Tlak v tekočini in plinu. Fizikalne lastnosti tekočin in plinov
Predavanje 6. Elementi mehanike tekočin.
Pogl. 6, §28-31
Načrt predavanja
Tlak v tekočini in plinu.
Enačba kontinuitete. Bernoullijeva enačba.
Viskoznost (notranje trenje). Laminarni in turbulentni režimi toka tekočine.
Tlak v tekočini in plinu.
Molekule plina, ki se gibljejo kaotično, so med seboj skoraj ali sploh ne povezane s silami interakcije, zato se prosto gibljejo in se zaradi trkov nagibajo v vse smeri in zapolnijo celotno prostornino, ki jim je na voljo, tj. Prostornina plina je določena s prostornino posode, ki jo plin zaseda.
Tako kot plin tudi tekočina prevzame obliko posode, v kateri je, vendar povprečna razdalja med molekulama ostane skoraj konstantna, zato prostornina tekočine ostane skoraj nespremenjena.
Čeprav se lastnosti tekočin in plinov v mnogih pogledih razlikujejo, je v številnih mehanskih pojavih njihovo obnašanje opisano z istimi parametri in enakimi enačbami. Zato hidroaeromehanika - veja mehanike, ki preučuje gibanje tekočin in plinov, njihovo interakcijo s trdnimi snovmi, ki tečejo okoli njih - uporablja enoten pristop k preučevanju tekočin in plinov.
Glavne naloge sodobne hidroaeromehanike:
ugotavljanje optimalne oblike teles, ki se gibljejo v tekočinah ali plinih;
optimalno profiliranje pretočnih kanalov različnih plinskih in tekočinskih strojev;
izbira optimalnih parametrov samih tekočin in plinov;
študija gibanja atmosferski zrak, morski in oceanski tokovi.
Prispevek domačih znanstvenikov:
Če tanko ploščo postavimo v tekočino v mirovanju, potem deli tekočine, ki se nahajajo na nasprotnih straneh, delujejo na ploščo s silami 
, enak po modulu in usmerjen na mesto S ne glede njeno usmerjenost, saj prisotnost tangencialnih sil bi spravila delce tekočine v gibanje. 
Tlak tekočine- to je fizikalna količina, ki je enaka razmerju normalne sile, ki deluje s strani tekočine na določeno območje na to območje.
1 Pa je enak tlaku, ki ga ustvari sila 1 N, enakomerno porazdeljena po površini, ki je normalna nanjo s površino 1 m 2.
Tlak v ravnovesju tekočin je ubogljiv Pascalov zakon: tlak, ki ga zunanje sile izvajajo na tekočino (ali plin), se prenaša v vse smeri brez sprememb.
hidrostatični tlak
- hidrostatični tlak
Po dobljeni formuli bo tlačna sila na spodnje plasti tekočine večja kot na zgornje, zato na telo, potopljeno v tekočino, deluje vzgonska sila, določena z Arhimedovim zakonom.
Arhimedov zakon: na telo, potopljeno v tekočino (ali plin), deluje vzgonska sila, ki je usmerjena navpično navzgor in je enaka teži tekočine, ki jo telo izpodrine.
dvižna sila imenujemo razlika med vzgonsko silo in gravitacijsko silo.
.
Enačba kontinuitete. Bernoullijeva enačba.
Enačba kontinuitete.
Idealna tekočina- je abstraktna tekočina, ki nima viskoznosti, toplotne prevodnosti, sposobnosti elektrifikacije in magnetizacije.
Takšen približek je dopusten za tekočino z nizko viskoznostjo. Tok tekočine imenujemo stacionaren, če vektor hitrosti v vsaki točki prostora ostane konstanten.
Grafično je gibanje tekočin prikazano s pretočnimi linijami.
L 
pretočne linije tekočine- to so črte, v vsaki točki katerih je vektor hitrosti delcev tekočine usmerjen tangencialno (slika 4).
Pretočne črte so narisane tako, da je število črt, narisanih skozi določeno enoto površine, toka, številčno enako ali sorazmerno s hitrostjo tekočine na tem mestu.
Del tekočine, ki ga omejujejo tokovne črte, se imenuje tokovna cev.
Ker hitrost delcev tekočine je usmerjena tangencialno na stene pretočne cevi, delci tekočine ne zapustijo pretočne cevi, tj. cev - kot toga struktura. Cevi toka se lahko zožijo ali razširijo glede na hitrost tekočine, čeprav bo masa tekočine, ki teče skozi določen odsek, njen pretok, v določenem časovnem obdobju konstantna.
T 
.Za. tekočina je nestisljiva, S 1
in S 2
bo minilo za
t enako maso tekočine (slika 5).
Enačba zveznosti curka ali Eulerjev izrek.
Produkt hitrosti pretoka nestisljive tekočine in površine prečnega prereza iste tokovne cevi je konstanten.
T 
Izrek kontinuitete se pogosto uporablja pri izračunih, povezanih z dovajanjem tekočega goriva v motorje skozi cevi spremenljivega prereza. Odvisnost pretoka od odseka kanala, skozi katerega teče tekočina ali plin, se uporablja pri zasnovi šobe raketnega motorja. Na mestu, kjer se šoba zoži (slika 6), se hitrost produktov zgorevanja, ki iztekajo iz rakete, močno poveča, tlak pa pade, zaradi česar nastane dodatna potisna sila.
Bernoullijeva enačba.
p 
Naj se tekočina giblje v gravitacijskem polju tako, da na dani točki v prostoru ostaneta velikost in smer hitrosti tekočine konstantni. Tak tok imenujemo stacionarni. V mirujoči tekoči tekočini poleg gravitacije delujejo tudi tlačne sile. V mirujočem toku izločimo del cevi toka, ki je omejen s prerezi S 1
in S 2
(slika 7)
V času t se bo ta prostornina premikala vzdolž tokovne cevi in prečnega prereza S 1
se bo po poti premaknil na položaj 1". 
, A S 2
- na položaj 2", po prehodu poti 
. Zaradi kontinuitete curka so dodeljene prostornine (in njihove mase) enake:
, 
.
Energija vsakega tekočega delca je sestavljena iz njegove kinetične in potencialne energije v polju gravitacijskih sil Zemlje. Zaradi stacionarnosti toka prehaja delec t v kateri koli točki nezasenčenega dela obravnavane prostornine ima enako hitrost in zato W Za, ki je imela delec, ki se je v začetnem trenutku nahajal na isti točki. Zato lahko spremembo energije celotne obravnavane prostornine izračunamo kot razliko med energijami zasenčenih prostornin V 1 in V 2 .
Vzemite prerez tokovne cevi in segmente 
tako majhna, da je vsem točkam vsakega od osenčenih volumnov mogoče pripisati enako vrednost hitrosti, tlaka in višine. Potem je dobiček energije:
V idealni tekočini ni trenja, torej W mora biti enako delu, ki ga tlačne sile opravijo na dodeljeni prostornini:
(»-«, ker je usmerjen v nasprotno smer od gibanja 
)
, 
,
,
Skrajšajmo za V in prerazporedite člane:
,
razdelki S 1 in S 2 so bili izbrani poljubno, zato lahko trdimo, da v katerem koli odseku tokovne cevi
(1)
Izraz (1) je Bernoullijeva enačba. V stacionarni idealni tekočini, ki teče vzdolž poljubnega toka, je pogoj (1) izpolnjen.
Za horizontalno racionalizacijo 
,
Bernoullijeva enačba je precej dobro izpolnjena za realne tekočine, v katerih notranje trenje ni zelo veliko.
Znižanje tlaka na mestih, kjer je hitrost pretoka večja, je osnova za zasnovo vodne črpalke.
Sklepi te enačbe se upoštevajo pri izračunu konstrukcij črpalk za sisteme za dovajanje tekočega goriva v motorje.
Viskoznost (notranje trenje). Laminarni in turbulentni režimi toka tekočine.
Sila notranjega trenja.
Viskoznost tekočin in plinov se imenuje njihova lastnost, da se upirajo gibanju nekaterih plasti glede na druge.
Viskoznost je posledica pojava sil notranjega trenja med plastmi gibajočih se tekočin in plinov elektromagnetnega izvora.
pri 
Enačbo hidrodinamike viskozne tekočine je določil Newton leta 1687.
- modul sile notranjega trenja
gradient hitrosti 
prikazuje, kako hitro se spreminja hitrost med prehodom iz plasti v plast v smeri z, pravokotno na smer gibanja plasti.
- viskoznost ali dinamična viskoznost.
fizični pomen -
Vrednost odvisno od molekularne zgradbe snovi in temperature:
Za pline z naraščajočo temperaturo poveča, saj poveča se hitrost gibanja molekul in poveča se njihova interakcija. Posledično se poveča izmenjava molekul med gibljivimi plastmi plina, ki prenašajo gibalno količino iz plasti v plast. Tako se počasne plasti pospešijo, hitre pa upočasnijo, - poveča.
V tekočinah z naraščajočo temperaturo medmolekularna interakcija oslabi in razdalja med molekulami se poveča, - zmanjša.
- koeficient kinematične viskoznosti
.
Viskoznost tekočin in plinov določamo z viskozimetri.
Viskoznost goriva določa hitrost njegovega pretoka skozi cevovod, pa tudi količino prenosa toplote tekočine ali plina na stene cevovoda, torej goriva in hladilnih tekočin se upošteva pri načrtovanju sistemov za oskrbo z gorivom in sistemov za hlajenje motorja.
Režimi laminarnega in turbulentnega toka.
Glede na hitrost toka je lahko tok tekočine ali plina laminaren ali turbulenten.
laminarni tok(latinsko "lamina" - trak) - tok, v katerem se tekočina ali plin premika v plasteh, vzporednih s smerjo toka, in te plasti se med seboj ne mešajo.
Laminarni tok je stacionaren, dogaja se bodisi na velikem
, ali za male 
.
turbulentno tok imenujemo tok, pri katerem se v tekočini (ali plinu) tvorijo številni vrtinci različnih velikosti, zaradi česar se tlak, gostota in hitrost toka zvezno spreminjajo.
Turbulentni tok je nestalen in v praksi prevladuje.
Kot veste, sila gravitacije deluje na vsa telesa na Zemlji: trdna, tekoča in plinasta.
Razmislite o tekočinah. V posodo z gibljivo membrano namesto dna nalijte vodo. Opazujemo, kako se gumijasti film začne povešati. Zlahka je uganiti, da pod vplivom gravitacije teža stebra tekočine pritiska na dno posode. Poleg tega, višja kot je raven vlite tekočine, bolj je gumijasta membrana raztegnjena. Po udrti gumijastega dna se voda ustavi (uravnovesi), saj poleg gravitacije na vodo deluje tudi elastična sila gumijaste membrane, ki uravnava silo pritiska vode na dno.
Razmisli, ali tekočina pritiska na stene posode? Vzemite posodo z luknjami v stranski steni. Vanj nalijemo vodo. In hitro odprite luknje. Opazimo sliko, ki je zelo podobna izkušnji s Pascalovo žogo. Toda hkrati nismo izvajali zunanjega pritiska na tekočino. Za razlago te izkušnje se je treba spomniti na Pascalov zakon.
Vsaka plast tekočine, vsaka molekula s svojo težo pritiska na spodnje plasti. Poleg tega se po Pascalovem zakonu ta pritisk prenaša v vse smeri in enako, v nasprotju s trdnimi snovmi, katerih teža deluje le v eno smer. Torej na spodnje plasti tekočine v posodi deluje velika količina molekul tekočine kot na zgornjih – tlak v spodnjem delu posode je večji. In posledično je pritisk vode iz spodnje luknje veliko večji.
Naredimo še en poskus. V večjo posodo z vodo postavimo bučko s padajočim dnom. Če želite to narediti, najprej trdno pritisnite dno z vrvjo. Ko je plovilo v vodi, lahko spustite vrv. Kaj je tesno pritisnilo dno na valjasto posodo? Dno posode je pritisnilo na stene vodnega tlaka, ki deluje od spodaj navzgor.
Zdaj počasi in previdno začnite dodajati vodo v prazno posodo. Takoj ko se nivoji tekočin v obeh posodah izenačijo, bo dno padlo s posode.
Ker so se sile vodnega tlaka znotraj in zunaj valja izenačile, se bo dno obnašalo enako kot v zraku – takoj ko spustimo vrv, bo dno zaradi gravitacije odpadlo.
V trenutku ločitve steber tekočine v posodi pritisne na dno, pritisk pa se prenaša od spodaj navzgor na dno stebra tekočine enake višine, vendar se nahaja v kozarcu.
Vse te poskuse je mogoče izvesti tudi z drugimi tekočinami. Rezultat bo enak.
Empirično smo ugotovili, da je v tekočini pritisk. Na enaki ravni je enako v vseh smereh. Tlak narašča z globino. Plini imajo tudi težo, kar je razlog za podobne lastnosti prenosa tlaka tekočin in plinov. Vendar ima plin veliko manjšo gostoto kot tekočina. Pogovorimo se o še enem neverjetnem in na videz nemogočem pojavu, ki se imenuje "hidrostatični paradoks". Za prikaz tega pojava uporabimo posebno napravo.
Pri poskusu uporabimo tri posode različne oblike napolnjen s tekočino do enega nivoja. Površina dna vseh posod je enaka in je zaprta z gumijasto membrano. Izlita tekočina raztegne membrano. Upogibanje, gumijasti film pritisne na ročico in odkloni puščico naprave.
Puščica naprave v vseh treh primerih odstopa enako. To pomeni, da je tlak, ki ga ustvarja tekočina, enak in ni odvisen od teže vlite tekočine. To dejstvo imenujemo hidrostatični paradoks. To je razloženo z dejstvom, da bo tekočina, za razliko od trdnih snovi, del pritiska prenesla tudi na stene posod.
Tlak v tekočini in plinu.
Plin pritiska na stene posode, v kateri je zaprt. Če rahlo napihnjen balon postavite pod stekleni zvon in izpod njega izčrpajte zrak, se bo balon napihnil. Kaj se je zgodilo? Zunaj zračnega pritiska skoraj ni, zračni tlak v balonu je povzročil, da se je ta razširil. Zaključek : plin izvaja pritisk.
Dokažimo obstoj tlaka v tekočini.
V epruveto, katere dno je prekrito z gumijasto folijo, nalijemo vodo. Film je upognjen. Zakaj? Upogiba se pod težo stebra tekočine. Zato ta poskus potrjuje obstoj tlaka v tekočini. Film se preneha upogibati. Zakaj? Ker je elastična sila gumijastega filma uravnotežena s silo gravitacije, ki deluje na vodo. Če povečamo stolpec tekočine, kaj se bo zgodilo? Višji kot je stolpec tekočine, bolj se film povesi.
Zaključek : v tekočini je pritisk.
Kako je tlak plina razložen na podlagi teorije gibanja molekul?
Tlak plina in tekočine na stene posode povzročajo udarci molekul plina ali tekočine.
Kaj določa tlak v tekočini in plinu?
odvisno od tlaka od vrste tekočine ali plina; od njihove temperature . Pri segrevanju se molekule premikajo hitreje in močneje udarijo ob steno posode.
Kaj še določa pritisk v njih?
Zakaj se raziskovalci oceanov in morskih globin ne morejo potopiti na dno brez posebnih naprav: batiskafov, batisfer?
Prikazuje kozarec vode. Na tekočino deluje sila gravitacije. Vsaka plast s svojo težo ustvarja pritisk na druge plasti.
Za odgovor na vprašanje: od česa je še odvisen tlak v tekočini ali plinu, bomo ugotovili empirično.
(U učenci so razdeljeni v 4 skupine, pri čemer eksperimentalno preverijo naslednje odgovore na vprašanja):
1. Ali je tlak tekočine na isti ravni od spodaj navzgor in od zgoraj navzdol enak?
2. ali obstaja pritisk stransko steno plovilo?
3. Ali je tlak tekočine odvisen od njene gostote?
4. Ali je tlak tekočine odvisen od višine stolpca tekočine?
Naloga 1. skupina
Ali je tlak tekočine na isti ravni od spodaj navzgor in od zgoraj navzdol enak?
V epruveto nalijemo obarvano vodo. Zakaj je film upognjen?
Epruveto pomočite v posodo z vodo.
Opazujte obnašanje gumijastega filma.
Kdaj se je film popravil?
Naredite zaključek: ali je v tekočini tlak, ali je tlak tekočine enak na isti ravni od zgoraj navzdol in od spodaj navzgor? Zapišite.
Naloga 2. skupina
Ali obstaja pritisk na stransko steno posode in ali je enak na isti višini?
Napolnite steklenico z vodo.
Hkrati odprite luknje.
Opazujte, kako voda teče iz lukenj.
Naredite zaključek: ali obstaja pritisk na stransko steno, ali je enak na isti ravni?
Naloga 3. skupina
Ali je tlak tekočine odvisen od višine stebra (globine)?
Napolnite steklenico z vodo.
Hkrati odprite vse luknje v steklenici.
Sledite curkom tekoče vode.
Zakaj voda pušča?
Ugotovite: ali je tlak v tekočini odvisen od globine?
Naloga 4. skupina
Ali je tlak odvisen od gostote tekočine?
V eno epruveto nalijemo vodo, v drugo pa sončnično olje v enakih količinah.
Ali se filmi upogibajo na enak način?
Naredite zaključek: zakaj filmi padajo; Ali je tlak tekočine odvisen od njene gostote?
V kozarce nalijemo vodo in olje.
Gostota čisto vodo- 1000 kg / m 3. sončnično olje- 930 kg / m 3.
Sklepi.
1
. V tekočini je pritisk.
2
. Na enaki ravni je enako v vseh smereh.
3
. Večja kot je gostota tekočine, večji je njen tlak.
4 . Tlak narašča z globino.
5 . Tlak narašča z naraščajočo temperaturo.
Vaše sklepe bomo potrdili še z več poskusi.
Izkušnja 1.
Izkušnja 2.Če tekočina miruje in je v ravnovesju, ali bo tlak enak na vseh točkah v tekočini? V notranjosti tekočine tlak ne sme biti enak na različnih ravneh. Na vrhu - najmanjši, na sredini - povprečni, na dnu - največji.
Tlak tekočine je odvisen samo od gostote in višine stolpca tekočine.
Tlak v tekočini se izračuna po formuli:
str = gph ,
Kjeg= 9,8 N/kg (m/s 2)- pospešek prosti pad; ρ- gostota tekočine;h- višina stolpca tekočine (globina potopitve).
Torej, da bi našli tlak, morate gostoto tekočine pomnožiti s pospeškom zaradi težnosti in višino stolpca tekočine.
Pri plinih je gostota mnogokrat manjša od gostote tekočin. Zato je teža plinov v posodi majhna in njen utežni tlak lahko zanemarimo. Ampak če pogovarjamo se o velikih masah in prostorninah plinov, na primer v ozračju, potem postane opazna odvisnost tlaka od višine.
Pascalov zakon.
Z nekaj sile bomo prisilili bat, da nekoliko vstopi v posodo in stisne plin neposredno pod njo. Kaj se bo zgodilo z delci plina?
Delci se pod batom usedejo tesneje kot prej .
Kaj mislite, da se bo zgodilo naslednje? Zaradi mobilnosti plina se bodo delci premikali v vse smeri. Posledično bo njihova razporeditev ponovno postala enakomerna, vendar bolj gosta kot prej. Zato se bo tlak plina povsod povečal in povečalo se bo število udarcev v stene posode. Ko se bo širil, se bo krčil.
Dodaten tlak se je prenesel na vse delce plina. Če se tlak plina v bližini samega bata poveča za 1 Pa, se bo na vseh točkah v plinu povečal za enako količino.
Eksperimentirajte: votla krogla z ozkimi luknjicami, pritrjena na cev z batom. Napolni kroglo z vodo in potisni bat v cev. Kaj gledaš? IN Voda bo enakomerno tekla iz vseh lukenj.
Če pritisnete na plin ali tekočino, se bo povečanje tlaka "čutilo" na vsaki točki tekočine ali plina, tj. tlak, ki nastane na plin, se prenaša na katero koli točko enako v vse smeri. To trditev imenujemo Pascalov zakon.
Pascalov zakon: tekočine in plini enakomerno prenašajo pritisk nanje v vse smeri.
Ta zakon je v 17. stoletju odkril francoski fizik in matematik Blaise Pascal (1623-1662), ki je odkril in raziskal vrsto pomembne lastnosti tekočine in plini. Izkušnje so potrdile obstoj zračni tlak, ki ga je odkril italijanski znanstvenik Torricelli.
Učinek Pascalovega zakona v življenju:
= v sferični obliki milni mehurčki(zračni tlak znotraj mehurčka se prenaša v vse smeri brez sprememb);
Tuš, zalivalka;
Ko nogometaš udari žogo;
V avtomobilski pnevmatiki (ko je napolnjena, je povečanje tlaka opazno v celotni pnevmatiki);
V balonu...
Torej, upoštevali smo prenos tlaka s tekočinami in plini. Tlak, ki deluje na tekočino ali plin, se prenaša na katero koli točko enako v vse smeri.
Zakaj so stisnjeni plini v posebnih jeklenkah?
Stisnjeni plini izvajajo ogromen pritisk na stene posode, zato jih je treba zapreti v posebne jeklenke iz močnega jekla.
Tako se lahko za razliko od trdnih snovi posamezne plasti in majhni delci tekočine in plina prosto gibljejo drug glede na drugega v vse smeri.
Pascalov zakon ugotavlja široka uporaba in v tehnologiji:
= ogrevalni sistem: zahvaljujoč tlaku se voda enakomerno segreje ;
Pnevmatski stroji in orodja,
Peskalniki(za čiščenje in stenska poslikava),
pnevmatska zavora,
Dvigalka, hidravlična stiskalnica, odpira vrata vagonov podzemne železnice in trolejbusov s stisnjenim zrakom.
Molekule plina, ki se naključno, kaotično gibljejo, niso vezane ali zelo šibko vezane z interakcijskimi silami, zato se gibljejo prosto in se zaradi trkov nagibajo k razpršitvi v vse smeri in zapolnijo celotno prostornino, ki jim je na voljo, tj. prostornina plina je določena s prostornino posode, ki jo plin sprejme.
Tako kot plin ima tekočina obliko posode, v kateri je zaprta. Toda v tekočinah, za razliko od plinov, povprečna razdalja med molekulami ostane skoraj konstantna, zato ima tekočina skoraj konstanten volumen.
Čeprav se lastnosti tekočin in plinov v mnogih pogledih razlikujejo, je pri številnih mehanskih pojavih njihovo obnašanje določeno z istimi parametri in identičnimi enačbami. Zato hidroaeromehanika - veja mehanike, ki preučuje ravnotežje in gibanje tekočin in plinov, njihovo interakcijo med njimi in trdnimi snovmi, ki jih obkrožajo - uporablja enoten pristop za preučevanje tekočin in plinov.
V mehaniki se tekočine in plini z visoko stopnjo natančnosti obravnavajo kot neprekinjeni, neprekinjeno porazdeljeni v delu prostora, ki ga zasedajo. Gostota tekočine je malo odvisna od tlaka. Gostota plinov je močno odvisna od tlaka. Iz izkušenj je znano, da lahko stisljivost tekočine in plina pri številnih problemih zanemarimo in uporabimo enoten koncept nestisljive tekočine. - tekočina, katere gostota je povsod enaka in se s časom ne spreminja.
Če tanko ploščo postavimo v tekočino v mirovanju, potem deli tekočine, ki se nahajajo vzdolž različne strani iz njega, bo deloval na vsak njegov element Δ S s silami Δ, ki bodo ne glede na to, kako je plošča usmerjena, enake v absolutni vrednosti in usmerjene pravokotno na površino Δ S, saj bi prisotnost tangencialnih sil spravila delce tekočine v gibanje.
Fizikalna količina, določena z normalno silo F n, ki deluje s strani tekočine na enoto površine, se imenuje pritisk tekočina ( p = F n/ S).
Enota za tlak je Pascal (Pa): 1 Pa je enak tlaku, ki ga ustvari sila 1 N, enakomerno porazdeljena po površini 1 m 2, ki je normalna nanjo.
Nesistemske enote tlaka so 1 bar = 10 5 Pa, 1 fizična atmosfera (1 atm = 760 mm Hg, kjer je 1 mm Hg = 133 Pa).
Tlak v ravnovesju tekočin (plinov) uboga Pascalov zakon: tlak na katerem koli mestu mirujoče tekočine je enak v vseh smereh, tlak pa se enakomerno prenaša po vsej prostornini, ki jo zavzema mirujoča tekočina.
Razmislimo, kako teža tekočine vpliva na porazdelitev tlaka znotraj nestisljive tekočine v mirovanju. Ko je tekočina v ravnotežju, je vodoravni tlak vedno enak, sicer ravnotežja ne bi bilo. Zato je prosta površina tekočine v mirovanju vedno vodoravna stran od sten posode. Če je tekočina nestisljiva, je njena gostota neodvisna od tlaka. Nato za prerez S stolpca tekočine njegova višina h in gostoto ρ utež P = ρgSh, in pritisk na spodnjo podlago
p = P/S = ρgSh/S = ρgh, (6.1)
tlak se spreminja linearno z nadmorsko višino. Pritisk ρgh klical hidrostatični tlak.
Po formuli (6.1) bo tlačna sila na spodnje plasti tekočine večja kot na zgornje, zato na telo, potopljeno v tekočino, deluje vzgonska sila, ki jo določa Arhimedov zakon: na telo, potopljeno v tekočino (plin), deluje iz te tekočine vzgonska sila navzgor, enaka teži tekočine (plina), ki jo je telo izpodrinilo:
F A = ρgV,
Kje ρ je gostota tekočine, V- prostornina telesa, potopljenega v tekočino.
Enačba kontinuitete
Gibanje tekočin se imenuje tok,
in niz delcev gibljive tekočine - tok. Grafično je gibanje tekočin prikazano z uporabo trenutne vrstice,
ki so narisane tako, da tangente nanje kmalu sovpadajo po smeri z vektorjem 
tekočine na ustreznih točkah v prostoru (slika 6.1). Pretočne črte so narisane tako, da je njihova gostota, ki jo označuje razmerje med številom črt in površino nanje pravokotne površine, skozi katero tečejo, večja tam, kjer je večja hitrost toka tekočine, in manj tam, kjer tekočina teče počasneje. Tako lahko glede na vzorec tokovnih linij ocenimo smer in modul hitrosti na različnih točkah v prostoru, tj. lahko določimo stanje gibanja tekočine. Linije pretoka v tekočini je mogoče "razkriti", na primer tako, da vanjo vmešamo kakršne koli opazne suspendirane delce.
Del tekočine, ki ga omejujejo tokovne črte, se imenuje tokovna cev. Tok tekočine se imenuje ustanovljena(oz stacionarni), če se oblika in lokacija tokovnih linij ter vrednosti hitrosti na vsaki njeni točki ne spreminjajo s časom. Razmislite o kateri koli tokovni cevi. Izberemo dva njegova dela S 1 in S 2 , pravokotno na smer hitrosti (slika 6.2).
V času Δ t skozi razdelek S prostornina pretoka tekočine SυΔ t; torej v 1s skozi S 1 bo prenesel prostornino tekočine S 1 υ
1 ,
Kje υ
1 -
S 1. Skozi razdelek S 2 za 1 s bo prešlo prostornino tekočine S 2 υ
2 ,
Kje υ
2 -
hitrost pretoka tekočine v preseku S 2 .
Pri tem se predpostavlja, da je hitrost tekočine v preseku konstantna. Če je tekočina nestisljiva ( ρ
= const), nato skozi odsek S 2 bo pretekla enaka prostornina tekočine kot skozi odsek S 1, tj.
S 1 υ 1 = S 2 υ 2 = konst . (6.2)
Zato je zmnožek hitrosti toka nestisljive tekočine in preseka tokovne cevi konstantna vrednost za to tokovno cev. Relacija (6.2) se imenuje enačba kontinuitete za nestisljivo tekočino.
Človek na smučeh in brez njih.
Po ohlapnem snegu človek hodi zelo težko in se na vsakem koraku globoko pogreza. Toda, ko si je nadel smuči, lahko hodi, skoraj ne da bi padel vanje. Zakaj? Na smučeh ali brez smuči človek deluje na sneg z enako silo, ki je enaka lastni teži. Vendar je učinek te sile v obeh primerih različen, saj je površina, na katero človek pritiska, različna, s smučmi in brez njih. Površina smuči je skoraj 20-krat večja več območja podplati. Človek torej, ko stoji na smučeh, deluje na vsak kvadratni centimeter snežne površine z 20-krat manjšo silo, kot če stoji na snegu brez smuči.
Učenec, ki pripne časopis na tablo z gumbi, deluje na vsak gumb z enako silo. Vendar je gumb z ostrejšim koncem lažje vnesti v drevo.
To pomeni, da rezultat delovanja sile ni odvisen samo od njegovega modula, smeri in točke uporabe, temveč tudi od površine površine, na katero deluje (pravokotno, na katero deluje).
To ugotovitev potrjujejo fizični poskusi.
Izkušnje Rezultat te sile je odvisen od tega, kakšna sila deluje na enoto površine.
Žeblje je treba zabiti v vogale majhne plošče. Žeblje, zabite v desko, najprej položimo na pesek s konicami navzgor in na desko položimo utež. Glavice žebljev v tem primeru le rahlo vtisnemo v pesek. Nato desko obrnite in na konico zataknite žeblje. V tem primeru je površina podpore manjša in pod delovanjem iste sile gredo žeblji globoko v pesek.
Izkušnje. Druga ilustracija.
Rezultat delovanja te sile je odvisen od tega, katera sila deluje na posamezno enoto površine.
V obravnavanih primerih so sile delovale pravokotno na površino telesa. Teža osebe je bila pravokotna na površino snega; sila, ki deluje na gumb, je pravokotna na površino plošče.
vrednost, enako razmerju sila, ki deluje pravokotno na površino, na območje te površine, se imenuje tlak.
Za določitev tlaka je treba silo, ki deluje pravokotno na površino, deliti s površino:
tlak = sila / površina.
Označimo količine, vključene v ta izraz: tlak - str, sila, ki deluje na površino, - F in površino S.
Nato dobimo formulo:
p = F/S
Jasno je, da bo večja sila, ki deluje na isto površino, povzročila večji pritisk.
Enota tlaka je tlak, ki povzroči silo 1 N, ki deluje na površino 1 m 2 pravokotno na to površino..
Enota tlaka - newton per kvadratni meter (1 N/m 2). V čast francoskemu znanstveniku Blaise Pascal imenuje se pascal oče). torej
1 Pa = 1 N / m 2.
Uporabljajo se tudi druge tlačne enote: hektopaskal (hPa) In kilopaskal (kPa).
1 kPa = 1000 Pa;
1 hPa = 100 Pa;
1 Pa = 0,001 kPa;
1 Pa = 0,01 hPa.
Zapišimo pogoj naloge in jo rešimo.
dano : m = 45 kg, S = 300 cm 2; p = ?
V enotah SI: S = 0,03 m 2
rešitev:
str = F/S,
F = p,
p = g m,
p= 9,8 N 45 kg ≈ 450 N,
str\u003d 450 / 0,03 N / m 2 \u003d 15000 Pa \u003d 15 kPa
"Odgovor": p = 15000 Pa = 15 kPa
Načini za zmanjšanje in povečanje pritiska.
Težki traktor z gosenicami proizvaja pritisk na tla 40-50 kPa, kar je le 2-3 krat več kot pritisk dečka, ki tehta 45 kg. Teža traktorja je namreč zaradi goseničnega pogona razporejena na večjo površino. In to smo ugotovili večja kot je površina opore, manjši je pritisk, ki ga ista sila povzroči na to oporo .
Odvisno od tega, ali potrebujete majhen ali velik pritisk, se površina podpore poveča ali zmanjša. Na primer, da bi tla zdržala pritisk postavljene stavbe, se poveča površina spodnjega dela temeljev.
Pnevmatike tovorna vozila in podvozje letal je veliko širše kot pri osebnih avtomobilih. Posebej široke pnevmatike so izdelane za avtomobile, namenjene vožnji po puščavah.
Težki stroji, kot so traktor, tank ali močvirje, ki imajo veliko nosilno površino gosenic, prehajajo po močvirnem terenu, skozi katerega človek ne more.
Po drugi strani pa je z majhno površino mogoče ustvariti velik pritisk z majhno silo. Na primer, s pritiskom gumba na ploščo delujemo nanj s silo približno 50 N. Ker je površina konice gumba približno 1 mm 2, je tlak, ki ga proizvaja, enak:
p \u003d 50 N / 0,000001 m 2 \u003d 50.000.000 Pa \u003d 50.000 kPa.
Za primerjavo, ta pritisk je 1000-krat večji od pritiska traktorja z gosenicami na tla. Še veliko takih primerov je mogoče najti.
Rezilo rezalnih in prebadajočih orodij (nožev, škarij, rezalnikov, žag, igel itd.) je posebej nabrušeno. Nabrušen rob ostrega rezila ima majhno površino, zato že majhna sila ustvari velik pritisk, delo s takim orodjem pa je enostavno.
Naprave za rezanje in prebadanje najdemo tudi v divjih živalih: to so zobje, kremplji, kljuni, konice itd. - vsi so iz trden material, gladko in zelo ostro.
Pritisk
Znano je, da se molekule plina gibljejo naključno.
Vemo že, da plini za razliko od trdnih snovi in tekočin zapolnijo celotno posodo, v kateri se nahajajo. Na primer, jeklena jeklenka za shranjevanje plinov, komora avtomobilska guma ali odbojko. V tem primeru plin pritiska na stene, dno in pokrov jeklenke, komore ali katerega koli drugega telesa, v katerem se nahaja. Tlak plina je posledica drugih vzrokov kot pritisk trdno telo na nosilcu.
Znano je, da se molekule plina gibljejo naključno. Med gibanjem trčijo med seboj, pa tudi ob stene posode, v kateri se nahaja plin. V plinu je veliko molekul, zato je število njihovih udarcev zelo veliko. Na primer, število udarcev molekul zraka v prostoru na površino 1 cm 2 v 1 s izrazimo s triindvajsetim mestnim številom. Čeprav je udarna sila posamezne molekule majhna, je delovanje vseh molekul na stene posode pomembno – ustvarja tlak plina.
Torej, tlak plina na stene posode (in na telo v plinu) nastane zaradi udarcev molekul plina .
Razmislite o naslednji izkušnji. Pod zvon zračne črpalke postavite gumijasto žogo. Vsebuje majhno količino zraka in je nepravilne oblike. Nato s črpalko izčrpamo zrak izpod zvona. Lupina krogle, okoli katere je zrak vedno bolj redek, postopoma nabrekne in dobi obliko pravilne krogle.
Kako razložiti to izkušnjo?
Za shranjevanje in transport stisnjenega plina se uporabljajo posebne trpežne jeklenke.
V našem poskusu premikajoče se molekule plina neprestano udarjajo ob stene žoge znotraj in zunaj. Ko se zrak izčrpa, se število molekul v zvonu okrog lupine krogle zmanjša. Toda znotraj žoge se njihovo število ne spremeni. Zato postane število udarcev molekul na zunanje stene lupine manjše od števila udarcev na notranje stene. Balon napihnemo, dokler sila elastičnosti njegovega gumijastega ovoja ne postane enaka sili tlaka plina. Lupina žoge dobi obliko krogle. To kaže, da plin pritiska na njene stene enako v vseh smereh. Z drugimi besedami, število molekularnih udarcev na kvadratni centimeter površine je enako v vseh smereh. Za plin je značilen enak pritisk v vseh smereh in je posledica naključnega gibanja ogromnega števila molekul.
Poskusimo zmanjšati prostornino plina, vendar tako, da njegova masa ostane nespremenjena. To pomeni, da v vsakem kubični centimeter bo več molekul plina, gostota plina se bo povečala. Potem se bo povečalo število udarcev molekul na stene, to je, povečal se bo tlak plina. To lahko potrdijo izkušnje.
Na sliki A Prikazana je steklena cev, katere en konec je prekrit s tanko gumijasto folijo. V cev je vstavljen bat. Ko potisnemo bat, se prostornina zraka v cevi zmanjša, to pomeni, da se plin stisne. Gumijasti film se izboči navzven, kar pomeni, da se je zračni tlak v cevi povečal.
Nasprotno, s povečanjem prostornine iste mase plina se število molekul v vsakem kubičnem centimetru zmanjša. To bo zmanjšalo število udarcev v stene posode - pritisk plina bo postal manjši. Dejansko, ko se bat izvleče iz cevi, se volumen zraka poveča, film se upogne znotraj posode. To kaže na zmanjšanje zračnega tlaka v cevi. Enake pojave bi opazili, če bi bil namesto zraka v cevi kakšen drug plin.
Torej, ko se prostornina plina zmanjša, se njegov tlak poveča, ko se prostornina poveča, pa se tlak zmanjša, če ostaneta masa in temperatura plina nespremenjeni.
Kako se spremeni tlak plina, ko ga segrejemo na stalen volumen? Znano je, da se hitrost gibanja molekul plina pri segrevanju poveča. Če se premikajo hitreje, bodo molekule pogosteje udarjale ob stene posode. Poleg tega bo vsak udarec molekule na steno močnejši. Zaradi tega bodo stene posode občutile večji pritisk.
torej Tlak plina v zaprti posodi je tem večji, čim višja je temperatura plina, pod pogojem, da se masa plina in prostornina ne spremenita.
Iz teh poskusov je mogoče sklepati, da tlak plina je tem večji, čim pogosteje in močneje se molekule zaletavajo v stene posode .
Za shranjevanje in transport plinov so visoko stisnjeni. Hkrati se njihov tlak poveča, pline je treba zapreti v posebne, zelo trpežne jeklenke. Takšne jeklenke na primer vsebujejo stisnjen zrak v podmornicah, kisik, ki se uporablja pri varjenju kovin. Seveda se moramo tega vedno spominjati plinske jeklenke ne morejo segrevati, še posebej, če so napolnjene s plinom. Ker, kot že razumemo, lahko pride do eksplozije z zelo neprijetnimi posledicami.
Pascalov zakon.
Tlak se prenaša na vsako točko tekočine ali plina.
Pritisk bata se prenaša na vsako točko tekočine, ki polni kroglo.
Zdaj plin.
Za razliko od trdnih snovi se lahko posamezne plasti in majhni delci tekočine in plina prosto gibljejo drug glede na drugega v vse smeri. Dovolj je, da na primer rahlo pihnete na površino vode v kozarcu, da se voda premakne. Na reki ali jezeru se ob najmanjšem vetriču pojavi valovanje.
To pojasnjuje mobilnost plinastih in tekočih delcev pritisk, ki nastane na njih, se ne prenaša le v smeri sile, ampak na vsako točko. Razmislimo o tem pojavu podrobneje.
Na sliki, A upodobljena je posoda s plinom (ali tekočino). Delci so enakomerno porazdeljeni po posodi. Posodo zapira bat, ki se lahko premika gor in dol.
Z uporabo sile naredimo, da se bat premakne nekoliko navznoter in stisnemo plin (tekočino) neposredno pod njim. Nato se bodo delci (molekule) na tem mestu nahajali bolj gosto kot prej (slika, b). Zaradi mobilnosti plina se bodo delci premikali v vse smeri. Posledično bo njihova razporeditev ponovno postala enakomerna, vendar bolj gosta kot prej (slika c). Zato se bo tlak plina povsod povečal. To pomeni, da se dodaten pritisk prenese na vse delce plina ali tekočine. Torej, če se tlak na plin (tekočino) v bližini samega bata poveča za 1 Pa, potem na vseh točkah znotraj tlak plina ali tekočine bo večji kot prej za enako količino. Tlak na stene posode, na dno in na bat se bo povečal za 1 Pa.
Tlak, ki deluje na tekočino ali plin, se prenaša na katero koli točko enako v vse smeri .
Ta izjava se imenuje Pascalov zakon.
Na podlagi Pascalovega zakona je enostavno razložiti naslednje poskuse.
Slika prikazuje votlo kroglo z različna mesta majhne luknje. Na kroglo je pritrjena cev, v katero je vstavljen bat. Če v kroglo potegneš vodo in potisneš bat v cev, bo voda tekla iz vseh lukenj v krogli. Pri tem poskusu bat pritiska na površino vode v cevi. Delci vode pod batom, kondenzirajo, prenašajo svoj pritisk na druge globlje ležeče plasti. Tako se pritisk bata prenese na vsako točko tekočine, ki polni kroglo. Posledično se del vode potisne iz krogle v obliki enakih tokov, ki tečejo iz vseh lukenj.
Če je krogla napolnjena z dimom, potem ko bat potisnemo v cev, bodo iz vseh lukenj v krogli začeli izhajati enaki tokovi dima. To potrjuje, da in plini enakomerno prenašajo pritisk, ki nanje nastane, v vse smeri.
Tlak v tekočini in plinu.
Pod težo tekočine bo gumijasto dno v cevi povešeno.
Na tekočine, tako kot na vsa telesa na Zemlji, deluje gravitacijska sila. Zato vsaka plast tekočine, nalita v posodo, s svojo težo ustvarja pritisk, ki se po Pascalovem zakonu prenaša v vse smeri. Zato je v tekočini pritisk. To je mogoče preveriti z izkušnjami.
V stekleno cevko, katere spodnja luknja je zaprta s tanko gumijasto folijo, nalijemo vodo. Pod težo tekočine se bo dno cevi upognilo.
Izkušnje kažejo, da višji kot je vodni stolpec nad gumijastim slojem, bolj se povesi. Toda vsakič, ko se gumijasto dno povesi, voda v cevi pride v ravnovesje (ustavi se), saj poleg gravitacije na vodo deluje še elastična sila raztegnjenega gumijastega filma.
Sile, ki delujejo na gumijasti film |
sta na obeh straneh enaka. |
Ilustracija.
Dno se odmakne od valja zaradi pritiska nanj zaradi gravitacije.
V drugo, širšo posodo z vodo spustimo cev z gumijastim dnom, v katero nalijemo vodo. Videli bomo, da se s spuščanjem cevi gumijasti film postopoma poravna. Popolna ravnanje filma kaže, da sta sili, ki delujeta nanj od zgoraj in od spodaj, enaki. Popolna ravnanje filma se zgodi, ko nivoji vode v cevi in posodi sovpadajo.
Isti poskus lahko izvedemo s cevjo, v kateri gumijasta folija zapira stransko odprtino, kot je prikazano na sliki a. To cev z vodo potopite v drugo posodo z vodo, kot je prikazano na sliki, b. Opazili bomo, da se film ponovno zravna takoj, ko sta ravni vode v cevi in posodi enaki. To pomeni, da so sile, ki delujejo na gumijasto folijo, enake z vseh strani.
Vzemite posodo, katere dno lahko odpade. Damo ga v kozarec vode. V tem primeru bo dno tesno pritisnjeno na rob posode in ne bo padlo. Nanj pritiska sila vodnega pritiska, usmerjena od spodaj navzgor.
V posodo bomo previdno nalivali vodo in opazovali njeno dno. Takoj ko se nivo vode v posodi ujema z nivojem vode v kozarcu, bo padel stran od posode.
V trenutku ločitve steber tekočine v posodi pritisne na dno, pritisk pa se prenaša od spodaj navzgor na dno stebra tekočine enake višine, vendar se nahaja v kozarcu. Oba tlaka sta enaka, vendar se dno odmakne od cilindra zaradi delovanja nanj lastne moči gravitacija.
Poskusi z vodo so bili opisani zgoraj, če pa namesto vode vzamemo katero koli drugo tekočino, bodo rezultati poskusa enaki.
Torej, poskusi to kažejo v notranjosti tekočine je tlak in na isti ravni je enak v vseh smereh. Tlak narašča z globino.
Plini se v tem pogledu ne razlikujejo od tekočin, ker imajo tudi težo. Ne smemo pa pozabiti, da je gostota plina stokrat manjša od gostote tekočine. Teža plina v posodi je majhna in v mnogih primerih lahko njegov "težni" tlak zanemarimo.
Izračun tlaka tekočine na dno in stene posode.
Izračun tlaka tekočine na dno in stene posode.
Razmislite, kako lahko izračunate pritisk tekočine na dno in stene posode. Najprej rešimo nalogo za posodo, ki ima obliko pravokotnega paralelepipeda.
Sila F, s katero tekočina, nalita v to posodo, pritiska na njeno dno, je enaka teži p tekočino v posodi. Težo tekočine lahko določimo tako, da poznamo njeno maso. m. Maso, kot veste, lahko izračunate po formuli: m = ρ V. Prostornino tekočine, ki smo jo vlili v posodo, ki smo jo izbrali, je enostavno izračunati. Če višino stolpca tekočine v posodi označimo s črko h, in območje dna posode S, To V = S h.
Tekoča masa m = ρ V, oz m = ρ S h .
Teža te tekočine P = gm, oz P = g ρ S h.
Ker je teža stebra tekočine enaka sili, s katero tekočina pritiska na dno posode, potem delimo težo p Na trg S, dobimo tlak tekočine str:
p = P/S ali p = g ρ S h/S,
Dobili smo formulo za izračun tlaka tekočine na dno posode. Iz te formule je razvidno, da tlak tekočine na dnu posode je odvisen le od gostote in višine stolpca tekočine.
Zato je po izpeljani formuli mogoče izračunati tlak tekočine, ki se vlije v posodo katerikoli obliki(Strogo gledano je naš izračun primeren le za posode, ki imajo obliko ravne prizme in valja. Pri tečajih fizike za inštitut je bilo dokazano, da formula velja tudi za posodo poljubne oblike). Poleg tega se lahko uporablja za izračun pritiska na stene posode. Tlak v tekočini, vključno s pritiskom od spodaj navzgor, se prav tako izračuna po tej formuli, saj je tlak na isti globini enak v vseh smereh.
Pri izračunu tlaka po formuli p = gph potrebujejo gostoto ρ izraženo v kilogramih na kubični meter(kg / m 3) in višino stolpca tekočine h- v metrih (m), g\u003d 9,8 N / kg, potem bo tlak izražen v paskalih (Pa).
Primer. Določite tlak olja na dnu rezervoarja, če je višina oljnega stebra 10 m in njegova gostota 800 kg/m 3 .
Zapišimo pogoj naloge in ga zapišimo.
dano :
ρ \u003d 800 kg / m 3
rešitev :
p = 9,8 N/kg 800 kg/m 3 10 m ≈ 80.000 Pa ≈ 80 kPa.
Odgovori : p ≈ 80 kPa.
Komunikacijske posode.
Komunikacijske posode.
Slika prikazuje dve posodi, ki sta med seboj povezani z gumijasto cevjo. Takšna plovila se imenujejo komuniciranje. Zalivalka, čajnik, lonček za kavo so primeri sklenjenih posod. Iz izkušenj vemo, da voda, ki jo nalijemo na primer v zalivalko, vedno stoji na isti ravni v izlivu in v notranjosti.
Komunikacijske posode so nam običajne. Na primer, lahko je čajnik, zalivalka ali lonček za kavo. |
Površine homogene tekočine so nameščene na isti ravni v sorodnih posodah katere koli oblike. |
Tekočine različnih gostot. |
S povezanimi posodami je mogoče izvesti naslednji preprost poskus. Na začetku poskusa vpnemo gumijasto cev na sredino in v eno od cevi nalijemo vodo. Nato odpremo objemko in voda v hipu teče v drugo cev, dokler nista vodni površini v obeh ceveh na isti ravni. Eno od cevi lahko pritrdite na stojalo, drugo dvignete, spustite ali nagnete v različne smeri. In v tem primeru, takoj ko se tekočina umiri, se bo njena raven v obeh ceveh izenačila.
V povezanih posodah katere koli oblike in preseka so površine homogene tekočine nastavljene na isti ravni(pod pogojem, da je zračni tlak nad tekočino enak) (slika 109).
To je mogoče utemeljiti na naslednji način. Tekočina miruje, ne da bi se premikala iz ene posode v drugo. To pomeni, da sta tlaka v obeh posodah enaka na kateri koli ravni. Tekočina v obeh posodah je enaka, to pomeni, da ima enako gostoto. Zato morajo biti tudi njegove višine enake. Ko dvignemo eno posodo ali vanjo dodamo tekočino, se tlak v njej poveča in tekočina se premika v drugo posodo, dokler se tlaka ne uravnovesita.
Če v eno od povezanih posod vlijemo tekočino ene gostote, v drugo pa drugo gostoto, potem v ravnotežju ravni teh tekočin ne bodo enake. In to je razumljivo. Vemo, da je tlak tekočine na dno posode premo sorazmeren z višino stebra in gostoto tekočine. In v tem primeru bo gostota tekočin drugačna.
Pri enakih tlakih bo višina stolpca tekočine z večjo gostoto manjša višina stolpec tekočine z manjšo gostoto (sl.).
Izkušnje. Kako določiti maso zraka.
Zračna teža. Atmosferski tlak.
obstoj atmosferskega tlaka.
Atmosferski tlak je večji od tlaka redkega zraka v posodi.
Sila gravitacije deluje na zrak, pa tudi na katero koli telo na Zemlji, zato ima zrak težo. Težo zraka je enostavno izračunati, če poznamo njegovo maso.
Z izkušnjami bomo pokazali, kako izračunamo maso zraka. Če želite to narediti, morate vzeti močno steklena posoda z zamaškom in gumijasto cevjo s spono. Iz njega s črpalko izčrpamo zrak, cev vpnemo s spono in uravnotežimo na tehtnici. Nato odprite objemko na gumijasti cevi in spustite zrak vanjo. V tem primeru bo ravnovesje tehtnice moteno. Če ga želite obnoviti, boste morali na drugo tehtnico položiti uteži, katerih masa bo enaka masi zraka v prostornini kroglice.
Poskusi so ugotovili, da je pri temperaturi 0 ° C in normalnem atmosferskem tlaku masa zraka s prostornino 1 m 3 1,29 kg. Težo tega zraka je enostavno izračunati:
P = g m, P = 9,8 N/kg 1,29 kg ≈ 13 N.
Zračni ovoj, ki obdaja zemljo, se imenuje vzdušje (iz grščine. vzdušje para, zrak in krogla- žoga).
Atmosfera, kot kažejo opazovanja letenja umetnih zemeljskih satelitov, sega do višine več tisoč kilometrov.
Zaradi delovanja gravitacije zgornje plasti atmosfere, tako kot oceanska voda, stisnejo spodnje plasti. Zračna plast, ki meji neposredno na Zemljo, je najbolj stisnjena in po Pascalovem zakonu prenaša pritisk, ki nastane na njej, v vse smeri.
Zaradi tega zemeljska površina in telesa, ki se nahajajo na njej, doživljajo pritisk celotne debeline zraka ali, kot se običajno reče v takih primerih, doživljajo Atmosferski tlak .
Obstoj atmosferskega tlaka je mogoče pojasniti s številnimi pojavi, s katerimi se srečujemo v življenju. Razmislimo o nekaterih od njih.
Slika prikazuje stekleno cev, znotraj katere je bat, ki se tesno prilega stenam cevi. Konec cevi je potopljen v vodo. Če dvignete bat, se bo voda dvignila za njim.
Ta pojav se uporablja v vodnih črpalkah in nekaterih drugih napravah.
Slika prikazuje cilindrično posodo. Zapira se z zamaškom, v katerega je vstavljena cevka s pipo. Zrak črpa iz posode črpalka. Konec cevi se nato postavi v vodo. Če zdaj odprete pipo, bo voda v vodnjak pljusknila v notranjost posode. Voda vstopa v posodo, ker je atmosferski tlak večji od tlaka redčenega zraka v posodi.
Zakaj obstaja zračna lupina Zemlje.
Tako kot vsa telesa tudi molekule plinov, ki sestavljajo zračni ovoj Zemlje, privlači Zemlja.
Toda zakaj potem vsi ne padejo na površje Zemlje? Kako je ohranjen zemeljski zračni ovoj, njena atmosfera? Da bi to razumeli, moramo upoštevati, da so molekule plinov v neprekinjenem in naključnem gibanju. Toda potem se pojavi drugo vprašanje: zakaj te molekule ne odletijo v svetovni prostor, torej v vesolje.
Da bi povsem zapustila Zemljo, molekula, kot vesoljska ladja ali raketa, mora imeti zelo visoko hitrost (vsaj 11,2 km / s). Ta t.i druga ubežna hitrost. Hitrost večine molekul v Zemljinem zračnem ovoju je veliko manjša od te kozmične hitrosti. Zato jih je večina gravitacijsko vezanih na Zemljo, le zanemarljivo število molekul poleti onkraj Zemlje v vesolje.
Naključno gibanje molekul in učinek gravitacije nanje povzroči dejstvo, da molekule plina "lebdijo" v vesolju blizu Zemlje in tvorijo zračno lupino ali nam znano atmosfero.
Meritve kažejo, da se gostota zraka z višino hitro zmanjšuje. Torej, na višini 5,5 km nad Zemljo je gostota zraka 2-krat manjša od njegove gostote na zemeljski površini, na višini 11 km - 4-krat manj, itd. Višja je, redkejši je zrak. In končno, v najvišjih plasteh (na stotine in tisoče kilometrov nad Zemljo) se atmosfera postopoma spremeni v brezzračni prostor. Zračna lupina Zemlje nima jasnih meja.
Strogo gledano zaradi delovanja gravitacije gostota plina v nobeni zaprti posodi ni enaka po vsej prostornini posode. Na dnu posode je gostota plina večja kot v njenih zgornjih delih, zato tlak v posodi ni enak. Na dnu posode je večji kot na vrhu. Vendar pa je za plin v posodi ta razlika v gostoti in tlaku tako majhna, da jo je v mnogih primerih mogoče popolnoma prezreti, le zavedati se je je treba. Toda za atmosfero, ki se razteza čez več tisoč kilometrov, je razlika precejšnja.
Merjenje atmosferskega tlaka. Torricellijeva izkušnja.
Nemogoče je izračunati atmosferski tlak s formulo za izračun tlaka stolpca tekočine (§ 38). Za tak izračun morate poznati višino ozračja in gostoto zraka. Toda atmosfera nima določene meje in gostota zraka na različnih višinah je različna. Vendar pa je mogoče atmosferski tlak izmeriti s poskusom, ki ga je v 17. stoletju predlagal italijanski znanstvenik. Evangelista Torricelli Galilejev učenec.
Torricellijev poskus je naslednji: približno 1 m dolgo stekleno cev, na enem koncu zatesnjeno, napolnimo z živim srebrom. Nato se drugi konec cevi tesno zapre, obrne in spusti v skodelico z živim srebrom, kjer se ta konec cevi odpre pod nivojem živega srebra. Kot pri vsakem tekočem poskusu del živega srebra prelijemo v skodelico, del pa ostane v epruveti. Višina stebra živega srebra, ki ostane v cevi, je približno 760 mm. Nad živim srebrom v cevi ni zraka, tam je brezzračen prostor, zato noben plin ne pritiska od zgoraj na živosrebrov stolpec v tej cevi in ne vpliva na meritve.
Svojo razlago je podal tudi Torricelli, ki je predlagal zgoraj opisano izkušnjo. Atmosfera pritiska na površino živega srebra v skodelici. Merkur je v ravnovesju. To pomeni, da je tlak v cevi aa 1 (glej sliko) je enak atmosferskemu tlaku. Ob spremembi atmosferskega tlaka se spremeni tudi višina stebra živega srebra v cevi. Z naraščanjem tlaka se steber podaljša. Z zniževanjem tlaka se živosrebrni steber zmanjšuje po višini.
Tlak v cevi na nivoju aa1 ustvarja teža stebra živega srebra v cevi, saj nad živim srebrom v zgornjem delu cevi ni zraka. Iz tega sledi, da atmosferski tlak je enak tlaku stebra živega srebra v cevi , tj.
str atm = strživo srebro.
Večji kot je atmosferski tlak, višji je stolpec živega srebra v Torricellijevem poskusu. Zato lahko v praksi atmosferski tlak merimo z višino živosrebrnega stebra (v milimetrih ali centimetrih). Če je na primer atmosferski tlak 780 mm Hg. Umetnost. (pravijo "milimetri živega srebra"), to pomeni, da zrak proizvaja enak pritisk, kot ga proizvaja navpični stolpec živega srebra, visok 780 mm.
Zato je v tem primeru za enoto atmosferskega tlaka vzet 1 milimeter živega srebra (1 mm Hg). Poiščimo razmerje med to enoto in enoto, ki nam je znana - pascal(Pa).
Tlak živosrebrnega stebra ρ živega srebra z višino 1 mm je:
str = g ρ h, str\u003d 9,8 N / kg 13.600 kg / m 3 0,001 m ≈ 133,3 Pa.
Torej, 1 mm Hg. Umetnost. = 133,3 Pa.
Trenutno se atmosferski tlak običajno meri v hektopaskalih (1 hPa = 100 Pa). Vremenska poročila lahko na primer sporočajo, da je tlak 1013 hPa, kar je enako 760 mmHg. Umetnost.
Z dnevnim opazovanjem višine stolpca živega srebra v cevi je Torricelli ugotovil, da se ta višina spreminja, to je, da atmosferski tlak ni konstanten, lahko se poveča in zmanjša. Torricelli je tudi opazil, da je atmosferski tlak povezan s spremembami vremena.
Če na živosrebrno cev, uporabljeno v Torricellijevem poskusu, pritrdimo navpično lestvico, dobimo najpreprostejša naprava - živosrebrni barometer (iz grščine. baros- težo, metreo- ukrep). Uporablja se za merjenje atmosferskega tlaka.
Barometer - aneroid.
V praksi se za merjenje atmosferskega tlaka uporablja kovinski barometer, imenovan aneroid (prevedeno iz grščine - aneroid). Barometer se tako imenuje, ker ne vsebuje živega srebra.
Videz aneroida je prikazan na sliki. glavni del njegova - kovinska škatla 1 z valovito (valovito) površino (glej drugo sliko). Zrak se izčrpa iz te škatle in tako, da atmosferski tlak ne zdrobi škatle, njen pokrov 2 potegne navzgor z vzmetjo. Ko se atmosferski tlak poveča, se pokrov upogne navzdol in napne vzmet. Ko se tlak zmanjša, vzmet poravna pokrov. Puščični kazalec 4 je pritrjen na vzmet s pomočjo prenosnega mehanizma 3, ki se premika v desno ali levo, ko se tlak spremeni. Pod puščico je pritrjena lestvica, katere razdelki so označeni glede na navedbe živosrebrnega barometra. Torej številka 750, proti kateri stoji aneroidna igla (glej sliko), kaže, da je v danem trenutku v živosrebrnem barometru višina stolpca živega srebra 750 mm.
Zato je atmosferski tlak 750 mm Hg. Umetnost. ali ≈ 1000 hPa.
Vrednost atmosferskega tlaka je zelo pomembna za napovedovanje vremena za prihodnje dni, saj so spremembe atmosferskega tlaka povezane s spremembami vremena. Barometer je nujen instrument za meteorološka opazovanja.
Atmosferski tlak na različnih nadmorskih višinah.
V tekočini je tlak, kot vemo, odvisen od gostote tekočine in višine njenega stolpca. Zaradi majhne stisljivosti je gostota tekočine na različnih globinah skoraj enaka. Zato pri izračunu tlaka upoštevamo njegovo gostoto kot konstantno in upoštevamo le spremembo višine.
Pri plinih je situacija bolj zapletena. Plini so zelo stisljivi. In bolj kot je plin stisnjen, večja je njegova gostota in večji je tlak, ki ga proizvaja. Navsezadnje tlak plina nastane zaradi udarca njegovih molekul na površino telesa.
Plasti zraka blizu površja Zemlje so stisnjene z vsemi zgornjimi plastmi zraka nad njimi. Toda višje kot je plast zraka od površine, šibkejša je stisnjena, manjša je njegova gostota. Zato proizvaja manjši pritisk. Če npr. balon dvigne nad površje Zemlje, potem zračni pritisk na žogo postane manjši. To se zgodi ne samo zato, ker se višina zračnega stolpca nad njim zmanjša, ampak tudi zato, ker se zmanjša gostota zraka. Na vrhu je manjši kot na dnu. Zato je odvisnost zračnega tlaka od nadmorske višine bolj zapletena kot odvisnost tekočin.
Opazovanja kažejo, da je atmosferski tlak na območjih, ki ležijo na morski gladini, v povprečju 760 mm Hg. Umetnost.
Atmosferski tlak, ki je enak tlaku stebra živega srebra z višino 760 mm pri temperaturi 0 ° C, se imenuje normalni atmosferski tlak..
normalni atmosferski tlak je enako 101 300 Pa = 1013 hPa.
Višja kot je nadmorska višina, nižji je tlak.
Z majhnimi dvigi se v povprečju na vsakih 12 m dviga tlak zniža za 1 mm Hg. Umetnost. (ali 1,33 hPa).
Če poznamo odvisnost tlaka od nadmorske višine, je mogoče določiti višino nad morsko gladino s spreminjanjem odčitkov barometra. Aneroidi, ki imajo lestvico, na kateri lahko neposredno izmerite višino nad morsko gladino, se imenujejo višinomeri . Uporabljajo se v letalstvu in pri plezanju v gore.
Merilniki tlaka.
Vemo že, da se barometri uporabljajo za merjenje atmosferskega tlaka. Za merjenje tlakov, večjih ali manjših od atmosferskega tlaka, merilniki tlaka (iz grščine. manos- redek, neopazen metreo- ukrep). Merilniki tlaka so tekočina in kovina.
|
|
Najprej razmislite o napravi in dejanju odprt tekočinski manometer. Sestavljen je iz dvokrake steklene cevi, v katero se vlije nekaj tekočine. Tekočina je nameščena v obeh kolenih na enakem nivoju, saj na njeno površino v kolenih posode deluje samo atmosferski tlak.
Da bi razumeli, kako tak manometer deluje, ga lahko z gumijasto cevjo povežemo z okroglo ploščato škatlo, katere ena stran je prekrita z gumijasto folijo. Če s prstom pritisnete na film, se bo nivo tekočine v kolenu manometra, ki je priključen v škatli, zmanjšal, v drugem kolenu pa se bo povečal. Kaj pojasnjuje to?
S pritiskom na film se poveča zračni tlak v škatli. Po Pascalovem zakonu se to povečanje tlaka prenese na tekočino v tistem kolenu manometra, ki je pritrjen na škatlo. Zato bo pritisk na tekočino v tem kolenu večji kot v drugem, kjer na tekočino deluje le atmosferski tlak. Pod silo tega nadtlaka se bo tekočina začela premikati. V kolenu s stisnjenim zrakom bo tekočina padla, v drugem pa se bo dvignila. Tekočina se bo uravnovesila (ustavila), ko bo nadtlak stisnjenega zraka uravnotežen s tlakom, ki ga proizvaja stolpec presežne tekočine v drugem kraku manometra.
Močnejši kot je pritisk na film, višji je stolpec odvečne tekočine, večji je njegov pritisk. torej spremembo tlaka lahko ocenimo po višini tega presežnega stolpca.
Slika prikazuje, kako lahko tak manometer meri tlak v tekočini. Čim globlje je cev potopljena v tekočino, tem večja je razlika v višini stolpcev tekočine v kolenih manometra., torej, torej in tekočina proizvaja večji pritisk.
Če škatlo naprave namestite na določeno globino v tekočino in jo obrnete s filmom navzgor, vstran in navzdol, se odčitki manometra ne bodo spremenili. Tako bi tudi moralo biti, saj na isti ravni znotraj tekočine je tlak enak v vseh smereh.
Slika prikazuje kovinski manometer . Glavni del takega manometra je kovinska cev, upognjena v cev 1 , katerega en konec je zaprt. Drugi konec cevi s pipo 4 komunicira s posodo, v kateri se meri tlak. Ko tlak narašča, se cev upogne. Premikanje njegovega zaprtega konca z ročico 5 in zobniki 3 podal do strelca 2 premikanje po lestvici instrumenta. Ko se tlak zmanjša, se cev zaradi svoje elastičnosti vrne v prejšnji položaj, puščica pa na ničelni razdelek skale.
Batna tekočinska črpalka.
V poskusu, ki smo ga obravnavali prej (§ 40), je bilo ugotovljeno, da se je voda v stekleni cevi pod vplivom atmosferskega tlaka dvignila za batom. To dejanje temelji batčrpalke.
Črpalka je shematično prikazana na sliki. Sestavljen je iz cilindra, znotraj katerega gre gor in dol, tesno pritrjen na stene posode, bat 1 . Ventili so nameščeni v spodnjem delu cilindra in v samem batu. 2 odpiranje samo navzgor. Ko se bat premakne navzgor, voda pod vplivom atmosferskega tlaka vstopi v cev, dvigne spodnji ventil in se premakne za batom.
Ko se bat premakne navzdol, voda pod batom pritisne na spodnji ventil in ta se zapre. Hkrati se pod pritiskom vode odpre ventil v notranjosti bata in voda steče v prostor nad batom. Z naslednjim premikom bata navzgor se na mestu z njim dvigne tudi voda nad njim, ki se izlije v odvodno cev. Hkrati se za batom dvigne nova porcija vode, ki bo ob kasnejšem spuščanju bata nad njim in ves ta postopek se med delovanjem črpalke vedno znova ponavlja.
Hidravlična stiskalnica.
Pascalov zakon vam omogoča razlago dejanja hidravlični stroj (iz grščine. hydraulicos- voda). To so stroji, katerih delovanje temelji na zakonih gibanja in ravnovesja tekočin.
Glavni del hidravličnega stroja sta dva cilindra drugačen premer opremljen z bati in povezovalno cevjo. Prostor pod bati in cev sta napolnjena s tekočino (običajno mineralnim oljem). Višini stolpcev tekočine v obeh valjih sta enaki, dokler na bate ne delujejo sile.
Predpostavimo zdaj, da sile F 1 in F 2 - sile, ki delujejo na bate, S 1 in S 2 - območja batov. Tlak pod prvim (majhnim) batom je str 1 = F 1 / S 1 in pod drugo (veliko) str 2 = F 2 / S 2. Po Pascalovem zakonu se tlak tekočine v mirovanju prenaša enakomerno v vse smeri, tj. str 1 = str 2 oz F 1 / S 1 = F 2 / S 2, od koder:
F 2 / F 1 = S 2 / S 1 .
Zato moč F 2 toliko več moči F 1 , Kolikokrat je površina velikega bata večja od površine majhnega bata?. Na primer, če je površina velikega bata 500 cm 2, malega pa 5 cm 2 in na mali bat deluje sila 100 N, bo na bat delovala 100-krat večja sila. večji bat, to je 10.000 N.
Tako je mogoče s pomočjo hidravličnega stroja uravnotežiti veliko silo z majhno.
Odnos F 1 / F 2 prikazuje povečanje moči. Na primer, v zgornjem primeru je povečanje moči 10.000 N / 100 N = 100.
Hidravlični stroj, ki se uporablja za stiskanje (ožemanje), se imenuje hidravlična stiskalnica .
Hidravlične stiskalnice se uporabljajo tam, kjer je potrebna velika moč. Na primer za stiskanje olja iz semen v oljarnah, za stiskanje vezane plošče, kartona, sena. Jeklarne uporabljajo hidravlične stiskalnice za izdelavo jeklenih strojnih gredi, železniških koles in številnih drugih izdelkov. Sodobne hidravlične stiskalnice lahko razvijejo silo več deset in sto milijonov newtonov.
Naprava hidravlična stiskalnica shematično prikazano na sliki. Telo, ki ga je treba pritisniti 1 (A), je postavljeno na ploščad, ki je povezana z velikim batom 2 (B). Majhen bat 3 (D) ustvarja velik pritisk na tekočino. Ta tlak se prenaša na vsako točko tekočine, ki polni valje. Zato enak pritisk deluje na drugi, veliki bat. Ker pa je površina 2. (velikega) bata večja od površine majhnega, bo sila, ki deluje nanj, večja od sile, ki deluje na bat 3 (D). Pod to silo se bo bat 2 (B) dvignil. Ko se bat 2 (B) dvigne, se telo (A) nasloni na fiksno zgornjo ploščad in je stisnjeno. Manometer 4 (M) meri tlak tekočine. Varnostni ventil 5 (P) se samodejno odpre, ko tlak tekočine preseže dovoljeno vrednost.
Iz majhnega valja v veliko tekočino črpamo s ponavljajočimi se gibi majhnega bata 3 (D). To se naredi na naslednji način. Ko se mali bat (D) dvigne, se odpre ventil 6 (K) in tekočina se vsesa v prostor pod batom. Ko se majhen bat spusti pod pritiskom tekočine, se ventil 6 (K) zapre in ventil 7 (K") se odpre in tekočina preide v veliko posodo.
Delovanje vode in plina na telo, potopljeno vanje.
Pod vodo zlahka dvignemo kamen, ki ga v zrak le stežka dvignemo. Če zamašek potopite pod vodo in ga izpustite iz rok, bo lebdel. Kako je mogoče razložiti te pojave?
Vemo (§ 38), da tekočina pritiska na dno in stene posode. In če neko trdno telo postavimo v tekočino, bo tudi to podvrženo pritisku, kot stene posode.
Upoštevajte sile, ki delujejo s strani tekočine na telo, potopljeno vanjo. Za lažje sklepanje izberemo telo, ki ima obliko paralelopipeda z osnovami, vzporednimi s površino tekočine (slika). Sile, ki delujejo na stranske ploskve telesa, so v parih enake in se med seboj uravnotežijo. Pod vplivom teh sil se telo stisne. Toda sile, ki delujejo na zgornjo in spodnjo stran telesa, niso enake. Na zgornji strani pritiskajte od zgoraj z močjo F 1 stolpec tekočine visok h 1. Na nivoju spodnje ploskve tlak ustvari stolpec tekočine z višino h 2. Ta tlak se, kot vemo (§ 37), prenaša znotraj tekočine v vse smeri. Zato na spodnji del telesa od spodaj navzgor s silo F 2 visoko pritisne stolpec tekočine h 2. Ampak hše 2 h 1, torej modul sile FŠe 2 napajalna modula F 1. Zato telo s silo potisnemo iz tekočine F vyt, enako razliki sil F 2 - F 1, tj.
|
|
Toda S·h = V, kjer je V prostornina paralelepipeda, ρ W ·V = m W pa masa tekočine v prostornini paralelepipeda. torej F vyt \u003d g m dobro \u003d P dobro, tj. sila vzgona je enaka teži tekočine v prostornini telesa, ki je vanjo potopljeno(Vzgonska sila je enaka teži tekočine, katere prostornina je enaka prostornini telesa, potopljenega vanjo). Obstoj sile, ki potiska telo iz tekočine, je lahko eksperimentalno ugotoviti. Na sliki A prikazuje telo, obešeno na vzmet s puščičnim kazalcem na koncu. Puščica označuje napetost vzmeti na stojalu. Ko telo spustimo v vodo, se vzmet skrči (sl. b). Enako krčenje vzmeti dosežemo, če z neko silo delujemo na telo od spodaj navzgor, na primer z roko pritisnemo (dvignemo). Zato izkušnje to potrjujejo sila, ki deluje na telo v tekočini, potisne telo iz tekočine. Za pline, kot vemo, velja tudi Pascalov zakon. Zato Na telesa v plinu deluje sila, ki jih potiska iz plina. Pod vplivom te sile se baloni dvignejo. Obstoj sile, ki potiska telo iz plina, lahko opazujemo tudi eksperimentalno. Na skrajšano tehtnico obesimo stekleno kroglo ali večjo bučko, zaprto z zamaškom. Tehtnica je uravnotežena. Nato pod bučko (ali kroglico) postavimo široko posodo tako, da obdaja celotno bučko. Posoda je napolnjena z ogljikovim dioksidom, katerega gostota je večja od gostote zraka (zato ogljikov dioksid potone navzdol in napolni posodo ter iz nje izpodriva zrak). V tem primeru je ravnovesje tehtnice moteno. Skodelica z obešeno bučko se dvigne (slika). Bučka, potopljena v ogljikov dioksid, doživi večjo vzgonsko silo kot tista, ki nanjo deluje v zraku. Sila, ki potisne telo iz tekočine ali plina, je usmerjena nasproti sili gravitacije, ki deluje na to telo.. Zato prolcosmos). To pojasnjuje, zakaj v vodi včasih zlahka dvignemo telesa, ki jih le stežka obdržimo v zraku. Majhno vedro in valjasto telo sta obešeni na vzmet (slika, a). Puščica na stojalu označuje podaljšek vzmeti. Prikazuje težo telesa v zraku. Po dvigu telesa se pod njim postavi odtočna posoda, napolnjena s tekočino do nivoja odtočne cevi. Po tem je telo popolnoma potopljeno v tekočino (slika, b). pri čemer del tekočine, katere prostornina je enaka prostornini telesa, izlijemo iz točilne posode v kozarec. Vzmet se skrči in kazalec vzmeti se dvigne, kar nakazuje zmanjšanje teže telesa v tekočini. IN ta primer na telo pa poleg težnosti deluje še druga sila, ki ga potiska iz tekočine. Če tekočino iz kozarca vlijemo v zgornje vedro (to je tisto, ki ga je premaknilo telo), se kazalec vzmeti vrne v začetni položaj (slika, c).
Na podlagi teh izkušenj je mogoče sklepati, da sila, ki potisne telo, ki je popolnoma potopljeno v tekočino, je enaka teži tekočine v prostornini tega telesa . Do enakega sklepa smo prišli v § 48. Če bi naredili podoben poskus s telesom, potopljenim v nekaj plina, bi to pokazali tudi sila, ki potiska telo iz plina, je enaka teži plina, vzetega v prostornini telesa . Sila, ki potisne telo iz tekočine ali plina, se imenuje Arhimedova sila , v čast znanstveniku Arhimed ki je prvi opozoril na njegov obstoj in izračunal njegov pomen. Izkušnje so torej potrdile, da je Arhimedova (ali vzgonska) sila enaka teži tekočine v prostornini telesa, tj. F A = p f = g m in. Maso tekočine m f , ki jo izpodriva telo, lahko izrazimo z njeno gostoto ρ w in prostornino telesa V t, potopljenega v tekočino (ker je V l - prostornina tekočine, ki jo izpodrine telo, enaka V t - prostornina telesa, potopljenega v tekočino), to je m W = ρ W V t Potem dobimo: F A= g ρ in · V T Zato je Arhimedova sila odvisna od gostote tekočine, v katero je telo potopljeno, in od prostornine tega telesa. Vendar to ni odvisno, na primer, od gostote snovi telesa, potopljenega v tekočino, saj ta količina ni vključena v nastalo formulo. Določimo zdaj težo telesa, potopljenega v tekočino (ali plin). Ker sta sili, ki v tem primeru delujeta na telo, usmerjeni v nasprotnih straneh(gravitacija je zmanjšana, Arhimedova sila pa navzgor), potem bo teža telesa v tekočini P 1 manjša od teže telesa v vakuumu P = gm na Arhimedovo silo F A = g m w (kje m w je masa tekočine ali plina, ki jo izpodrine telo). torej če je telo potopljeno v tekočino ali plin, potem izgubi na svoji teži toliko, kolikor tehta tekočina ali plin, ki ga je izpodrinil. Primer. Določite vzgonsko silo, ki deluje na kamen s prostornino 1,6 m 3 v morski vodi. Zapišimo pogoj naloge in jo rešimo. Ko lebdeče telo doseže površino tekočine, se Arhimedova sila z nadaljnjim gibanjem navzgor zmanjša. Zakaj? Ker pa se bo prostornina dela telesa, potopljenega v tekočino, zmanjšala, in je Arhimedova sila enaka teži tekočine v prostornini dela telesa, ki je vanjo potopljen. Ko se Arhimedova sila izenači s silo gravitacije, se bo telo ustavilo in lebdelo na površini tekočine, delno potopljeno vanjo. Nastali sklep je enostavno eksperimentalno preveriti. V odtočno posodo nalijte vodo do višine odtočne cevi. Po tem potopimo lebdeče telo v posodo, ki smo ga predhodno stehtali v zraku. Ko se telo spusti v vodo, izpodrine prostornino vode, ki je enaka prostornini dela telesa, ki je vanjo potopljen. Po stehtanju te vode ugotovimo, da je njena teža (Arhimedova sila) enaka sili težnosti, ki deluje na lebdeče telo, oziroma teži tega telesa v zraku. Ko ste izvedli enake poskuse z drugimi telesi, ki plavajo v različnih tekočinah - v vodi, alkoholu, raztopini soli, se lahko prepričate, da če telo lebdi v tekočini, potem je teža tekočine, ki jo izpodrine, enaka teži tega telesa v zraku. To je enostavno dokazati če je gostota trdne snovi večja od gostote tekočine, potem telo v taki tekočini potone. V tej tekočini plava telo z manjšo gostoto. Kos železa, na primer, potone v vodi, vendar plava v živem srebru. Telo, katerega gostota je enaka gostoti tekočine, pa ostane v ravnovesju znotraj tekočine. Led plava na površini vode, ker je njegova gostota manjša od gostote vode. Manjša kot je gostota telesa v primerjavi z gostoto tekočine, manjši del telesa je potopljen v tekočino. . Pri enakih gostotah telesa in tekočine lebdi telo v tekočini na poljubni globini. Dve nemešljivi tekočini, na primer voda in kerozin, se nahajata v posodi glede na njuni gostoti: v spodnjem delu posode - gostejša voda (ρ = 1000 kg / m 3), na vrhu - lažji kerozin (ρ = 800 kg/m 3). Povprečna gostota živih organizmov, ki naseljujejo vodno okolje, se malo razlikuje od gostote vode, zato je njihova teža skoraj popolnoma uravnotežena z Arhimedovo silo. Zahvaljujoč temu vodne živali ne potrebujejo tako močnega in masivnega okostja kot kopenske. Iz istega razloga so debla vodnih rastlin elastična. Ribji plavalni mehur zlahka spremeni svojo prostornino. Ko se riba s pomočjo mišic spusti v veliko globino in se pritisk vode nanjo poveča, se mehurček skrči, prostornina ribjega telesa se zmanjša in se ne potiska navzgor, ampak plava v globino. Tako lahko riba v določenih mejah uravnava globino svojega potopa. Kiti uravnavajo svojo globino potopa s krčenjem in širjenjem zmogljivosti pljuč. Jadrnice.Ladje, ki plujejo po rekah, jezerih, morjih in oceanih, so zgrajene iz različne materiale z drugačna gostota. Trup je običajno narejen iz jeklene pločevine. Vsi notranji pritrdilni elementi, ki dajejo ladjam trdnost, so prav tako izdelani iz kovin. Uporablja se za izdelavo čolnov različne materiale, ki imajo tako večjo kot manjšo gostoto v primerjavi z vodo. Kako ladje lebdijo, sprejemajo na krov in prevažajo velike tovore? Poskus z lebdečim telesom (§ 50) je pokazal, da telo s svojim podvodnim delom izpodrine toliko vode, da je ta voda po teži enaka teži telesa v zraku. To velja tudi za vsako ladjo. Teža vode, ki jo izpodriva podvodni del ladje, je enaka teži ladje s tovorom v zraku ali sili težnosti, ki deluje na ladjo s tovorom.. Globina, do katere je ladja potopljena v vodo, se imenuje osnutek . Največji dovoljeni ugrez je na ladijskem trupu označen z rdečo črto, imenovano vodna črta (iz nizozemščine. vodo- voda). Teža vode, ki jo izpodrine ladja, ko je potopljena do vodne črte in je enaka sili težnosti, ki deluje na ladjo s tovorom, se imenuje izpodriv ladje.. Trenutno se za prevoz nafte gradijo ladje z izpodrivom 5.000.000 kN (5 10 6 kN) in več, to je z maso 500.000 ton (5 10 5 t) in več skupaj s tovorom. Če od izpodriva odštejemo težo same ladje, dobimo nosilnost te ladje. Nosilnost kaže težo tovora, ki ga prevaža plovilo. Ladjedelništvo obstaja od Starodavni Egipt, v Feniciji (verjame se, da so bili Feničani eni najboljših ladjedelnikov), starodavna Kitajska. V Rusiji je ladjedelništvo nastalo na prelomu iz 17. v 18. stoletje. Gradili so predvsem vojaške ladje, v Rusiji pa so zgradili prvi ledolomilec, ladje z motorjem z notranjim zgorevanjem in jedrski ledolomilec Arktika. Aeronavtika.
Risba, ki opisuje žogo bratov Montgolfier leta 1783: "Pogled in točne dimenzije„Aerostat Zemlja"Ki je bil prvi." 1786 Že od antičnih časov so ljudje sanjali o tem, da bi lahko leteli nad oblaki, da bi plavali v oceanu zraka, kot so pluli po morju. Za aeronavtiko Sprva so uporabljali balone, ki so bili polnjeni bodisi z ogretim zrakom bodisi z vodikom ali helijem. Da se balon dvigne v zrak, je potrebna Arhimedova sila (vzgon) F A, ki je deloval na žogo, je bil več kot gravitacija F težka, tj. F A > F težka Ko se kroglica dvigne, se Arhimedova sila, ki deluje nanjo, zmanjša ( F A = gρV), ker gostota zgornje plasti manj atmosfere kot na zemeljskem površju. Za dvig višje se iz žoge spusti poseben balast (utež), ki žogo olajša. Sčasoma žoga doseže največjo višino dviga. Za spuščanje krogle se del plina sprosti iz njene lupine s posebnim ventilom. V vodoravni smeri se balon premika le pod vplivom vetra, zato se imenuje balon (iz grščine zrak- zrak, stato- stoji). Ne tako dolgo nazaj so z ogromnimi baloni preučevali zgornje plasti atmosfere, stratosfero - stratostats . Preden smo se naučili graditi velika letala za prevoz potnikov in tovora po zraku so uporabljali kontrolirane balone - zračne ladje. Imajo podolgovato obliko, pod trupom je obešena gondola z motorjem, ki poganja propeler. Balon se ne samo dvigne sam, ampak lahko dvigne tudi nekaj tovora: kabino, ljudi, instrumente. Zato, da bi ugotovili, kakšno breme lahko dvigne balon, ga je treba določiti. dvižna sila. Recimo, da se v zrak spusti balon s prostornino 40 m 3, napolnjen s helijem. Masa helija, ki polni lupino krogle, bo enaka: To pomeni, da lahko ta krogla dvigne breme, ki tehta 520 N - 71 N = 449 N. To je njena dvižna sila. Balon enake prostornine, vendar napolnjen z vodikom, lahko dvigne breme 479 N. To pomeni, da je njegova dvižna sila večja kot pri balonu, napolnjenem s helijem. Še vedno pa se pogosteje uporablja helij, saj ne gori in je zato varnejši. Vodik je vnetljiv plin. Veliko lažje je dvigniti in spustiti balon, napolnjen z vročim zrakom. Za to je pod luknjo v spodnjem delu krogle nameščen gorilnik. S pomočjo plinski gorilnik mogoče je regulirati temperaturo zraka v žogi, s tem pa tudi njeno gostoto in plovnost. Da bi se krogla dvignila višje, je dovolj, da zrak v njej močneje segrejemo in povečamo plamen gorilnika. Ko se plamen gorilnika zmanjša, se temperatura zraka v krogli zmanjša in krogla se spusti. Možno je izbrati takšno temperaturo žoge, pri kateri bo teža žoge in kabine enaka sili vzgona. Nato bo žoga obvisela v zraku in iz nje bo enostavno opazovati. Z razvojem znanosti je prišlo tudi do pomembnih sprememb v letalski tehnologiji. Postalo je mogoče uporabiti nove lupine za balone, ki so postale trpežne, odporne proti zmrzali in lahke. Dosežki na področju radijske tehnike, elektronike, avtomatizacije so omogočili oblikovanje balonov brez posadke. Ti baloni se uporabljajo za preučevanje zračnih tokov, za geografske in biomedicinske raziskave v nižjih plasteh ozračja.
Članki Avtor: tema:
|
