Жидкости и газы

Давление

При сжатии жидкостей и газов в них возникает давление. Так как это давление распространяется по всему сосуду равномерно, то во всех точках оно будет одинаково. Это давление равно отношению силы F к поверхности давления A и выражается формулой: p = F / A.

Единица измерения давления называется паскаль (Па).

Давление - это отношение силы к поверхности давления

Если мы соединим два цилиндра с разными диаметрами и наполним жидкостью, то получим простейший гидравлический сосуд. Равномерное распределение внешнего давления внутри жидкости используется в гидравлических прессах.

Гидравлический пресс

На пресс малого сосуда с поверхностью A1 действует небольшая сила F1 и в сосуде возникает давление P1. Так как давление в жидкости распределяется равномерно, то оно заставляет подниматься пресс большего сосуда. Давление P1, которое действует на поверхность большего пресса A2, является причиной возникновения силы F2, величина которой пропорциональна величине поверхности большего пресса A2.

Принцип работы гидравлического пресса

Но в этом случае действует закон механики: чем меньше сила, тем больше путь и наоборот.

Отношение сил и расстояний в гидравлическом прессе

Атмосферное давление

Воздух весит намного меньше, чем вода, но, тем не менее, он тоже что-то весит! Над нами находятся воздушные слои атмосферы. Получается, что мы живем на дне воздушного моря, и на каждый квадратный сантиметр поверхности нашего тела атмосфера давит с силой 10 H.

Представим открытую стеклянную трубку в ванне с водой. Воздушное давление как внутри, так и снаружи трубки будет нормальным и равняться примерно 1 бар. Если мы закроем трубку и выкачаем оттуда воздух, то воздушное давление внутри трубки исчезнет. Атмосферное давление снаружи вдавливает воду в трубку. Вода будет подниматься на такую высоту, а именно на 10 метров, пока давление воды и внешнее атмосферное давление не сравняются.

Доказательство существования атмосферного давления

Давление водного столба, высотой примерно 10 метров, будет равно атмосферному давлению в 1 бар. Для ныряльщика это означает, что на глубине 10 метров он будет испытывать общее давление, равное 2 бара, так как атмосферное давление воздуха суммируется с давлением воды. На глубине 20 метров общее давление будет равно 3 бара.

Выталкивающая сила — сила Архимеда

Каждое тело, погруженное в жидкость, выталкивает такое количество жидкости, которое равно объему погруженного тела. Еще 2000 лет назад греческий ученый Архимед установил, что на каждое тело, погруженное в жидкость, действует некоторая сила. Эта сила называется силой Архимеда.

Выталкивающая сила

Сила Архимеда зависит от плотности и объема тела. Если плотность тела больше плотности воды, то сила тяжести больше силы Архимеда, и тело пойдет ко дну.

Если в воду опустить кусок железа, то его сила тяжести покажется очень маленькой. Направленная вверх сила Архимеда Fa будет противодействовать силе тяжести Fg. Эта сила возникает из-за давления воды и равна весу вытесненной телом жидкости.

Если мы поместим в воду кусок железа массой 0,5 кг, то он вытеснит меньше жидкости, чем тело из этого же материала, но большей массы. На тела с одинаковой плотностью, но разного объема будут действовать разные силы Архимеда.

Если опустить в воду кусок золота массой 1 кг, то он вытолкнет меньше жидкости, чем кусок железа такой же массы. Так как кусок золота вытолкнет меньше жидкости, то и сила Архимеда будет меньше.

Если мы поместим в воду деревянный брусок, то он не утонет и будет плавать на поверхности воды. Это объясняется тем, что плотность дерева меньше плотности воды, соответственно сила Архимеда будет больше, чем сила тяжести бруска.

Таким образом, на тело с большим объемом (или меньшей плотностью) действует большая сила Архимеда.

Действие силы Архимеда на тела с разной плотностью и объемом

Инженеры используют закон Архимеда в расчетах при конструировании кораблей и подводных лодок. Чтобы лодка всплыла, воду из балластных камер надо выкачать, тем самым уменьшить среднюю плотность лодки. Для погружения подводной лодки большие балластные камеры заполняются водой. Средняя плотность подлодки, таким образом, станет больше, чем плотность воды — и лодка погрузится, так как действующая на нее сила тяжести станет больше, чем сила Архимеда.

Принцип всплытия и погружения подводной лодки

Аналогичный процесс с газами можно рассмотреть на примере дирижабля, который наполняется газом с плотностью меньшей, чем плотность воздуха. Дирижабль поднимается в небо. А чтобы приземлиться необходимо часть газа стравить в атмосферу.

Принцип полета дирижабля

Физика: