм (psi), за исключением некоторых стран, которые все еще используют имперскую систему измерения, включая Соединенные Штаты. Для большинства инженерных задач паскаль (Па) — довольно маленькая единица, поэтому удобно работать с кратными паскалю: кПа, МПа или бар. В следующем списке приведены несколько примеров:

Как правило, большинство атомных электростанций эксплуатируют многоступенчатые конденсационные паровые турбины . Эти турбины выбрасывают пар под давлением значительно ниже атмосферного (например, при 0,08 бар, или 8 кПа, или 1,16 фунтов на кв. дюйм абс.) и в частично сконденсированном состоянии. В относительных единицах это отрицательное манометрическое давление около – 0,92 бар, – 92 кПа или – 13,54 фунтов на кв. дюйм.

Стандартное атмосферное давление приблизительно соответствует среднему давлению на уровне моря на 45° северной широты. Standard Atmospheric Pressure is defined at sea-level at 273 ^o K (0 ^o C) and is:
101325 Pa
1.01325 Бар
14,696 PSI
760 мм рт. Ст.
Жаротрубный котел паровоза: 150–250 фунтов на кв. дюйм изб.
Ступень высокого давления конденсационной паровой турбины на атомной электростанции работает в установившемся режиме с условиями на входе 6 МПа (60 бар или 870 фунтов на кв. дюйм, изб.) t = 275,6 °C , x = 1
Реактор с кипящей водой охлаждается и замедляется водой, как и PWR, но при более низком давлении (например, 7 МПа, 70 бар или 1015 фунтов на кв. дюйм изб.), что позволяет воде кипеть внутри сосуд высокого давления, производящий пар, который приводит в движение турбины.
Реакторы с водой под давлением охлаждаются и замедляются жидкой водой под высоким давлением (например, 16 МПа, 160 бар или 2320 фунтов на кв. дюйм). При таком давлении вода кипит примерно при 350°C (662°F), что обеспечивает запас по переохлаждению около 25°C.
Реактор со сверхкритической водой (SCWR) работает при сверхкритическом давлении . Термин сверхкритическая в этом контексте относится к термодинамической критической точке воды (T _CR = 374 °C; p _CR = 22,1 МПа)
Непосредственный впрыск топлива Common Rail: Он оснащен топливной рампой высокого давления (более 1000 бар или 100 МПа или 14500 фунтов на кв. дюйм) на дизельных двигателях.
Давление в водо-водяном реакторе
Компенсатор давления является ключевым компонентом PWR.
В реакторах с водой под давлением используется корпус реактора под давлением (RPV) для размещения ядерного топлива, замедлителя, управляющих стержней и теплоносителя. Они охлаждаются и замедляются жидкой водой под высоким давлением (например, 16 МПа). При таком давлении вода кипит примерно при 350°C (662°F). Это высокое давление поддерживается компенсатором давления. Температура воды на входе около 290°С (554°F). Вода (хладагент) нагревается в активной зоне реактора примерно до 325°C (617°F), когда вода проходит через активную зону. Как видно, реактор имеет переохлажденный теплоноситель приблизительно на 25°C (расстояние от точки насыщения).
Компенсатор давления является компонентом реактора с водой под давлением. Давление в первом контуре реакторов PWR поддерживается компенсатором давления , отдельным сосудом, присоединенным к первому контуру (горячая ветвь) и частично заполненным водой, нагретой до температура насыщения (точка кипения) для желаемого давления с помощью погружных электрических нагревателей .
С другой стороны, имеются распылительные линии – для снижения давления внутри компенсатора давления , что вызывает снижение давления в системе теплоносителя реактора. Эти распылительные линии впрыскивают теплоноситель реактора из холодной ветви контура в паровое пространство и конденсируют часть пара. Закалочное действие снижает давление и ограничивает рост давления. 9. В этих турбинах ступень высокого давления получает пар (пар, близкий к насыщенному – х = 0,995 – точка С на рисунке; 6 МПа ; 275,6°С) из парогенератора и отводит его в влагоотделитель-подогреватель. (точка Д). Во избежание повреждения лопаток паровой турбины паром низкого качества пар должен быть подогрет повторно. Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется на ступень низкого давления паровой турбины, где он расширяется (точки E-F). Отработанный пар находится под давлением значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа ) и находится в частично сконденсированном состоянии (точка F), обычно с качеством около 90%.
См. также: Влажный пар
См. также: Таблицы пара
Коэффициент давления — влияние давления на реактивность
Коэффициент давления (или коэффициент плотности замедлителя) определяется как изменение реактивности на единицу изменения давления.
α _P = ^dρ ⁄ _dP
Выражается в единицах pcm/MPa. 9Величина и знак (+ или -) коэффициента давления 0018 в первую очередь зависят от отношения замедлителя к топливу . То есть это в первую очередь зависит от конкретной конструкции реактора.
Хотя вода считается несжимаемой, в действительности она слабо сжимаема (особенно при 325°C (617°F)). Влияние давления в первом контуре имеет аналогичные последствия как температура замедлителя . По сравнению с влиянием изменений температуры замедлителя изменения давления имеют влияние низшего порядка на реактивность. Причины только в плотности замедлителя, а не в изменении микроскопических сечений.
Потери давления – жидкости
Резюме: Потери напора – потери давления
Незначительные потери примерно пропорциональны квадрату скорости потока, , и поэтому их можно легко интегрировать в уравнение Дарси-Вейсбаха. через коэффициент сопротивления К .
В качестве локальной потери давления можно также учитывать ускорение жидкости в обогреваемом канале .
Критическое давление воды
Фазовая диаграмма воды.
Источник: wikipedia.org CC BY-SA
При давлении, которое в раз превышает критическое давление, вода находится в особом состоянии, известном как сверхкритическое флюидное состояние . Сверхкритическая жидкость — это жидкость, которая находится под давлением, превышающим ее термодинамические критические значения. При критическом и сверхкритическом давлениях жидкость считается однофазное вещество, хотя все теплофизические свойства претерпевают существенные изменения в критической и псевдокритической областях.
For water, the critical parameters are the following:
P _cr = 22.09 MPa
T _cr = 374.14 °C (or 647.3 K)
v _cr = 0.003155 м3/кг
u _f = u _г = 2014 кДж/кг
H _F = H _G = 2084 кДж/кг
S _F = S _G = 4,406 кДж/кг
. также: Сверхкритическая жидкость

Ссылки:
Реакторная физика и теплогидравлика:
J. R. Lamarsh, Introduction to Nuclear Reactor Theory, 2nd ed. , Addison-Wesley, Reading, 3 MA (1988).
Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
WM Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
Гласстоун, Сезонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
Тодреас Нил Э., Казими Муджид С. Ядерные системы, том I: Основы термогидравлики, второе издание. CRC-пресс; 2 выпуск, 2012 г., ISBN: 978-0415802871
Зохури Б., Макдэниел П. Термодинамика в системах атомных электростанций. Спрингер; 2015 г., ISBN: 978-3-319-13419-2
Моран Михал Дж., Шапиро Ховард Н. Основы инженерной термодинамики, пятое издание, John Wiley & Sons, 2006 г., ISBN: 978-0-470-03037-0
Кляйнштрейер С. , Современная гидродинамика. Спрингер, 2010 г., ISBN 978-1-4020-8670-0.
Министерство энергетики США, ТЕРМОДИНАМИКА, ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И ПОТОК ЖИДКОСТИ. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1, 2 и 3. Июнь 1992 г.
См. выше:
Термодинамические свойства
Практика – Гиперучебник по физике
[закрыть]
практическая задача 1
Две связанные проблемы…
Определите массу атмосферы Земли, используя значение стандартной атмосферы.
Определите масштабную высоту атмосферы Земли — высоту, которую имела бы атмосфера, если бы ее плотность оставалась постоянной, а не уменьшалась с высотой. (Высота шкалы является полезным приближением для некоторых расчетов в науках об атмосфере.)
раствор
Поскольку давление определяется как сила, деленная на площадь, силу атмосферы можно найти, умножив давление на площадь.
F = PA ⇐ P = Ф
А
Сила атмосферы обусловлена гравитацией и называется весом ( мг ). Площадь, на которую он давит, равна площади поверхности сферы (4π р ² ). Подставьте эти выражения.
мг = P(4π r ² )
Решить цель задачи.
м = Р (4π р ² )
г
Введите числа в…
м = (101 325 Па)(4π)(6,37 × 10 ⁶ м) ²
9,8 м/с ²
Получить ответ…
м = 5,27 × 10 ¹⁸ кг
Сравните это с массой всей Земли.
5,27 × 10 ¹⁸ кг ≲ 0,0001%
5,97 × 10 ²⁴ кг
Атмосфера составляет ничтожную долю от общей массы Земли.
Опять же, сила равна давлению, умноженному на площадь, потому что давление — это сила, деленная на площадь.
F = PA ⇐ P = Ф
А
Сила по-прежнему равна весу атмосферы Земли ( мг ), но на этот раз ничего не делайте с термином площади.
мг = ПА
Найдите массу…
м = Полиамид
г
а потом заняться чем-то другим.
Поскольку плотность определяется как отношение массы к объему, масса является произведением плотности на объем. (Помните, плотность обозначается греческой буквой ро, а не латинской буквой р.)
м = ρ В ⇐ ρ = м
В
Считайте атмосферу очень тонкой оболочкой поверх поверхности Земли. Тогда его объем будет равен площади поверхности Земли ( A ), умноженное на толщину корпуса ( h ).
м = ρ Ач
Установите два уравнения масс равными друг другу.
ρ Ач = Полиамид
г
Определите толщину и обратите внимание, как хорошо компенсируется площадь.
ч = П
р г
Мы готовы к номерам…
ч = (101 325 Па)
(1,21 кг/м ³ )(9,8 м/с ² )
и ответ.
ч = 8,5 км
Сравните это с радиусом всей Земли.
8,5 ^км ≳ 0,1%
6371 км
Не думайте об этом как о “Как толстая — это атмосфера», а скорее «Как тонкая — это атмосфера». Стандартная пачка бумаги для копировального аппарата или принтера содержит 500 листов. Разверните два из них и сложите один поверх другого. Удалите один лист бумаги. Это толщина земной атмосферы
практическая задача 2
Определите максимальную высоту, на которую подъемный насос может поднять воду из колодца.
раствор
Подъемный насос работает за счет снижения давления над водяным столбом. Наибольшая возможная разница будет заключаться в атмосферном давлении внизу и вакууме вверху. Установите этот перепад давления равным перепаду давления в столбе воды и определите высоту.
ч = П ₀ ⇐ P ₀ = ρ gh
ρ г
ч = (101 325 Па)
(1000 кг/м ³ )(9,8 м/с ² )
ч = 10,3 м

практическая задача 3
Первые измерения кровяного давления были сделаны в 1726 году английским ботаником, физиологом и священнослужителем Стивеном Хейлсом. Хейлз провел несколько экспериментов над лошадьми, признанными «непригодными для службы». Вы должны помнить, что в то время лошади использовались в основном как рабочие животные. Тех, кто был серьезно ранен, хронически болен или по другой причине не мог выполнять свои обязанности, обычно убивали и съедали. Прочтите описание Хейлза одного из таких экспериментов, а затем определите кровяное давление его несчастной лошади.
В декабре я положил на землю обычные полевые ворота с соломой на них, на которые была брошена белая кобыла на правый бок и в этой позе крепко привязана к воротам; ей было четырнадцать ладоней и три дюйма в высоту [150 см], худая, хотя и не очень, ей было около десяти или двенадцати лет. Эту и вышеупомянутую лошадь и кобылу надлежало убить, как непригодных к службе…
Затем, обнажив левую сонную артерию, я прикрепил к ней по направлению к сердцу медную трубку, а к ней — дыхательную трубку гуся; к другому концу которого была прикреплена стеклянная трубка длиной двенадцать футов девять дюймов [388 см]. Конструкция использования трахеи заключалась в том, что ее гибкость предотвращала неудобства, которые могли произойти, когда кобыла боролась; если бы трубка была немедленно прикреплена к артерии без вмешательства этой гибкой трубки.
До того, как трубка была прикреплена к артерии, было потеряно около семидесяти кубических дюймов крови [1,15 л]. Кровь поднималась в трубке так же, как и в случае с двумя предыдущими лошадьми, пока не достигла девяти футов шести дюймов в высоту [290 см]. Затем я вынул трубку из артерии и выпустил по измерению шестьдесят кубических дюймов крови [0,98 л], а затем сразу же заменил трубку, чтобы посмотреть, как высоко будет подниматься в ней кровь после каждой эвакуации; это повторялось несколько раз, пока кобыла не скончалась…
Стивен Хейлз, 1733
раствор
Используйте формулу для манометрического давления в однородной жидкости, возьмите максимальную высоту столба крови и решите.
∆ P = ρg ∆ H
∆ P = (1035 кг/м ³) (9,8 м/S ²) (3. 8889999999999999999999999999999999999999999999999999999999,9699 (3.8899999999999999999999999999999999999) (9,89999999999999999999) (9,8999999999999999999) (9,89999 2 ). 39 354,84 Па
∆ P = 39 кПа
По сравнению с типичными значениями артериального давления для человека от 10 до 16 кПа этот результат кажется разумным. Лошади намного крупнее людей, и поэтому им требуется более высокое артериальное давление, чтобы прокачивать кровь до каждого отдаленного уголка и трещинки. Кроме того, кровяное давление обычно выше, когда животное находится в состоянии стресса. Медленное кровотечение до смерти, безусловно, стрессовая ситуация. Этот метод определения артериального давления называется инвазивная катетеризация и почти не используется. Артериальное давление в настоящее время обычно определяется гораздо менее смертельными методами.
практическая задача 4
Когда человеческое тело ускоряется вертикально, кровяное давление в мозгу падает. Определить максимальное вертикальное ускорение, которое может выдержать человек до потери сознания; то есть определить ускорение, которое уменьшило бы кровяное давление в мозгу до нуля. Предположим, что типичное систолическое давление составляет 16 кПа, а основание головного мозга находится на 20 см выше верхушки сердца.
раствор
В этой задаче нам даны разность давлений, разность высот и плотность и требуется найти ускорение.
г ′ = ∆ П ⇐ ∆ P = ρ г ′∆ ч
ρ∆ ч
г ′ = (16 000 Па)
(1035 кг/м ³ )(0,20 м)
г ′ = 77,294… м/с ² ≈ 8 г

Значение g ′ — это кажущееся ускорение свободного падения. Поскольку гравитация уже тянет нас вниз с 1 g, абсолютное ускорение, которое может выдержать человек, составляет порядка 7 g. Поскольку разница в высоте измерялась от нижней части мозга, 7g будет ускорением, при котором мозг полностью опорожняется от крови. Фактическое ускорение, которое могло бы вызвать потерю сознания, было бы несколько ниже, и ему предшествовал бы период серого цвета, а затем затемнение, поскольку зрительная кора была истощена от крови. С помощью тренировок и специальной одежды можно оставаться в сознании при ускорениях, превышающих только что рассчитанные. На авиашоу в Илопанго в 2002 году в Сальвадоре пилот-пилот Грег По продемонстрировал максимальное видимое ускорение 11,4 g в течение секунды или двух в начале быстрого набора высоты. Это текущий рекорд для гражданского пилота и, возможно, общий рекорд. Поскольку большинство военно-воздушных сил держат такого рода информацию в секрете, мы не можем быть в этом уверены.
Давление (физика): определение, единицы измерения, формулы и примеры
Давление — одно из важнейших понятий в физике. Хотя вы, несомненно, будете иметь некоторое представление о том, что такое давление, из таких вещей, как показания атмосферного давления, указанные в сводках погоды, или давление воды в системе отопления вашего дома, когда вы изучаете физику, детали действительно имеют значение. Изучение точного определения давления поможет вам понять ключевые понятия, связанные с газами, термодинамикой, плавучестью и многим другим.
Определение давления
Давление просто определяется как количество силы на единицу площади . Когда вы пытаетесь понять давление, ключевой момент — подумать о том, что происходит на атомном уровне в жидкости или газе при высоком давлении. Составляющие молекулы постоянно перемещаются, а это значит, что они все время натыкаются на стенки контейнера. Чем больше они двигаются (из-за более высоких температур), тем больше они ударяются о стенки контейнера и тем выше давление.
Таким образом, определение просто превращает эту общую картину в четкое физическое определение. Каждый раз, когда молекула ударяется о стенку сосуда, она сообщает ему силу, и сумма этих сил для небольшого участка внутренней части представляет собой полное давление. Самый удобный способ сделать это — выбрать площадь, которая равна одной «единице» в квадрате в выбранной вами системе измерений, что и означает «на единицу площади» в определении.
Математически вы можете определить давление как:
P = \frac{F}{A}
Где P — давление, F — сила на поверхности, A — площадь.
Единицы давления
Единицей давления в системе СИ является Паскаль (Па) , где 1 Па = 1 Н/м ² , т. е. один ньютон на квадратный метр. Ньютон — это единица силы, поэтому несложно заметить, что паскаль соответствует требованиям к единице давления. Тем не менее, Паскаль — довольно маленькая единица для таких вещей, как атмосферное давление, поэтому также используется довольно большое количество альтернатив. Один из самых простых способов сделать это — просто использовать кПа (т. е. килопаскали или тысячи паскалей), но есть и другие варианты.
Самая известная альтернативная единица — фунтов на квадратный дюйм (psi) , которая используется в США для таких вещей, как давление воды. Для атмосферного давления часто используется соответствующая единица «атмосфера» (атм), потому что 1 атм соответствует атмосферному давлению на уровне моря. Торр является альтернативной единицей измерения атмосферного давления, которая определяется как 1/760 атмосферы, или 133,3 Па. В метеорологии часто используются миллибары, где 1 бар = 100 000 Па, а 1 миллибар = 100 Па9.0003
Наконец, есть еще несколько необычных единиц измерения давления, в том числе миллиметры ртутного столба (мм рт.ст.), которые определяются на основе давления столбика ртути высотой 1 мм и часто используются для измерения артериального давления.
Первоначально это было предназначено для торр, поэтому не должно вызывать удивления то, что они по существу одинаковы: 1 мм рт. ст. = 133,322 Па. Наконец, в некоторых случаях давление измеряется как значение в динах. на квадратный сантиметр. Здесь дина — это единица силы, где 1 дина = 0,00001 ньютона, поэтому 1 дина на квадратный сантиметр равняется 0,1 Па.
Атмосферное давление
Атмосферное давление на уровне моря равно 1 атмосфере или около 101 325 Па. ты все время . Давление, по сути, именно это, но на самом деле дело в воздухе: давление буквально вызвано весом воздуха, давит на поверхность Земли.
Это может показаться странным, потому что вы никогда не замечают атмосферное давление , хоть оно и такое огромное, но вы эволюционировали в этой среде, и поэтому не замечаете его. Существует мера давления, которая также учитывает это, называемая манометрическое давление . Это разница давлений между абсолютным давлением (то есть полным давлением) и атмосферным давлением.
Например, если у вашего автомобиля полностью спустила шина, при подключении манометра он будет показывать ноль. Однако есть воздух внутри шины, находящейся под атмосферным давлением; просто эта информация не очень актуальна, когда вас интересует, правильно ли герметизировано что-то вроде автомобильной шины. Есть еще абсолютное давление, но в этом случае (и во многих других) действительно нужно знать манометрическое давление.
Давление воды
Давление воды — одна из наиболее известных форм давления в повседневной жизни, но в гидростатической ситуации (когда вода не течет) давление работает иначе, чем это происходит в вашей системе водяного отопления. Тем не менее, это интересная ситуация, на которую стоит обратить внимание, когда вы впервые изучаете давление, потому что давление в подобной ситуации зависит от глубины.
Давление ( P ) на любой глубине ( d ) определяется уравнением:
P = ρgd
Где жидкости, а г — ускорение свободного падения (на Земле г = 9,81 м/с ² ). Плотность воды при 20 °C составляет ρ = 998 кг/м ³ , но обычно вычисления значительно упрощаются, если принять температуру 4 °C, где ρ 2 × 25 \text{ м} \\ &=245250 \text{ Па} = 245,3 \text{ кПа} \\ \end{aligned}
Как работает барометр
Барометр – прибор для измерения атмосферного давление (иногда называемое барометрическим давлением), которое работает с использованием ртутного столба. Трубка с ртутью, открытая с одного конца, переворачивается и помещается в резервуар, в котором также содержится ртуть. Когда он настроен, резервуар открыт для атмосферы, но ртуть в трубке контактирует только с резервуаром, а процесс переворачивания трубки создает вакуум в верхней части.
Барометр измеряет давление, потому что сила атмосферного давления (в основном вес воздуха) давит на ртуть в резервуаре и тем самым поднимает ртуть в трубке.
Если столбик ртути создает столь же большую силу, направленную вниз (уравнение давления воды из предыдущего раздела описывает происхождение этой силы), изменения не будет, но если давление воздуха выше, уровень ртути в трубка должна будет увеличиться на соответствующую величину, чтобы уравновесить силы. После калибровки весов эту простую систему можно использовать для измерения давления воздуха.
Другие примеры
Существуют и другие примеры давления, с которыми вы также знакомы из повседневной жизни, включая кровяное давление. Это (манометрическое) давление, создаваемое вашим сердцем, перекачивающим кровь по всему телу, и оно измеряется в мм рт. бьет. Конечно, давление во время ударов имеет более высокое число из двух, и между 90/60 мм рт.ст. и 120/80 мм рт.ст. считается идеальным.
Атмосферное давление также является важным понятием в метеорологии, которая отображает положения и движения систем высокого и низкого давления для прогнозирования изменений погоды. Благодаря взаимосвязи между атмосферным давлением и температурой и тому, что происходит, когда система низкого давления встречается с системой высокого давления, метеорологи предсказывают температуру и такие вещи, как ветер, в разных регионах.
Давление жидкости, Рон Куртус
SfC Главная > Физика > Материя > Жидкости >
Рон Куртус (обновлено 9 февраля 2022 г. )
Давление жидкости — это измерение силы на единицу площади объекта в жидкости или на поверхности закрытого контейнера. Это давление может быть вызвано гравитацией, ускорением или силами вне закрытого контейнера.
Поскольку жидкость не имеет определенной формы, ее давление действует во всех направлениях. Давление жидкости также может быть усилено с помощью гидравлических механизмов и изменения скорости жидкости.
У вас могут возникнуть следующие вопросы:
Как гравитация влияет на давление жидкости?
Как действует давление воздуха и воды во всех направлениях?
Каковы другие применения давления жидкости?
Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Преобразование единиц
Давление жидкости под действием силы тяжести или ускорения
Вес жидкости может оказывать давление на все, что находится под ней. Кроме того, относительное движение жидкости или газа может оказывать давление.
Давление
Давление определяется как сила, деленная на площадь, на которую действует сила. ( Подробности см. в уроке о давлении. ) Вы можете записать это в виде уравнения, если хотите произвести некоторые вычисления:
П = Ф/А
где
P = давление
F = сила
А = область
F/A = F разделить на A
Давление под действием силы тяжести
Поскольку вес объекта или материала равен силе, действующей на него под действием силы тяжести,
Объект может оказывать давление вниз благодаря своему весу и силе тяжести. Давление, которое вы оказываете на пол, равно вашему весу, деленному на площадь подошвы вашей обуви. Если сила обусловлена весом ( Вт ) объекта, уравнение будет таким: P = Вт/A
Давление воды
Давление воды на дне озера равно весу столба воды наверху, деленному на площадь этого столба.
Давление на глубине Вес/Площадь
Столб на макушке
Если бы вы стояли на дне бассейна (при условии, что вы не начнете плавать), то был бы столб воды диаметром Ваша голова полностью до поверхности воды, давит на вас. Если вы возьмете этот столб воды и взвесите его, а затем разделите этот вес на площадь вашей макушки, вы получите значение давления воды на вашу голову.
Причина, по которой это не влияет на вас, заключается в том, что ваше внутреннее давление тела увеличивается, чтобы нейтрализовать большую часть давления воды. Но на больших глубинах давление воды может стать настолько большим, что может навредить дайверу.
Демонстрация с банкой
Демонстрация того, как давление воды увеличивается с глубиной воды, может быть выполнена с помощью большой жестяной банки. Пробейте отверстия для гвоздей по вертикали вверх по стенке банки через каждые дюйм или несколько сантиметров. Затем наполните банку водой. Вода может просто вытекать из верхних отверстий, но увеличение давления с глубиной приводит к тому, что вода выбрасывается с большим давлением в нижние отверстия.
Атмосферное давление
Точно так же давление воздуха на макушку равно весу столба воздуха (высотой в несколько миль), деленному на площадь макушки. Среднее давление воздуха на вашу голову составляет 14,7 фунта на квадратный дюйм! Это большой вес, который вы держите.
Атмосферное давление при погоде
Когда в сводке погоды указывается высокое давление, это означает, что столб воздуха поднимается выше, чем для считывателя низкого давления. Барометр измеряет давление воздуха или вес столба воздуха.
Атмосферное давление возникает из-за веса всего воздуха, движущегося над вами на несколько миль. Это примерно 16 фунтов на квадратный дюйм во всех направлениях вашего тела. К счастью, в наших телах есть внутреннее давление, которое уравнивает давление воздуха.
Воздушные шары
Давление воздуха внутри воздушного шара действует во всех направлениях. Когда давление увеличивается, размер воздушного шара увеличивается, пока он, наконец, не лопнет. Внутреннее давление воздуха намного больше, чем внешнее давление воздуха.
Различные высоты
Нормальное атмосферное давление в Денвере, штат Колорадо, ниже, чем в Денвере. Это связано с тем, что большая высота Денвера означает, что его столб воздуха не такой высокий, как в Милуоки.
Поскольку многие закуски запечатаны в пакеты под давлением, пакет, запечатанный в Милуоки, требует более высокого внутреннего давления, чем пакет, изготовленный в Денвере. Таким образом, пакет с закусками из Милуоки расширится, если его довести до более низкого давления воздуха, чем в Денвере, и даже может взорваться.
Направление давления жидкости
Давление, создаваемое жидкостью или газом, отличается тем, что не только давление давит вниз в данной точке, но и то же давление толкает вверх и в стороны.
Все направления
Давление в жидкости в данной точке одинаково во всех направлениях. Это верно из-за свойства жидкостей и газов принимать форму своего сосуда.
Давление воды одинаково во всех направлениях
Что это также означает, что любой полый контейнер, погруженный в жидкость, испытывает давление на каждый квадратный дюйм своей поверхности, сверху и снизу.
Плавание под водой
Когда вы плаваете под водой, чем глубже вы погружаетесь, тем больше давление воды на ваше тело. Теперь вопрос: “Почему тебя не раздавил весь этот вес?”
Причина в том, что ваше тело компенсирует это, создавая внутреннее давление, равное давлению воздуха или воды. Вы чем-то похожи на воздушный шар, наполненный жидкостью под давлением. Теперь, когда вы уходите очень глубоко под воду, давление воды может стать больше, чем ваше тело может компенсировать, и вы почувствуете дискомфорт.
Другие эффекты давления
Другими эффектами давления жидкости являются движение, нагрев и химические эффекты, а также применения в области гидравлики и в авиации.
( Подробности см. в Applications of Fluid Principles. )
Ветер и течение
Движение жидкости, такое как ветер или течение реки, может оказывать давление на объект на его пути, пропорциональное площади поверхности, перпендикулярной направлению движения.
Обтекаемость объекта уменьшает это давление.
Нагревание и химические эффекты
Когда вы нагреваете жидкость, она обычно расширяется. Если вы нагреете жидкость, находящуюся в закрытом контейнере, расширение приведет к увеличению внутреннего давления. Например, нагрев воздушного шара приведет к его расширению.
Точно так же химические реакции, в результате которых выделяются газы, повышают давление внутри контейнера. Например, встряхивание бутылки с газированным напитком приводит к выделению большего количества газа и повышению внутреннего давления. Это можно ощутить, когда вы открываете бутылку и напиток разбрызгивается.
Гидравлика
Когда жидкость, особенно жидкость, находится в частично закрытом контейнере, сила, приложенная в одной области, может привести к большей силе в другой области. Этот эффект используется в гидравлике для создания механического преимущества за счет того, что сила, приложенная к маленькому поршню, приводит к большей силе, приложенной к большому поршню.
Самолет
Ученый Бернулли обнаружил, что давление воздуха в трубе падает, когда скорость воздуха в трубе увеличивается. Это открытие стало известно как Принцип Бернулли .
Наиболее широко этот принцип используется в самолетах. Крыло самолета обычно изогнуто сверху и плоско снизу. Когда воздух движется над изогнутой верхней частью крыла, он ускоряется из-за формы. Это снижает давление по отношению к нижней части крыла. Меньшее давление на верхнюю часть приводит к подъемной силе, необходимой для удержания самолета в воздухе.
Резюме
Давление жидкости под действием силы тяжести представляет собой вес жидкости выше, деленный на площадь, на которую она давит. Давление жидкости действует во всех направлениях. Внутреннее давление объекта равно внешнему давлению жидкости, иначе объект может быть раздавлен. Ветер и отопление также могут создавать давление.
Способность выполнять под давлением
Ресурсы и ссылки
Рон Куртус. Условия
Веб -сайты
веща Чемпионы могут получать комиссионные от покупки книг)
Книги с самым высоким рейтингом по Материи
Книги с самым высоким рейтингом по физике
Книги с самым высоким рейтингом по физике жидкостей
Механика жидкости Ира М. Коэн и Пиюш К. Кунду, Academic Press (2004) $74,95
Векторы, тензоры и основные уравнения механики жидкости Резерфорд Арис , Dover Publications (1990) $14,95
Основы гидромеханики Брюс Р. Мансон, Дональд Ф. Янг, Теодор Х. Окииши; Wiley (2001) $37,95
Поделиться этой страницей
Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:
Студенты и исследователи
Веб-адрес этой страницы:
www. school-for-champions.com/science/
Fluid_pressure.htm
Разместите его в качестве ссылки на своем веб-сайте или в качестве ссылки в своем отчете, документе или диссертации.
Copyright © Ограничения
Где ты сейчас?
Школа Чемпионов
Темы физики
Давление жидкости
Давление | Encyclopedia.com
ПОНЯТИЕ
Давление — это отношение силы к площади поверхности, на которую она воздействует. Хотя твердые тела оказывают давление, самые интересные примеры давления связаны с жидкостями, то есть газами и жидкостями, и в частности с водой и воздухом. Давление играет ряд важных ролей в повседневной жизни, в том числе его роль в работе насосов и гидравлических прессов. Поддержание обычного атмосферного давления имеет важное значение для здоровья и благополучия человека: тело идеально приспособлено к обычному атмосферному давлению, и если это давление значительно изменится, у человека могут возникнуть вредные или даже фатальные побочные эффекты.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ
Сила и площадь поверхности
Когда сила приложена перпендикулярно площади поверхности, она оказывает давление на эту поверхность, равное отношению F к A, , где F — сила и A площадь поверхности. Следовательно, формула для давления ( p ) равна p = F / A. Одним из интересных следствий этого соотношения является тот факт, что давление может увеличиваться или уменьшаться без какого-либо изменения силы, другими словами, если поверхность становится меньше, давление становится больше, и наоборот.
Если бы одна чирлидерша держала на плечах другую чирлидершу, а девушка сверху стояла бы на лопатках девушки снизу, то ноги верхней девушки оказывали бы определенное давление на плечи нижней девушки. Это давление будет равно весу верхней девушки ( F, , что в данном случае является ее массой, умноженной на нисходящее ускорение под действием силы тяжести), деленному на площадь поверхности ее ступней. Предположим, что верхняя девушка выполняет сложное акробатическое движение, поднимая левую ногу и упираясь ею в правое колено, так что только ее правая нога оказывает всю силу своего веса. Теперь площадь поверхности, на которую действует сила, уменьшилась вдвое, и, таким образом, давление на нижнее плечо девушки увеличилось в два раза.
По той же причине — а именно, что уменьшение площади поверхности увеличивает чистое давление — хорошо поставленный удар карате намного эффективнее, чем шлепок открытой ладонью. Если бы кто-то ударил ладонью прямо по доске, единственным вероятным результатом была бы сильная жалящая боль в руке. Но если вместо этого нанести удар по доске, держа руку перпендикулярно — при условии, конечно, что вы являетесь знатоком карате, — доска может расколоться надвое. В первом случае площадь приложения силы велика, а чистое давление на доску относительно невелико, тогда как в случае удара карате площадь поверхности намного меньше, а, следовательно, давление намного больше.
Иногда предпочтительна большая площадь поверхности. Таким образом, снегоступы гораздо эффективнее для ходьбы по снегу, чем обычные туфли или ботинки. Обычная обувь ненамного больше поверхности стопы и идеально подходит для ходьбы по тротуару или траве. Но при глубоком снегу эта относительно небольшая площадь поверхности увеличивает давление на снег и заставляет ноги тонуть. Снегоступы, поскольку их площадь поверхности значительно больше, чем у обычной обуви, уменьшают отношение силы к площади поверхности и, следовательно, снижают чистое давление.
Тот же принцип применим к зимним лыжам и водным лыжам. Как и снегоступы, лыжи позволяют лыжнику оставаться на поверхности. снегу, но, в отличие от снегоступов, лыжи длинные и тонкие, что позволяет лыжнику более эффективно скользить по заснеженному склону. Что касается катания на воде, то люди, имеющие опыт в этом виде спорта, могут кататься босиком, но это сложно. Большинству новичков требуются водные лыжи, которые еще раз уменьшают чистое давление, оказываемое весом лыжника на поверхность воды.
Измерение давления
Давление измеряется рядом единиц в английской и метрической, или, как это называется в научном сообществе, системе СИ. Поскольку p = F / A , все единицы давления представляют некоторое отношение силы к площади поверхности. Основная единица СИ называется паскаль (Па) или 1 Н/м ² . Ньютон (Н), единица силы в СИ, равен силе, необходимой для ускорения 1 килограмма массы со скоростью 1 метр в секунду в квадрате. Таким образом, Паскаль равен давлению в 1 ньютон на поверхности площадью 1 квадратный метр.
В английской или британской системе давление измеряется в фунтах на квадратный дюйм, сокращенно фунт/дюйм ² . Это равно 6,89 · 10 ³ Па, или 6890 Па. Ученые — даже в США, где преобладает британская система единиц, — предпочитают пользоваться единицами СИ. Тем не менее, британская единица давления является знакомой частью повседневной жизни американского водителя, потому что давление в шинах в Соединенных Штатах обычно измеряется в фунтах на квадратный дюйм. (Рекомендуемое давление в шинах для автомобиля среднего размера обычно составляет 30–35 фунтов/дюйм 9 ).0005 2 .)
Другой важной мерой давления является атмосфера (атм), представляющая собой среднее давление воздуха на уровне моря. В английских единицах это равно 14,7 фунта/дюйм ² , а в единицах СИ 1,013 · 10 ⁵ Па, т. е. 101 300 Па. В системе СИ есть еще две специализированные единицы измерения давления. : бар, равный 10 ⁵ Па, и торр, равный 133 Па. Метеорологи, ученые, изучающие погодные условия, используют миллибар (мб), который, как следует из его названия, равен 0,001 бар. На уровне моря атмосферное давление составляет примерно 1013 мб.
БАРОМЕТР.
Торр, когда-то известный как «миллиметр ртутного столба», равен давлению, необходимому для поднятия столбика ртути (химический символ ртутного столба) на 1 мм. Он назван в честь итальянского физика Евангелиста Торричелли (1608-1647), который изобрел барометр, прибор для измерения атмосферного давления.
Барометр, сконструированный Торричелли в 1643 году, состоял из длинной стеклянной трубки, наполненной ртутью. Трубка была открыта с одного конца и перевернута вверх дном в чашу, содержащую больше ртути: следовательно, открытый конец был погружен в ртуть, а закрытый конец наверху представлял собой вакуум, т. е. область, в которой давление значительно ниже 1 атм.
Давление окружающего воздуха давило на поверхность ртути в чаше, а вакуум в верхней части трубки создавал область практически без давления, в которую ртуть могла подняться. Таким образом, высота, на которую поднималась ртуть в стеклянной трубке, представляла собой нормальное давление воздуха (т. е. 1 атм.). Торричелли обнаружил, что при нормальном атмосферном давлении столбик ртути поднимается до 760 миллиметров.
Таким образом, значение 1 атм было установлено равным давлению, оказываемому на столбик ртути высотой 760 мм при температуре 0°C (32°F). Более того, изобретение Торричелли со временем стало неотъемлемой частью обеих научных лабораторий. и домохозяйств. Поскольку изменения атмосферного давления влияют на погодные условия, сегодня многие домашние и наружные термометры также включают барометр.
Давление и жидкости
С точки зрения физики и газы, и жидкости называются жидкостями, то есть веществами, которые соответствуют форме своего сосуда. Таким образом, давление воздуха и давление воды являются особыми предметами под более широким заголовком «давление жидкости». Жидкость реагирует на давление совершенно иначе, чем твердое тело. Плотность твердого тела делает его устойчивым к небольшим приложениям давления, но если давление увеличивается, оно испытывает растяжение и, в конечном счете, деформацию. Однако в случае жидкости напряжение заставляет ее течь, а не деформироваться.
Существуют три важные характеристики давления, оказываемого на жидкости контейнером. Во-первых, жидкость в сосуде, не испытывающая внешнего движения, прикладывает силу, перпендикулярную стенкам сосуда. Точно так же стенки контейнера воздействуют на жидкость, и в обоих случаях сила всегда перпендикулярна стенкам.
В каждой из этих трех характеристик предполагается, что емкость конечна: другими словами, жидкости некуда больше деваться. Отсюда второе утверждение: внешнее давление, действующее на жидкость, передается равномерно. Обратите внимание, что предыдущее утверждение было квалифицировано термином «внешнее»: сама жидкость оказывает давление, составляющая силы которого равна ее весу. Следовательно, жидкость на дне имеет гораздо большее давление, чем жидкость наверху, из-за веса жидкости над ней.
В-третьих, давление на любую маленькую поверхность жидкости одинаково, независимо от ориентации этой поверхности. Другими словами, область жидкости, перпендикулярная стенкам контейнера, испытывает такое же давление, как и область, параллельная или расположенная под углом к стенкам. Может показаться, что это противоречит первому принципу, согласно которому сила перпендикулярна стенкам сосуда. На самом деле сила является векторной величиной, что означает, что она имеет как величину, так и направление, тогда как давление является скаляром, что означает, что оно имеет величину, но не имеет определенного направления.
ПРИМЕНЕНИЕ В РЕАЛЬНОЙ ЖИЗНИ
Принцип Паскаля и гидравлический пресс
Три характеристики давления жидкости, описанные выше, имеют ряд следствий и приложений, среди которых так называемый принцип Паскаля. Как и единица давления в системе СИ, принцип Паскаля назван в честь французского математика и физика Блеза Паскаля (1623–1662), сформулировавшего второе из трех утверждений: внешнее давление, приложенное к жидкости, передается равномерно по всему объему тела. эта жидкость. Принцип Паскаля лег в основу одной из важнейших когда-либо разработанных машин — гидравлического пресса.
Простой гидравлический пресс, используемый для подъема автомобиля в автомастерской, обычно состоит из двух больших цилиндров, расположенных рядом. Каждый цилиндр содержит поршень, и цилиндры соединены в нижней части каналом, содержащим жидкость. Клапаны регулируют поток между двумя цилиндрами. Когда кто-то прикладывает усилие, нажимая на поршень в одном цилиндре (входном цилиндре), это дает равномерное давление, которое вызывает выход в второй цилиндр, толкая вверх поршень, который поднимает автомобиль.
В соответствии с принципом Паскаля давление во всем гидравлическом прессе одинаково и всегда будет равно отношению силы к давлению. Пока это соотношение одинаково, значения F и A могут различаться. В случае автомобильного домкрата входной цилиндр имеет относительно небольшую площадь поверхности, и, следовательно, сила, которая должна быть приложена, также относительно невелика. Выходной цилиндр имеет относительно большую площадь поверхности и, следовательно, прилагает относительно большую силу для подъема автомобиля. Это, в сочетании с разницей в высоте между двумя цилиндрами (обсуждаемой в контексте механических преимуществ в другом месте этой книги), позволяет поднимать тяжелый автомобиль с относительно небольшим усилием.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАНТ.
Автомобильный домкрат представляет собой простую модель гидравлического пресса в действии, но на самом деле принцип Паскаля имеет гораздо больше применений. Среди них гидравлический цилиндр, используемый в различных машинах, от бульдозеров до гидравлических подъемников, используемых пожарными и коммунальными службами для подъема на высоту. Однако в гидроцилиндре характеристики входного и выходного цилиндров противоположны характеристикам автомобильного домкрата.
Входной цилиндр, называемый главным цилиндром, имеет большую площадь поверхности, тогда как выходной цилиндр (называемый рабочим цилиндром) имеет небольшую площадь поверхности. Кроме того, хотя опять же, это фактор, связанный с механическим преимуществом, а не с давлением как таковым, главный цилиндр короткий, а рабочий цилиндр высокий. Из-за большей площади поверхности главного цилиндра по сравнению с рабочим цилиндром гидроцилиндр не считается эффективным с точки зрения механического преимущества: другими словами, входная сила намного больше, чем выходная сила.
Тем не менее, гидроцилиндр так же хорошо подходит для своей цели, как автомобильный домкрат. В то время как домкрат предназначен для подъема тяжелого автомобиля на небольшое расстояние по вертикали, гидроцилиндр поднимает гораздо более легкий груз (обычно всего одного человека) на гораздо большее расстояние по вертикали — например, на вершину дерева или здания.
Использование разницы давлений
НАСОСЫ.
В насосе используется принцип Паскаля, но вместо того, чтобы удерживать жидкость в одном контейнере, насос позволяет жидкости вытекать. В частности, насос использует разницу давлений, заставляя жидкость перемещаться из области более высокого давления в область более низкого давления. Очень простым примером этого является сифонный шланг, используемый для забора бензина из бензобака автомобиля. Всасывание на одном конце шланга создает область низкого давления по сравнению с областью относительно высокого давления бензобака. В конце концов, бензин выйдет из конца шланга низкого давления. (И, если повезет, человек, перекачивающий воду, сможет это предвидеть, так что он не получит полный рот бензина!)
Поршневой насос, более сложный, но все же довольно простой, состоит из вертикального цилиндра, по которому поднимается и опускается поршень. Рядом с дном цилиндра расположены два клапана: впускной клапан, через который жидкость поступает в цилиндр, и выпускной клапан, через который жидкость вытекает из него. На такте всасывания, когда поршень движется вверх, впускной клапан открывается и позволяет жидкости поступать в цилиндр. При ходе вниз впускной клапан закрывается, а выпускной клапан открывается, и давление, создаваемое поршнем на жидкость, выталкивает ее через выпускной клапан.
Одним из наиболее очевидных применений поршневого насоса является двигатель автомобиля. В этом случае, конечно, перекачиваемой жидкостью является бензин, который толкает поршни, обеспечивая серию контролируемых взрывов, создаваемых воспламенением газа от свечи зажигания. В другой разновидности поршневых насосов, используемых для накачивания баскетбольных мячей или велосипедных шин, перекачиваемой жидкостью является воздух. Затем есть насос для воды, который качает питьевую воду из-под земли. Его также можно использовать для удаления желаемой воды из места, где она является помехой, например, со дна лодки.
ПРИНЦИП БЕРНУЛЛИ.
Хотя Паскаль дал ценные сведения об использовании давления для выполнения работы, мыслителем, первым сформулировавшим общие принципы взаимосвязи между жидкостями и давлением, был швейцарский математик и физик Даниэль Бернулли (1700–1782). Бернулли считается отцом гидромеханики, изучения поведения газов и жидкостей в состоянии покоя и в движении.
Проводя опыты с жидкостями, Бернулли заметил, что при уменьшении диаметра трубы вода течет быстрее. Это навело его на мысль, что какая-то сила должна действовать на воду сила, как он рассуждал, должна возникать из-за разности давлений. В частности, более медленно движущаяся жидкость в более широкой части трубы имеет большее давление, чем часть жидкости, движущейся через более узкую часть трубы. В результате он пришел к выводу, что давление и скорость обратно пропорциональны, другими словами, при увеличении одного уменьшается другое.
Таким образом, он сформулировал принцип Бернулли, который гласит, что при всех изменениях движения сумма статического и динамического давления в жидкости остается неизменной. Жидкость в состоянии покоя оказывает статическое давление, которое обычно подразумевается под «давлением», как и под «давлением воды». Однако, когда жидкость начинает двигаться, часть статического давления, пропорциональная скорости жидкости, преобразуется в так называемое динамическое давление или давление движения. В цилиндрической трубе статическое давление действует перпендикулярно поверхности сосуда, а динамическое давление параллельно ей.
Согласно принципу Бернулли, чем больше скорость потока в жидкости, тем больше динамическое давление и меньше статическое давление: другими словами, более медленно движущаяся жидкость оказывает большее давление, чем более быстро движущаяся. Открытие этого принципа в конечном итоге сделало возможным создание самолета.
При движении жидкости из более широкой трубы в более узкую объем этой жидкости, перемещающейся на заданное расстояние за заданный период времени, не изменяется. Но поскольку ширина более узкой трубы меньше, жидкость должна двигаться быстрее (то есть с большим динамическим давлением), чтобы переместить то же количество жидкости на то же расстояние за то же время. Один из способов проиллюстрировать это — понаблюдать за поведением реки: в широкой, свободной области она течет медленно, но если ее поток сужается стенами каньона, то она резко ускоряется.
Принцип Бернулли в конечном итоге стал основой аэродинамического профиля, конструкции крыла самолета, если смотреть с торца. Аэродинамический профиль имеет форму асимметричной капли, лежащей на боку, «толстым» концом к воздушному потоку. Когда воздух попадает на переднюю часть аэродинамического профиля, воздушный поток разделяется, часть его проходит над крылом, а часть проходит под ним. Однако верхняя поверхность аэродинамического профиля изогнута, тогда как нижняя поверхность намного прямее.
В результате воздух, идущий сверху, преодолевает большее расстояние, чем воздух, идущий под крылом. Поскольку жидкости имеют тенденцию компенсировать все объекты, с которыми они вступают в контакт, воздух вверху будет течь быстрее, чтобы встретиться с воздухом внизу в задней части крыла. Более быстрый поток воздуха, как продемонстрировал Бернулли, указывает на более низкое давление, а это означает, что давление на нижнюю часть крыла удерживает самолет в воздухе.
Плавучесть и давление
За сто двадцать лет до первого успешного полета на самолете братьев Райт в 1903 году другая пара братьев — французские гольфисты — разработали еще одно средство полета. Это был воздушный шар, который опирался на совершенно другой принцип отрыва от земли: плавучесть или стремление объекта, погруженного в жидкость, всплывать. Однако, как и в случае с принципом Бернулли, понятие плавучести связано с давлением.
В третьем веке до нашей эры греческий математик, физик и изобретатель Архимед (ок. 287–212 до н. э.) открыл так называемый принцип Архимеда, согласно которому выталкивающая сила тела, погруженного в жидкость, равна вес жидкости, вытесненной телом. Вот почему корабли плавают: потому что их выталкивающая, или подъемная, сила меньше, чем равна весу вытесняемой ими воды.
Корпус корабля предназначен для вытеснения или перемещения количества воды, вес которого превышает вес самого судна. Вес вытесненной воды, то есть ее масса, умноженная на нисходящее ускорение, вызванное силой тяжести, равна выталкивающей силе, действующей на корабль со стороны океана. Если корабль весит меньше, чем вытесняемая им вода, он будет плавать; но если он будет весить больше, он утонет.
Факторы, связанные с принципом Архимеда, зависят от плотности, гравитации и глубины, а не от давления. Однако чем больше глубина внутри жидкости, тем больше давление, которое давит на объект, погруженный в жидкость. Более того, общее давление жидкости на заданной глубине частично связано как с плотностью, так и с гравитацией, составляющими выталкивающей силы.
ДАВЛЕНИЕ И ГЛУБИНА.
Давление, которое жидкость оказывает на дно сосуда, равно dgh, , где d — плотность, g — ускорение свободного падения и h — глубина сосуда. Для любой порции жидкости 90 697 ч 90 698 равно ее глубине внутри контейнера, а это означает, что чем глубже человек идет, тем больше давление. Кроме того, полное давление внутри жидкости равно dgh + p _{внешнее,}, где p _{внешнее} — давление, оказываемое на поверхность жидкости. В поршне-цилиндровом узле это давление исходит от поршня, а в воде – из атмосферы.
В этом контексте океан можно рассматривать как своего рода «контейнер». На его поверхность воздух оказывает нисходящее давление, равное 1 атм. Плотность самой воды однородна, как и ускорение вниз под действием силы тяжести; тогда единственная переменная равна ч, или расстояние под поверхностью. В самых глубоких уголках океана давление невероятно велико — намного больше, чем может выдержать любой человек. Это огромное количество давления толкает вверх, сопротивляясь нисходящему давлению объектов на его поверхность. В то же время, если вес лодки правильно распределен вдоль ее корпуса, корабль максимально увеличивает площадь и минимизирует силу, тем самым оказывая нисходящее давление на поверхность воды, которое меньше, чем восходящее давление самой воды. Следовательно, он плавает.
Давление и тело человека
ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА.
Монгольфы использовали принцип плавучести не для того, чтобы плыть по воде, а для того, чтобы парить в небе на корабле легче воздуха. Подробности этого достижения обсуждаются в другом месте в контексте плавучести; но тема полета легче воздуха предполагает еще одну концепцию, которая несколько раз упоминалась в этом эссе: атмосферное давление.
Точно так же, как давление воды самое большое на дне океана, давление воздуха самое большое на поверхности Земли, которая фактически находится на дне «океана» воздуха. И давление воздуха, и давление воды являются примерами гидростатического давления — давления, которое существует в любом месте тела жидкости из-за веса жидкости над ним. В случае давления воздуха воздух тянется вниз силой земного притяжения, а воздух вдоль поверхности имеет большее давление из-за веса (функции силы тяжести) воздуха над ним. Однако на больших высотах над поверхностью Земли сила гравитации уменьшается, и, следовательно, атмосферное давление намного меньше.
При обычном опыте тело человека подвергается внушительному давлению. Учитывая значение атмосферного давления, обсуждавшееся ранее, если вытянуть руку — предполагая, что поверхность составляет около 20 дюймов ² (0,129 м ² ) — сила воздуха, действующая на нее, составляет почти 300 фунтов (136 кг). )! Как же это руку не раздавит весь этот вес? Причина в том, что само человеческое тело находится под давлением, и что внутренняя часть тела оказывает давление, равное давлению воздуха.
РЕАКЦИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА.
Человеческое тело приспособлено к нормальному атмосферному давлению в 1 атм, и если это внешнее давление изменяется, в организме происходят изменения, которые могут быть вредными или даже фатальными. Незначительным примером этого является «хлопанье» в ушах, которое происходит, когда кто-то едет через горы или едет в самолете. С изменением высоты меняется давление, и, следовательно, давление в ушах также меняется.
Как отмечалось ранее, на больших высотах атмосферное давление снижается, что затрудняет дыхание. Поскольку воздух — это газ, его молекулы имеют тенденцию не притягиваться: другими словами, когда давление низкое, они стремятся удалиться друг от друга, и в результате человеку, находящемуся на большой высоте, трудно достичь цели. достаточное количество воздуха в его легкие. Бегуны, соревнующиеся в 19Участники Олимпиады-68 в Мехико, городе в горах, должны были тренироваться в высокогорных условиях, чтобы они могли дышать во время соревнований. Для бейсбольных команд, соревнующихся в Денвере, штат Колорадо (известном как «Город на высоте мили»), этот недостаток дыхания компенсируется тем фактом, что пониженное давление и сопротивление позволяют бейсбольному мячу легче двигаться по воздуху.
Если человек вырос в такой высокогорной среде, он, конечно, привыкает дышать в условиях низкого атмосферного давления. В перуанских Андах, например, люди проводят всю свою жизнь на высоте, более чем в два раза превышающей денверскую, но человеку из низкогорной местности следует посещать такие места только после принятия мер предосторожности. На очень больших высотах, конечно, человек не может дышать: поэтому кабины самолетов герметизированы. Большинство самолетов оснащены кислородными масками, которые падают с потолка, если внутри салона происходит перепад давления. Без этих масок все в салоне погибли бы.
КРОВЯНОЕ ДАВЛЕНИЕ.
Еще одним аспектом давления и человеческого организма является кровяное давление. Точно так же, как идеальное зрение 20/20, врачи рекомендуют целевое кровяное давление «120 на 80» — но что это значит? Когда у человека измеряют артериальное давление, на плечо на уровне сердца наматывают надувную манжету. В то же время стетоскоп помещают вдоль артерии в нижней части руки для контроля звука кровотока. Манжета надувается, чтобы остановить кровоток, затем давление высвобождается до тех пор, пока кровь снова не начнет течь, производя булькающий звук в стетоскопе.
Давление, необходимое для остановки кровотока, известно как систолическое давление, которое равно максимальному давлению, создаваемому сердцем. После уменьшения давления на манжету до тех пор, пока кровь не начнет нормально течь, что отражается в прекращении булькающего звука в стетоскопе, вновь измеряется давление в артерии. Это диастолическое давление, или давление, существующее в артерии между ударами сердца. Для здорового человека систолическое давление должно быть 120 торр, а диастолическое давление 80 торр.
ГДЕ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ
“Атмосферное давление: сила, создаваемая весом воздуха” (веб-сайт). (7 апреля 2001 г.).
Бейсер, Артур. Физика, 5-е изд. Чтение, Массачусетс: Addison-Wesley, 1991.
«Кровяное давление» (веб-сайт). (7 апреля 2001 г.).
Кларк, Джон Оуэн Эдвард. Атмосфера. Нью-Йорк: Gloucester Press, 1992.
Кобб, Аллан Б. Супер научные проекты об океанах. New York: Rosen, 2000.
«Физика подводного плавания: урок давления» (веб-сайт). (7 апреля 2001 г.).
Провензо, Юджин Ф. и Астери Бейкер Провензо. 47 простых классических экспериментов. Иллюстрации Питера А. Цорна-младшего. Нью-Йорк: Dover Publications, 1989.
«Понимание атмосферного давления» USA Today (веб-сайт). (7 апреля 2001 г.).
Зубровски, Берни. Воздушные шары: сборка и эксперименты с надувными игрушками. Иллюстрировано Роем Доти. New York: Morrow Junior Books, 1990.
КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ
АТМОСФЕРА:
Мера давления, сокращенно «атм» и равная среднему давлению воздуха на уровне моря. В английских единицах это равно 14,7 фунтов на квадратный дюйм, а в единицах СИ — 101 300 паскалей.
БАРОМЕТР:
Форма прибора для измерения атмосферного давления.
ПЛАВУЧЕСТЬ:
Склонность объекта, погруженного в жидкость, плавать.
ЖИДКОСТЬ:
Любое вещество, будь то газ или жидкость, которое соответствует форме своего сосуда.
МЕХАНИКА ГИДРОИЗОЛЯЦИИ:
Изучение поведения газов и жидкостей в состоянии покоя и в движении.
ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ:
давление, существующее в любом месте тела жидкости из-за веса жидкости над ним.
ПАСКАЛЬ:
Основная СИ или метрическая единица давления, сокращенно «Па» и равная 1 Н/м ² .
ПРИНЦИП ПАСКАЛЯ:
Утверждение, сформулированное французским математиком и физиком Блезом Паскалем (1623-1662), согласно которому внешнее давление, приложенное к жидкости, передается равномерно по всему телу этой жидкости.
ДАВЛЕНИЕ:
Отношение силы к площади поверхности, когда сила приложена в направлении, перпендикулярном этой поверхности.