Lad os undersøge mere detaljeret forsøget med et stempel, der suger vand i et rør. I begyndelsen af forsøget (fig. 287) er vandet i røret og i koppen på samme niveau, og stemplet berører vandet med sin nedre overflade. Vandet presses mod stemplet nedefra af atmosfærisk tryk, der virker på overfladen af vandet i koppen. Oven på stemplet (vi vil betragte det som vægtløst) virker også atmosfærisk tryk. På sin side virker stemplet ifølge loven om lighed mellem handling og reaktion på vandet i røret og udøver på det et tryk svarende til det atmosfæriske tryk, der virker på overfladen af vandet i koppen.
Ris. 287. Indsugning af vand i et rør. Begyndelsen af eksperimentet: stemplet er på niveau med vand i koppen
Ris. 288. a) Det samme som i Fig. 287, men med stemplet hævet, b) Trykgraf
Lad os nu hæve stemplet til en vis højde; for at gøre dette skal der påføres en kraft rettet opad (fig. 288, a). Atmosfærisk tryk vil tvinge vand ind i røret efter stemplet; Nu vil vandsøjlen røre stemplet, trykke mod det med mindre kraft, det vil sige udøve mindre pres på det end før. Følgelig vil stemplets modtryk på vandet i røret være mindre. Det atmosfæriske tryk, der virker på overfladen af vandet i koppen, vil blive afbalanceret af trykket fra stemplet tilsat trykket skabt af vandsøjlen i røret.
I fig. 288, b viser en graf over tryk i en stigende søjle af vand i et rør. Hæver vi stemplet til en større højde, vil vandet også stige, efter stemplet, og vandsøjlen bliver højere. Trykket forårsaget af vægten af søjlen vil stige; følgelig vil trykket af stemplet på den øverste ende af søjlen falde, da begge disse tryk stadig skal lægges op til atmosfærisk tryk. Nu vil vandet blive presset mod stemplet med endnu mindre kraft. For at holde stemplet på plads, skal der nu påføres større kraft: Når stemplet hæves, vil vandtrykket på stemplets nedre overflade i stigende grad afbalancere det atmosfæriske tryk på dets øvre overflade.
Hvad sker der, hvis du tager et rør af tilstrækkelig længde og hæver stemplet højere og højere? Vandtrykket på stemplet bliver mindre og mindre; Til sidst vil vandtrykket på stemplet og stempeltrykket på vandet gå til nul. Ved denne højde af søjlen vil trykket forårsaget af vægten af vandet i røret være lig atmosfærisk tryk. Beregningen, som vi vil præsentere i næste afsnit, viser, at vandsøjlens højde skal være lig med 10,332 m (ved normalt atmosfærisk tryk). Med yderligere stigning af stemplet vil vandsøjlens niveau ikke længere stige, da ydre tryk ikke er i stand til at balancere den højere søjle: der vil være et tomt rum mellem vandet og stemplets nedre overflade (fig. 289, en ).
Ris. 289. a) Det samme som i Fig. 288, men når stemplet er hævet højere maksimal højde(10,33 m). b) Trykgraf for denne stempelposition. c) I virkeligheden når vandsøjlen ikke sin fulde højde, da vanddamp har et tryk på omkring 20 mm Hg ved stuetemperatur. Kunst. og dermed sænker det øverste niveau af søjlen. Derfor har den sande graf en afskåret top. For klarhedens skyld er vanddamptrykket overdrevet
I virkeligheden vil dette rum ikke være helt tomt: det vil være fyldt med luft frigivet fra vandet, hvori der altid er noget opløst luft; Derudover vil der være vanddamp i dette rum. Derfor vil trykket i mellemrummet mellem stemplet og vandsøjlen ikke være nøjagtigt nul, og dette tryk vil reducere søjlens højde lidt (fig. 289, c).
Det beskrevne forsøg er meget besværligt på grund af vandsøjlens høje højde. Hvis dette eksperiment blev gentaget og erstattede vand med kviksølv, ville højden af søjlen være meget mindre. Men i stedet for et rør med et stempel er det meget mere bekvemt at bruge den anordning, der er beskrevet i næste afsnit.
173.1. Til hvilken maksimal højde kan en sugepumpe løfte kviksølv i et rør, hvis det atmosfæriske tryk er ?
En mand med og uden ski.
En person går på løs sne med stort besvær og synker dybt for hvert skridt. Men efter at have taget ski på, kan han gå uden næsten at falde i det. Hvorfor? Med eller uden ski virker en person på sneen med samme kraft svarende til hans vægt. Virkningen af denne kraft er dog forskellig i begge tilfælde, fordi overfladearealet, som en person trykker på, er forskelligt, med ski og uden ski. Næsten 20 gange overfladearealet på ski mere område såler. Når man står på ski, handler en person derfor på hver kvadratcentimeter sneoverfladeareal med en kraft, der er 20 gange mindre, end når man står på sneen uden ski.
En elev, der sætter en avis fast på tavlen med knapper, handler på hver knap med lige stor kraft. En knap med en skarpere ende vil dog nemmere gå ind i træet.
Dette betyder, at resultatet af kraften ikke kun afhænger af dens modul, retning og påføringspunkt, men også af arealet af overfladen, hvorpå den påføres (vinkelret på hvilken den virker).
Denne konklusion bekræftes af fysiske eksperimenter.
Erfaring Resultatet af virkningen af en given kraft afhænger af, hvilken kraft der virker på en enheds overfladeareal.
Du skal slå søm ind i hjørnerne af et lille bræt. Placer først sømmene, der er slået ind i brættet på sandet med deres spidser opad, og læg en vægt på brættet. I dette tilfælde presses sømhovederne kun lidt ned i sandet. Så vender vi brættet og sætter neglene på kanten. I dette tilfælde er støtteområdet mindre, og under samme kraft går neglene betydeligt dybere ned i sandet.
Erfaring. Anden illustration.
Resultatet af virkningen af denne kraft afhænger af, hvilken kraft der virker på hver enhed af overfladeareal.
I de betragtede eksempler virkede kræfterne vinkelret på kroppens overflade. Mandens vægt stod vinkelret på sneens overflade; kraften, der virker på knappen, er vinkelret på overfladen af brættet.
Mængden svarende til forholdet mellem kraften, der virker vinkelret på overfladen til arealet af denne overflade, kaldes tryk.
For at bestemme trykket skal kraften, der virker vinkelret på overfladen, divideres med overfladearealet:
tryk = kraft / areal.
Lad os betegne de mængder, der er inkluderet i dette udtryk: tryk - s, er kraften, der virker på overfladen F og overfladeareal - S.
Så får vi formlen:
p = F/S
Det er klart, at en større kraft, der virker på det samme område, vil frembringe større tryk.
En trykenhed er det tryk, der frembringes af en kraft på 1 N, der virker på en overflade med et areal på 1 m2 vinkelret på denne overflade..
Trykenhed - newton pr kvadratmeter (1 N/m2). Til ære for den franske videnskabsmand Blaise Pascal det hedder pascal ( Pa). Således,
1 Pa = 1 N/m2.
Andre trykenheder bruges også: hektopascal (hPa) Og kilopascal (kPa).
1 kPa = 1000 Pa;
1 hPa = 100 Pa;
1 Pa = 0,001 kPa;
1 Pa = 0,01 hPa.
Lad os skrive betingelserne for problemet ned og løse det.
Givet : m = 45 kg, S = 300 cm2; p = ?
I SI-enheder: S = 0,03 m2
Løsning:
s = F/S,
F = P,
P = g m,
P= 9,8 N · 45 kg ≈ 450 N,
s= 450/0,03 N/m2 = 15000 Pa = 15 kPa
"Svar": p = 15000 Pa = 15 kPa
Måder at reducere og øge presset.
En tung larvetraktor producerer et tryk på jorden svarende til 40 - 50 kPa, det vil sige kun 2 - 3 gange mere end trykket for en dreng, der vejer 45 kg. Dette forklares med, at traktorens vægt er fordelt over et større areal på grund af spordrevet. Og det har vi slået fast jo større understøtningsareal, jo mindre tryk frembringes af den samme kraft på denne understøtning .
Alt efter om du skal blive lille eller højt tryk, øges eller mindskes støtteområdet. For eksempel, for at jorden kan modstå trykket fra den bygning, der bygges, øges arealet af den nederste del af fundamentet.
Dæk lastbiler og flyets landingsstel er gjort meget bredere end personbilers. Dækkene på biler designet til at køre i ørkener er lavet specielt brede.
Tunge køretøjer, såsom en traktor, en tank eller et sumpkøretøj, der har et stort støtteområde af sporene, passerer gennem sumpede områder, som ikke kan passeres af en person.
På den anden side kan der med et lille overfladeareal genereres et stort tryk med en lille kraft. For eksempel, når vi trykker en knap ind i et bræt, virker vi på det med en kraft på omkring 50 N. Da området af knappens spids er cirka 1 mm 2, er trykket produceret af det lig med:
p = 50 N / 0.000.001 m2 = 50.000.000 Pa = 50.000 kPa.
Til sammenligning er dette tryk 1000 gange større end det tryk, som en larvetraktor udøver på jorden. Du kan finde mange flere sådanne eksempler.
Knivene på skæreinstrumenter og spidserne på piercingsinstrumenter (knive, sakse, skærere, save, nåle osv.) er specielt slebet. Den slebne kant på en skarp klinge har et lille areal, så selv en lille kraft skaber et stort pres, og dette værktøj er nemt at arbejde med.
Skære- og gennemboringsanordninger findes også i den levende natur: det er tænder, kløer, næb, pigge osv. - de er alle lavet af hårdt materiale, glatte og meget skarpe.
Tryk
Det er kendt, at gasmolekyler bevæger sig tilfældigt.
Vi ved allerede, at gasser i modsætning til faste stoffer og væsker fylder hele beholderen, hvori de er placeret. For eksempel stålgaslagercylinder, kammer bildæk eller en volleyball. I dette tilfælde udøver gassen tryk på væggene, bunden og låget af cylinderen, kammeret eller enhver anden krop, hvori den er placeret. Gastryk er forårsaget af andre faktorer end tryk solid på støtten.
Det er kendt, at gasmolekyler bevæger sig tilfældigt. Når de bevæger sig, kolliderer de med hinanden såvel som med væggene i beholderen, der indeholder gassen. Der er mange molekyler i en gas, og derfor er antallet af deres påvirkninger meget stort. For eksempel er antallet af påvirkninger af luftmolekyler i et rum på en overflade med et areal på 1 cm 2 i 1 s udtrykt som et treogtyvecifret tal. Selvom slagkraften af et individuelt molekyle er lille, er effekten af alle molekyler på karrets vægge betydelig - det skaber gastryk.
Så, gastryk på beholderens vægge (og på kroppen placeret i gassen) er forårsaget af påvirkninger af gasmolekyler .
Lad os overveje næste oplevelse. Under klokken luftpumpe placere en gummikugle. Den indeholder en lille mængde luft og har uregelmæssig form. Så pumper vi luften ud under klokken. Boldens skal, omkring hvilken luften bliver mere og mere forsinket, puster sig gradvist op og tager form som en almindelig bold.
Hvordan forklarer man denne oplevelse?
Særlige holdbare stålcylindre bruges til opbevaring og transport af komprimeret gas.
I vores eksperiment rammer bevægelige gasmolekyler konstant boldens vægge inde og ude. Når luft pumpes ud, falder antallet af molekyler i klokken omkring kuglens skal. Men inde i bolden ændres deres nummer ikke. Derfor bliver antallet af påvirkninger af molekyler på skallens ydre vægge mindre end antallet af påvirkninger på de indre vægge. Bolden pustes op, indtil den elastiske kraft af dens gummiskal bliver lig med kraften af gastrykket. Kuglens skal har form som en kugle. Dette viser det gassen trykker lige meget på dens vægge i alle retninger. Med andre ord er antallet af molekylære påvirkninger pr. kvadratcentimeter overfladeareal det samme i alle retninger. Det samme tryk i alle retninger er karakteristisk for en gas og er en konsekvens af den tilfældige bevægelse af et stort antal molekyler.
Lad os prøve at reducere mængden af gas, men så dens masse forbliver uændret. Det betyder, at der i hver kubikcentimeter gas vil være flere molekyler, og gassens tæthed vil stige. Så vil antallet af påvirkninger af molekyler på væggene stige, dvs. gastrykket vil stige. Dette kan bekræftes af erfaring.
På billedet EN viser et glasrør, hvis ene ende er lukket med en tynd gummifilm. Et stempel indsættes i røret. Når stemplet bevæger sig ind, falder luftmængden i røret, det vil sige, at gassen komprimeres. Gummifilmen bøjes udad, hvilket indikerer, at lufttrykket i røret er steget.
Tværtimod, når volumenet af den samme gasmasse stiger, falder antallet af molekyler i hver kubikcentimeter. Dette vil reducere antallet af påvirkninger på karrets vægge - gastrykket bliver mindre. Faktisk, når stemplet trækkes ud af røret, øges luftvolumenet, og filmen bøjes inde i beholderen. Dette indikerer et fald i lufttrykket i røret. De samme fænomener ville blive observeret, hvis der i stedet for luft var anden gas i røret.
Så, når volumenet af en gas falder, stiger dens tryk, og når volumenet stiger, falder trykket, forudsat at gassens masse og temperatur forbliver uændret.
Hvordan vil trykket af en gas ændre sig, hvis den opvarmes til et konstant volumen? Det er kendt, at hastigheden af gasmolekyler stiger, når de opvarmes. Bevæger molekylerne sig hurtigere, vil de oftere ramme beholderens vægge. Derudover vil hver påvirkning af molekylet på væggen være stærkere. Som et resultat vil karrets vægge opleve større tryk.
Derfor, Jo højere gastemperaturen er, jo større er gastrykket i en lukket beholder, forudsat at gasmassen og volumen ikke ændres.
Ud fra disse eksperimenter kan det generelt konkluderes, at Gastrykket stiger jo oftere og hårdere molekylerne rammer karrets vægge .
For at opbevare og transportere gasser er de meget komprimerede. Samtidig stiger deres tryk, gasserne skal være indesluttet i specielle, meget holdbare cylindre. Sådanne cylindre indeholder for eksempel trykluft ubåde ilt, der bruges til metalsvejsning. Det skal vi selvfølgelig altid huske gasflasker kan ikke opvarmes, især når de er fyldt med gas. For som vi allerede forstår, kan en eksplosion opstå med meget ubehagelige konsekvenser.
Pascals lov.
Tryk overføres til hvert punkt i væsken eller gassen.
Stemplets tryk overføres til hvert punkt af væsken, der fylder kuglen.
Nu gas.
I modsætning til faste stoffer, individuelle lag og fine partikler væsker og gasser kan bevæge sig frit i forhold til hinanden i alle retninger. Det er for eksempel nok at blæse let på vandoverfladen i et glas for at få vandet til at bevæge sig. På en flod eller sø får den mindste brise krusninger til at dukke op.
Mobiliteten af gas- og væskepartikler forklarer det det tryk, der udøves på dem, overføres ikke kun i kraftens retning, men til hvert punkt. Lad os overveje dette fænomen mere detaljeret.
På billedet, EN afbilder en beholder, der indeholder gas (eller væske). Partiklerne er jævnt fordelt i hele beholderen. Fartøjet lukkes af et stempel, der kan bevæge sig op og ned.
Ved at anvende en vis kraft vil vi tvinge stemplet til at bevæge sig lidt indad og komprimere gassen (væsken), der er placeret direkte under det. Så vil partiklerne (molekylerne) være placeret tættere på dette sted end før (fig. b). På grund af mobilitet vil gaspartikler bevæge sig i alle retninger. Som et resultat vil deres arrangement igen blive ensartet, men mere tæt end før (fig. c). Derfor vil gastrykket stige overalt. Det betyder, at yderligere tryk overføres til alle partikler af gas eller væske. Så hvis trykket på gassen (væsken) nær selve stemplet stiger med 1 Pa, så på alle punkter indenfor gas eller væske, vil trykket blive større end tidligere med samme mængde. Trykket på beholderens vægge, bunden og stemplet vil stige med 1 Pa.
Trykket, der udøves på en væske eller gas, overføres til ethvert punkt ligeligt i alle retninger .
Dette udsagn kaldes Pascals lov.
Ud fra Pascals lov er det let at forklare følgende forsøg.
Billedet viser en hul kugle med små huller forskellige steder. Et rør er fastgjort til kuglen, hvori et stempel indsættes. Hvis du fylder en kugle med vand og skubber et stempel ind i røret, vil der strømme vand ud af alle hullerne i kuglen. I dette eksperiment presser et stempel på overfladen af vand i et rør. Vandpartiklerne, der er placeret under stemplet, komprimerer, overfører dets tryk til andre lag, der ligger dybere. Stemplets tryk overføres således til hvert punkt af væsken, der fylder kuglen. Som et resultat skubbes en del af vandet ud af bolden i form af identiske strømme, der strømmer fra alle huller.
Hvis kuglen er fyldt med røg, så når stemplet skubbes ind i røret, vil lige store røgstrømme begynde at komme ud af alle hullerne i kuglen. Dette bekræfter det gasser overfører det tryk, der udøves på dem i alle retninger ligeligt.
Tryk i væske og gas.
Under påvirkning af væskens vægt vil gummibunden i røret bøje.
Væsker, som alle legemer på Jorden, påvirkes af tyngdekraften. Derfor skaber hvert lag væske, der hældes i et kar, tryk med sin vægt, som ifølge Pascals lov transmitteres i alle retninger. Derfor er der tryk inde i væsken. Dette kan bekræftes af erfaring.
Hæld vand i et glasrør, hvis nederste hul er lukket med en tynd gummifilm. Under påvirkning af væskens vægt vil bunden af røret bøje.
Erfaringen viser, at jo højere vandsøjlen er over gummifilmen, jo mere bøjer den. Men hver gang efter gummibunden bøjer, kommer vandet i røret i ligevægt (stopper), da den elastiske kraft af den strakte gummifilm ud over tyngdekraften virker på vandet.
De kræfter, der virker på gummifilmen er |
er ens på begge sider. |
Illustration.
Bunden bevæger sig væk fra cylinderen på grund af tyngdekraftens tryk på den.
Lad os sænke røret med en gummibund, hvori der hældes vand, i et andet, bredere kar med vand. Vi vil se, at når røret sænkes, retter gummifilmen sig gradvist ud. Fuld opretning af filmen viser, at kræfterne, der virker på den ovenfra og nedefra, er lige store. Fuldstændig opretning af filmen sker, når vandstandene i røret og karret falder sammen.
Samme forsøg kan udføres med et rør, hvori en gummifilm dækker sidehullet, som vist i figur a. Lad os nedsænke dette rør med vand i et andet kar med vand, som vist på figuren, b. Vi vil bemærke, at filmen vil rette sig igen, så snart vandstanden i røret og karret er ens. Det betyder, at kræfterne, der virker på gummifilmen, er ens på alle sider.
Lad os tage et kar, hvis bund kan falde væk. Lad os putte det i en krukke med vand. Bunden vil blive tæt presset til kanten af karret og vil ikke falde af. Det presses af kraften fra vandtrykket rettet fra bund til top.
Vi hælder forsigtigt vand i karret og holder øje med dets bund. Så snart vandstanden i beholderen falder sammen med vandstanden i beholderen, vil den falde væk fra beholderen.
I adskillelsesøjeblikket presser en væskesøjle i beholderen fra top til bund på bunden, og trykket fra en væskesøjle af samme højde, men placeret i krukken, overføres fra bund til top til bunden. Begge disse tryk er de samme, men bunden bevæger sig væk fra cylinderen på grund af handlingen på den egen styrke alvor.
Eksperimenter med vand er beskrevet ovenfor, men hvis du tager anden væske i stedet for vand, vil resultaterne af forsøget være de samme.
Så det viser eksperimenter Der er tryk inde i væsken, og på samme niveau er det ens i alle retninger. Trykket stiger med dybden.
Gasser adskiller sig ikke fra væsker i denne henseende, fordi de også har vægt. Men vi skal huske, at tætheden af gas er hundredvis af gange mindre end densiteten af væske. Vægten af gassen i beholderen er lille, og dens "vægt" tryk kan i mange tilfælde ignoreres.
Beregning af væsketryk på bunden og væggene af en beholder.
Beregning af væsketryk på bunden og væggene af en beholder.
Lad os overveje, hvordan du kan beregne trykket af en væske på bunden og væggene af en beholder. Lad os først løse problemet for et kar formet som et rektangulært parallelepipedum.
Styrke F, hvormed den væske, der hældes i dette kar, trykker på dens bund, er lig med vægten P væske i beholderen. Vægten af en væske kan bestemmes ved at kende dens masse m. Masse, som du ved, kan beregnes ved hjælp af formlen: m = ρ·V. Mængden af væske hældt i beholderen, vi har valgt, er let at beregne. Hvis højden af væskesøjlen i en beholder er angivet med bogstavet h, og arealet af bunden af fartøjet S, Det V = S h.
Flydende masse m = ρ·V, eller m = ρ S h .
Vægten af denne væske P = gm, eller P = g ρ S h.
Da vægten af en væskesøjle er lig med den kraft, hvormed væsken presser på bunden af beholderen, så ved at dividere vægten P per område S, får vi væsketrykket s:
p = P/S, eller p = g·ρ·S·h/S,
Vi har fået en formel til beregning af væsketrykket i bunden af karret. Ud fra denne formel er det klart, at trykket af væsken i bunden af beholderen afhænger kun af væskesøjlens tæthed og højde.
Derfor kan du ved hjælp af den afledte formel beregne trykket af væsken, der hældes i beholderen enhver form(strengt taget er vores beregning kun egnet til kar med form af et lige prisme og en cylinder. På fysikkurser for instituttet blev det bevist, at formlen også er sand for et kar med vilkårlig form). Derudover kan den bruges til at beregne trykket på karrets vægge. Trykket inde i væsken, inklusive trykket fra bund til top, beregnes også ved hjælp af denne formel, da trykket i samme dybde er det samme i alle retninger.
Ved beregning af tryk ved hjælp af formlen p = gρh du har brug for tæthed ρ udtryk i kilogram pr kubikmeter(kg/m 3), og væskesøjlens højde h- i meter (m), g= 9,8 N/kg, så vil trykket blive udtrykt i pascal (Pa).
Eksempel. Bestem trykket af olie på bunden af tanken, hvis højden af oliesøjlen er 10 m og dens massefylde er 800 kg/m 3.
Lad os skrive problemets tilstand ned og skrive det ned.
Givet :
ρ = 800 kg/m 3
Løsning :
p = 9,8 N/kg · 800 kg/m 3 · 10 m ≈ 80.000 Pa ≈ 80 kPa.
Svar : p ≈ 80 kPa.
Kommunikerende fartøjer.
Kommunikerende fartøjer.
Figuren viser to kar forbundet med hinanden med et gummirør. Sådanne fartøjer kaldes kommunikerer. En vandkande, en tekande og en kaffekande er eksempler på kommunikerende kar. Af erfaring ved vi, at vand, der f.eks. hældes i en vandkande, altid er på samme niveau i tuden og indeni.
Vi støder ofte på kommunikerende fartøjer. Det kan for eksempel være en tekande, vandkande eller kaffekande. |
Overfladerne af en homogen væske er installeret på samme niveau i kommunikerende beholdere af enhver form. |
Væsker af forskellig massefylde. |
Følgende simple eksperiment kan udføres med kommunikerende kar. I begyndelsen af forsøget klemmer vi gummirøret på midten og hælder vand i et af rørene. Så åbner vi klemmen, og vandet strømmer øjeblikkeligt ind i det andet rør, indtil vandoverfladerne i begge rør er på samme niveau. Du kan fastgøre et af håndsættene til et stativ og hæve, sænke eller vippe det andet forskellige sider. Og i dette tilfælde, så snart væsken falder til ro, vil dens niveauer i begge rør blive udlignet.
I kommunikerende beholdere af enhver form og tværsnit er overfladerne af en homogen væske indstillet på samme niveau(forudsat at lufttrykket over væsken er det samme) (Fig. 109).
Dette kan begrundes som følger. Væsken er i ro uden at bevæge sig fra et kar til et andet. Det betyder, at trykket i begge beholdere på ethvert niveau er det samme. Væsken i begge beholdere er den samme, dvs. den har samme densitet. Derfor skal dens højder være de samme. Når vi løfter en beholder eller tilføjer væske til den, øges trykket i den, og væsken flytter ind i en anden beholder, indtil trykket er afbalanceret.
Hvis en væske med en densitet hældes i et af de kommunikerende beholdere, og en væske med en anden densitet hældes i den anden, så vil niveauerne af disse væsker ved ligevægt ikke være de samme. Og det er forståeligt. Vi ved, at trykket af væsken i bunden af beholderen er direkte proportional med søjlens højde og væskens densitet. Og i dette tilfælde vil tæthederne af væskerne være anderledes.
Hvis trykkene er ens, vil højden af en væskesøjle med en højere densitet være mindre end højden af en væskesøjle med en lavere densitet (fig.).
Erfaring. Sådan bestemmes massen af luft.
Luftvægt. Atmosfærisk tryk.
Eksistensen af atmosfærisk tryk.
Atmosfærisk tryk er større end trykket af fortærnet luft i beholderen.
Luft påvirkes, ligesom enhver krop på Jorden, af tyngdekraften, og derfor har luft vægt. Luftens vægt er let at beregne, hvis du kender dens masse.
Vi viser dig eksperimentelt, hvordan du beregner luftmassen. For at gøre dette skal du tage en holdbar glaskugle med en prop og et gummirør med en klemme. Lad os pumpe luften ud af det, klemme røret med en klemme og afbalancere det på vægten. Åbn derefter klemmen på gummirøret, og lad luft ind i den. Dette vil forstyrre balancen på vægten. For at genoprette den skal du lægge vægte på den anden gryde af skalaen, hvis masse vil være lig med luftmassen i kuglens volumen.
Eksperimenter har fastslået, at ved en temperatur på 0 °C og normalt atmosfærisk tryk er luftmassen med et volumen på 1 m 3 lig med 1,29 kg. Vægten af denne luft er let at beregne:
P = g m, P = 9,8 N/kg 1,29 kg ≈ 13 N.
luftskal, omkring Jorden, kaldet atmosfære (fra græsk atmosfære- damp, luft og kugle- bold).
Atmosfæren, som vist ved observationer af flyvningen af kunstige jordsatellitter, strækker sig til en højde på flere tusinde kilometer.
På grund af tyngdekraften komprimerer de øvre lag af atmosfæren, ligesom havvand, de nederste lag. Luftlaget, der støder direkte op til Jorden, komprimeres mest og overfører ifølge Pascals lov det tryk, der udøves på det i alle retninger.
Som et resultat af dette oplever jordens overflade og de kroppe, der er placeret på den, tryk fra hele luftens tykkelse, eller, som man normalt siger i sådanne tilfælde, oplever atmosfærisk tryk .
Eksistensen af atmosfærisk tryk kan forklare mange fænomener, som vi møder i livet. Lad os se på nogle af dem.
Figuren viser et glasrør, inden i hvilket der er et stempel, der passer tæt til rørets vægge. Enden af røret sænkes ned i vand. Hvis du løfter stemplet, vil vandet stige bagved det.
Dette fænomen bruges i vandpumper og nogle andre enheder.
Figuren viser en cylindrisk beholder. Den lukkes med en prop, hvori der indsættes et rør med en hane. Luft pumpes ud af beholderen med en pumpe. Enden af røret placeres derefter i vand. Hvis du nu åbner for hanen, vil vandet sprøjte som et springvand ind i karrets inderside. Vand kommer ind i beholderen, fordi atmosfærisk tryk er større end trykket af fortærnet luft i beholderen.
Hvorfor eksisterer jordens luftkappe?
Som alle legemer tiltrækkes de gasmolekyler, der udgør Jordens luftkappe, af Jorden.
Men hvorfor falder de så ikke alle sammen til Jordens overflade? Hvordan bevares jordens luftkappe og dens atmosfære? For at forstå dette må vi tage højde for, at gasmolekyler er i kontinuerlig og tilfældig bevægelse. Men så opstår et andet spørgsmål: hvorfor flyver disse molekyler ikke væk ud i det ydre rum, altså ud i rummet.
For helt at forlade Jorden, et molekyle, som f.eks rumfartøj eller en raket, skal have en meget høj hastighed (ikke mindre end 11,2 km/s). Dette er den såkaldte anden flugthastighed. Hastigheden af de fleste molekyler i jordens luftskal er væsentligt mindre end dette flugthastighed. Derfor er de fleste af dem bundet til Jorden af tyngdekraften, kun et ubetydeligt antal molekyler flyver ud over Jorden ud i rummet.
Den tilfældige bevægelse af molekyler og tyngdekraftens indvirkning på dem resulterer i, at gasmolekyler "svæver" i rummet nær Jorden og danner en luftkappe eller den atmosfære, vi kender.
Målinger viser, at lufttætheden falder hurtigt med højden. Så i en højde på 5,5 km over Jorden er tætheden af luft 2 gange mindre end dens tæthed ved jordens overflade, i en højde på 11 km - 4 gange mindre osv. Jo højere den er, jo sjældnere luften. Og endelig i det meste øverste lag(hundrede og tusinder af kilometer over Jorden) bliver atmosfæren gradvist til luftløst rum. Jordens luftkappe har ikke en klar grænse.
Strengt taget, på grund af tyngdekraftens påvirkning, er gasdensiteten i enhver lukket beholder ikke den samme i hele beholderens volumen. I bunden af beholderen er gasdensiteten større end i dens øvre dele, derfor er trykket i beholderen ikke det samme. Den er større i bunden af karret end i toppen. Men for en gas indeholdt i en beholder er denne forskel i tæthed og tryk så lille, at den i mange tilfælde kan ignoreres fuldstændigt, bare kendt om den. Men for en atmosfære, der strækker sig over flere tusinde kilometer, er denne forskel betydelig.
Måling af atmosfærisk tryk. Torricellis oplevelse.
Det er umuligt at beregne atmosfærisk tryk ved hjælp af formlen til beregning af trykket i en væskesøjle (§ 38). For en sådan beregning skal du kende højden af atmosfæren og luftens tæthed. Men atmosfæren har ikke en bestemt grænse, og tætheden af luft i forskellige højder er forskellig. Atmosfærisk tryk kan dog måles ved hjælp af et eksperiment foreslået i det 17. århundrede af en italiensk videnskabsmand Evangelista Torricelli , elev af Galileo.
Torricellis eksperiment består af følgende: et glasrør på ca. 1 m langt, forseglet i den ene ende, er fyldt med kviksølv. Derefter lukkes den anden ende af røret tæt, vendes det og sænkes ned i en kop kviksølv, hvor denne ende af røret åbnes under niveauet af kviksølv. Som i ethvert forsøg med væske hældes en del af kviksølvet i koppen, og en del af det forbliver i røret. Højden af den kviksølvsøjle, der er tilbage i røret, er ca. 760 mm. Der er ingen luft over kviksølvet inde i røret, der er et luftløst rum, så ingen gas udøver tryk fra oven på kviksølvsøjlen inde i dette rør og påvirker ikke målingerne.
Torricelli, der foreslog det ovenfor beskrevne eksperiment, gav også sin forklaring. Atmosfæren presser på overfladen af kviksølvet i koppen. Kviksølv er i ligevægt. Det betyder, at trykket i røret er på niveau åh 1 (se figur) er lig med atmosfærisk tryk. Når atmosfærisk tryk ændres, ændres højden af kviksølvsøjlen i røret også. Når trykket stiger, forlænges søjlen. Når trykket falder, mindsker kviksølvsøjlen sin højde.
Trykket i røret på niveau aa1 skabes af vægten af kviksølvsøjlen i røret, da der ikke er luft over kviksølvet i den øverste del af røret. Det følger heraf atmosfærisk tryk er lig med trykket af kviksølvsøjlen i røret , dvs.
s atm = s kviksølv
Jo højere atmosfærisk tryk, jo højere er kviksølvsøjlen i Torricellis eksperiment. Derfor kan atmosfærisk tryk i praksis måles ved højden af kviksølvsøjlen (i millimeter eller centimeter). Hvis det atmosfæriske tryk for eksempel er 780 mm Hg. Kunst. (de siger "millimeter kviksølv"), det betyder, at luften producerer det samme tryk som en lodret søjle af kviksølv 780 mm høj.
Derfor er måleenheden for atmosfærisk tryk i dette tilfælde 1 millimeter kviksølv (1 mmHg). Lad os finde forholdet mellem denne enhed og den enhed, vi kender - pascal(Pa).
Trykket af en kviksølvsøjle ρ af kviksølv med en højde på 1 mm er lig med:
s = g·ρ·h, s= 9,8 N/kg · 13.600 kg/m 3 · 0,001 m ≈ 133,3 Pa.
Altså 1 mmHg. Kunst. = 133,3 Pa.
I øjeblikket måles atmosfærisk tryk normalt i hektopascal (1 hPa = 100 Pa). For eksempel kan vejrmeldinger meddele, at trykket er 1013 hPa, hvilket er det samme som 760 mmHg. Kunst.
Ved at observere højden af kviksølvsøjlen i røret hver dag, opdagede Torricelli, at denne højde ændres, det vil sige, at det atmosfæriske tryk ikke er konstant, det kan stige og falde. Torricelli bemærkede også, at atmosfærisk tryk er forbundet med ændringer i vejret.
Hvis du sætter en lodret skala til kviksølvrøret, der blev brugt i Torricellis eksperiment, får du den enkleste enhed - kviksølvbarometer (fra græsk baros- tyngde, metero- Jeg måler). Det bruges til at måle atmosfærisk tryk.
Barometer - aneroid.
I praksis bruges et metalbarometer kaldet et metalbarometer til at måle atmosfærisk tryk. aneroid (oversat fra græsk - aneroid). Det er, hvad et barometer kaldes, fordi det ikke indeholder kviksølv.
Aneroidets udseende er vist på figuren. Dens hoveddel er en metalkasse 1 med en bølget (bølget) overflade (se anden figur). Luften pumpes ud af denne boks, og for at forhindre atmosfærisk tryk i at knuse kassen, trækkes dens låg 2 opad af en fjeder. Når det atmosfæriske tryk stiger, bøjes låget ned og strammer fjederen. Når trykket falder, retter fjederen hætten ud. En indikatorpil 4 er fastgjort til fjederen ved hjælp af en transmissionsmekanisme 3, som bevæger sig til højre eller venstre, når trykket ændres. Under pilen er der en skala, hvis inddelinger er markeret efter kviksølvbarometerets aflæsninger. Således viser tallet 750, som aneroidpilen står imod (se figur), at i i øjeblikket i et kviksølvbarometer er højden af kviksølvsøjlen 750 mm.
Derfor er det atmosfæriske tryk 750 mmHg. Kunst. eller ≈ 1000 hPa.
Værdien af atmosfærisk tryk er meget vigtig for at forudsige vejret for de kommende dage, da ændringer i atmosfærisk tryk er forbundet med ændringer i vejret. Et barometer er et nødvendigt instrument til meteorologiske observationer.
Atmosfærisk tryk i forskellige højder.
I en væske afhænger trykket, som vi ved, af væskens densitet og højden af dens søjle. På grund af lav kompressibilitet er væskens densitet i forskellige dybder næsten den samme. Derfor, når vi beregner tryk, overvejer vi dens tæthedskonstant og tager kun højde for ændringen i højden.
Situationen med gasser er mere kompliceret. Gasser er meget komprimerbare. Og jo mere en gas komprimeres, jo større densitet, og jo større tryk producerer den. Når alt kommer til alt, er gastrykket skabt af påvirkningerne af dets molekyler på overfladen af kroppen.
Luftlagene ved Jordens overflade komprimeres af alle de overliggende luftlag, der er placeret over dem. Men jo højere luftlaget er fra overfladen, jo svagere er det komprimeret, jo lavere er dets tæthed. Derfor, jo mindre pres producerer det. Hvis der f.eks. ballon stiger over jordens overflade, bliver lufttrykket på bolden mindre. Dette sker ikke kun fordi højden af luftsøjlen over den falder, men også fordi luftens tæthed falder. Den er mindre i toppen end i bunden. Derfor er lufttrykkets afhængighed af højden mere kompleks end væsker.
Observationer viser, at det atmosfæriske tryk i områder ved havoverfladen i gennemsnit er 760 mm Hg. Kunst.
Atmosfærisk tryk svarende til trykket af en kviksølvsøjle 760 mm høj ved en temperatur på 0 ° C kaldes normalt atmosfærisk tryk.
Normalt atmosfærisk tryk er lig med 101.300 Pa = 1013 hPa.
Hvordan mere højde over havets overflade, jo lavere er trykket.
Ved små stigninger falder trykket i gennemsnit for hver 12 m stigning med 1 mmHg. Kunst. (eller med 1,33 hPa).
Når du kender trykkets afhængighed af højden, kan du bestemme højden over havets overflade ved at ændre barometeraflæsningerne. Aneroider, der har en skala, hvormed højde over havets overflade kan måles direkte, kaldes højdemålere . De bruges i luftfart og bjergbestigning.
Trykmålere.
Vi ved allerede, at barometre bruges til at måle atmosfærisk tryk. For at måle tryk større eller mindre end atmosfærisk tryk, bruges det trykmålere (fra græsk manos- sjælden, løs, metero- Jeg måler). Der er trykmålere flydende Og metal.
|
|
Lad os først se på enheden og handlingen. åben væsketrykmåler . Den består af et tobenet glasrør, hvori der hældes lidt væske. Væsken er installeret i begge albuer på samme niveau, da kun atmosfærisk tryk virker på dens overflade i karets albuer.
For at forstå, hvordan en sådan trykmåler fungerer, kan den forbindes med et gummirør til en rund flad kasse, hvoraf den ene side er dækket af gummifilm. Hvis du trykker fingeren på filmen, vil væskeniveauet i trykmålerens albue, der er tilsluttet boksen, falde, og i den anden albue vil det stige. Hvad forklarer dette?
Ved tryk på filmen øges lufttrykket i kassen. Ifølge Pascals lov overføres denne trykstigning til væsken i trykmålerens albue, der er forbundet med boksen. Derfor vil trykket på væsken i denne albue være større end i den anden, hvor kun atmosfærisk tryk virker på væsken. Under kraften af dette overtryk vil væsken begynde at bevæge sig. I albuen med trykluft vil væsken falde, i den anden vil den stige. Væsken vil komme i ligevægt (stop), når overtrykket komprimeret luft vil blive afbalanceret af trykket produceret af den overskydende væskesøjle i det andet ben af trykmåleren.
Jo hårdere du trykker på filmen, jo højere er overskydende væskesøjle, jo større er dens tryk. Derfor, ændringen i tryk kan bedømmes ud fra højden af denne overskydende søjle.
Figuren viser, hvordan en sådan manometer kan måle trykket inde i en væske. Jo dybere røret er nedsænket i væsken, jo større bliver forskellen i højden af væskesøjlerne i manometerets albuer. derfor og mere tryk genereres af væsken.
Hvis du installerer apparatboksen i en dybde inde i væsken og vender den med filmen opad, sidelæns og nedad, ændres trykmålerens aflæsninger ikke. Sådan skal det være, fordi på samme niveau inde i en væske, er trykket det samme i alle retninger.
Billedet viser metal trykmåler . Hoveddelen af en sådan trykmåler er et metalrør bøjet ind i et rør 1 , hvoraf den ene ende er lukket. Den anden ende af røret ved hjælp af en hane 4 kommunikerer med beholderen, hvori trykket måles. Når trykket stiger, bøjes røret ud. Bevægelse af dens lukkede ende ved hjælp af et håndtag 5 og takker 3 overføres til pilen 2 , bevæger sig nær instrumentskalaen. Når trykket falder, vender røret på grund af dets elasticitet tilbage til sin tidligere position, og pilen vender tilbage til skalaens nuldeling.
Stempel væskepumpe.
I det tidligere omtalte forsøg (§ 40) blev det fastslået, at vandet i glasrøret under påvirkning af atmosfærisk tryk steg opad bag stemplet. Det er det, handlingen er baseret på. stempel pumper
Pumpen er vist skematisk på figuren. Den består af en cylinder, indeni hvilken et stempel bevæger sig op og ned, tæt ved siden af fartøjets vægge 1 . Ventiler er installeret i bunden af cylinderen og i selve stemplet 2 , åbner kun opad. Når stemplet bevæger sig opad, kommer vand under påvirkning af atmosfærisk tryk ind i røret, løfter den nedre ventil og bevæger sig bag stemplet.
Når stemplet bevæger sig nedad, presser vandet under stemplet på bundventilen, og den lukker. Samtidig åbner en ventil inde i stemplet under vandtryk, og vand strømmer ind i rummet over stemplet. Næste gang stemplet bevæger sig opad, stiger vandet over det også og strømmer ind i udløbsrøret. Samtidig stiger en ny portion vand op bag stemplet, som, når stemplet efterfølgende sænkes, vil dukke op over det, og hele denne procedure gentages igen og igen, mens pumpen kører.
Hydraulisk presse.
Pascals lov forklarer handlingen hydraulisk maskine (fra græsk hydraulik- vand). Det er maskiner, hvis drift er baseret på bevægelseslovene og væskers ligevægt.
Hoveddelen af den hydrauliske maskine er to cylindre forskellige diametre, udstyret med stempler og et forbindelsesrør. Rummet under stemplerne og røret er fyldt med væske (normalt mineralolie). Højderne på væskesøjlerne i begge cylindre er de samme, så længe der ikke virker kræfter på stemplerne.
Lad os nu antage, at kræfterne F 1 og F 2 - kræfter, der virker på stemplerne, S 1 og S 2 - stempelområder. Trykket under det første (lille) stempel er lig med s 1 = F 1 / S 1, og under den anden (stor) s 2 = F 2 / S 2. Ifølge Pascals lov overføres tryk ligeligt i alle retninger af en væske i hvile, dvs. s 1 = s 2 eller F 1 / S 1 = F 2 / S 2, fra:
F 2 / F 1 = S 2 / S 1 .
Derfor styrken F 2 så mange gange mere kraft F 1 , Hvor mange gange er arealet af det store stempel større end arealet af det lille stempel?. For eksempel, hvis arealet af det store stempel er 500 cm2, og det lille er 5 cm2, og en kraft på 100 N virker på det lille stempel, så vil en kraft 100 gange større, det vil sige 10.000 N, virke på det større stempel.
Det er således ved hjælp af en hydraulisk maskine muligt at afbalancere en større kraft med en lille kraft.
Holdning F 1 / F 2 viser styrkeforøgelsen. For eksempel, i det givne eksempel er forstærkningen i styrke 10.000 N / 100 N = 100.
En hydraulisk maskine, der bruges til at presse (klemme) kaldes hydraulisk presse .
Hydrauliske presser bruges, hvor der kræves større kraft. For eksempel til presning af olie fra frø i oliemøller, til presning af krydsfiner, pap, hø. I metallurgiske anlæg bruges hydrauliske presser til fremstilling af stålmaskinaksler, jernbanehjul og mange andre produkter. Moderne hydrauliske presser kan udvikle kræfter på ti og hundreder af millioner newtons.
Enhed hydraulisk presse vist skematisk på figuren. Det pressede legeme 1 (A) er placeret på en platform forbundet med det store stempel 2 (B). Ved hjælp af et lille stempel 3 (D) skabes et højt tryk på væsken. Dette tryk overføres til hvert punkt af væsken, der fylder cylindrene. Derfor virker det samme tryk på det andet, større stempel. Men da arealet af det 2. (store) stempel er større end arealet af det lille, vil kraften, der virker på det, være større end kraften, der virker på stempel 3 (D). Under påvirkning af denne kraft vil stempel 2 (B) stige. Når stempel 2 (B) hæver sig, hviler kroppen (A) mod den stationære øvre platform og komprimeres. Trykmåler 4 (M) måler væsketrykket. Sikkerhedsventil 5 (P) åbner automatisk, når væsketrykket overstiger den tilladte værdi.
Fra den lille cylinder til den store pumpes væsken ved gentagne bevægelser af det lille stempel 3 (D). Dette gøres som følger. Når det lille stempel (D) hæver sig, åbner ventil 6 (K), og væske suges ind i rummet under stemplet. Når det lille stempel sænkes under påvirkning af væsketrykket, lukker ventil 6 (K), og ventil 7 (K") åbner, og væsken strømmer ind i den store beholder.
Virkningen af vand og gas på en krop nedsænket i dem.
Under vandet kan vi sagtens løfte en sten, der er svær at løfte i luften. Hvis du sætter en prop under vand og slipper den fra dine hænder, vil den flyde op. Hvordan kan disse fænomener forklares?
Vi ved (§ 38), at væsken trykker på karrets bund og vægge. Og hvis et eller andet fast legeme placeres inde i væsken, vil det også blive udsat for tryk, ligesom beholderens vægge.
Lad os overveje de kræfter, der virker fra væsken på en krop nedsænket i den. For at gøre det lettere at ræsonnere, lad os vælge et legeme, der har form som et parallelepipedum med baser parallelt med væskens overflade (fig.). Kræfter, der virker på sideflader kroppe er lige i par og balancerer hinanden. Under påvirkning af disse kræfter trækker kroppen sig sammen. Men kræfterne, der virker på kroppens øvre og nedre kanter, er ikke de samme. Den øverste kant presses med kraft fra oven F 1 søjle væske høj h 1. På niveau med den nederste kant frembringer trykket en væskesøjle med en højde h 2. Dette tryk overføres, som vi ved (§ 37), inde i væsken i alle retninger. Følgelig på undersiden af kroppen fra bund til top med kraft F 2 presser en væskesøjle højt h 2. Men h 2 mere h 1, derfor kraftmodulet F 2 mere strømmodul F 1. Derfor skubbes kroppen ud af væsken med kraft F Vt, lig med forskellen i kræfter F 2 - F 1, dvs.
|
|
Men S·h = V, hvor V er volumenet af parallelepipedet, og ρ f ·V = m f er væskemassen i parallelepipedets rumfang. Derfor, F ud = g m w = P w, dvs. flydekraften er lig med vægten af væsken i volumenet af kroppen nedsænket i den(flydekraften er lig med vægten af væsken med samme volumen som volumen af kroppen nedsænket i den). Eksistensen af en kraft, der skubber et legeme ud af en væske, er let at opdage eksperimentelt. På billedet EN viser en krop ophængt i en fjeder med en pilemarkør for enden. Pilen markerer fjederens spænding på stativet. Når kroppen slippes ud i vandet, trækker fjederen sig sammen (fig. b). Den samme sammentrækning af fjederen opnås, hvis du virker på kroppen fra bund til top med en vis kraft, for eksempel trykker med hånden (løft). Derfor bekræfter erfaringen det et legeme i en væske påvirkes af en kraft, der skubber kroppen ud af væsken. Pascals lov gælder som bekendt også for gasser. Det er derfor legemer i gas er udsat for en kraft, der presser dem ud af gassen. Under påvirkning af denne kraft stiger ballonerne opad. Eksistensen af en kraft, der skubber et legeme ud af en gas, kan også observeres eksperimentelt. Vi hænger en glaskugle eller en stor kolbe lukket med en prop fra den forkortede skalaspande. Vægten er afbalanceret. Derefter placeres et bredt kar under kolben (eller kuglen), så den omgiver hele kolben. Beholderen er fyldt med kuldioxid, hvis densitet er større end densiteten af luft (derfor kuldioxid falder ned og fylder karret og fortrænger luft fra det). I dette tilfælde er vægtens balance forstyrret. Koppen med den ophængte kolbe stiger opad (fig.). En kolbe nedsænket i kuldioxid oplever en større opdriftskraft end den kraft, der virker på den i luften. Kraften, der skubber et legeme ud af en væske eller gas, er rettet modsat tyngdekraften påført dette legeme. Derfor prolkosmos). Det er netop derfor, vi i vand nogle gange nemt løfter kroppe, som vi har svært ved at holde i luften. En lille spand og en krop er ophængt fra fjederen cylindrisk(Fig., a). En pil på stativet markerer fjederens strækning. Det viser kroppens vægt i luften. Efter at have løftet kroppen anbringes en støbebeholder fyldt med væske til niveauet af støberøret under den. Hvorefter kroppen er helt nedsænket i væsken (fig., b). På samme tid en del af væsken, hvis volumen er lig med kroppens volumen, hældes ud fra hældekarret ned i glasset. Fjederen trækker sig sammen, og fjedermarkøren hæver sig, hvilket indikerer et fald i kropsvægten i væsken. I i dette tilfælde Ud over tyngdekraften virker en anden kraft på kroppen og skubber den ud af væsken. Hvis væske fra et glas hældes i den øverste spand (dvs. væsken, der blev fortrængt af kroppen), vil fjedermarkøren vende tilbage til sin udgangsposition (fig. c).
Baseret på denne erfaring kan det konkluderes, at kraften, der skubber et legeme helt nedsænket i en væske ud, er lig med væskens vægt i dette legemes volumen . Samme konklusion fik vi i § 48. Hvis et lignende eksperiment blev udført med en krop nedsænket i noget gas, ville det vise det kraften, der skubber et legeme ud af en gas, er også lig med vægten af gassen taget i kroppens volumen . Den kraft, der skubber et legeme ud af en væske eller gas kaldes Arkimedisk styrke, til ære for videnskabsmanden Archimedes , som først påpegede dens eksistens og beregnede dens værdi. Erfaringen har altså bekræftet, at den arkimediske (eller flydende) kraft er lig med væskens vægt i kroppens volumen, dvs. F A = P f = g m og. Massen af væske mf fortrængt af et legeme kan udtrykkes gennem dets densitet ρf og volumenet af legemet Vt nedsænket i væsken (da Vf - volumenet af væske fortrængt af legemet er lig med Vt - volumenet af legemet nedsænket i væsken), dvs. m f = ρ f ·V t. F A= g·ρ og · V T Følgelig afhænger den arkimediske kraft af tætheden af den væske, som legemet er nedsænket i, og af dette legemes volumen. Men det afhænger for eksempel ikke af tætheden af stoffet i kroppen nedsænket i væsken, da denne mængde ikke er inkluderet i den resulterende formel. Lad os nu bestemme vægten af et legeme nedsænket i en væske (eller gas). Da de to kræfter, der virker på kroppen i dette tilfælde, er rettet i modsatte retninger (tyngdekraften er nedad, og den arkimediske kraft er opad), så vil vægten af legemet i væsken P 1 være mindre vægt kroppe i vakuum P = gm på den arkimediske styrke F A = g m w (hvor m g - masse af væske eller gas fortrængt af kroppen). Således, hvis et legeme er nedsænket i en væske eller gas, så taber det lige så meget som den væske eller gas, det fortrængte vejer. Eksempel. Bestem den flydekraft, der virker på en sten med et volumen på 1,6 m 3 i havvand. Lad os skrive betingelserne for problemet ned og løse det. Når det flydende legeme når væskens overflade, vil den arkimedeiske kraft aftage med sin yderligere opadgående bevægelse. Hvorfor? Men fordi volumenet af den del af kroppen, der er nedsænket i væsken, vil falde, og den arkimediske kraft er lig med væskens vægt i volumen af den del af kroppen, der er nedsænket i den. Når den arkimediske kraft bliver lig med tyngdekraften, vil kroppen stoppe og flyde på overfladen af væsken, delvis nedsænket i den. Den resulterende konklusion kan let verificeres eksperimentelt. Hæld vand i drænbeholderen til niveau med drænrøret. Efter dette vil vi nedsænke det flydende legeme i fartøjet, efter at vi tidligere har vejet det i luften. Efter at være faldet ned i vand fortrænger et legeme et volumen vand svarende til volumenet af den del af kroppen, der er nedsænket i det. Efter at have vejet dette vand, finder vi ud af, at dets vægt (arkimedisk kraft) er lig med tyngdekraften, der virker på et flydende legeme, eller vægten af dette legeme i luften. Efter at have udført de samme eksperimenter med andre kroppe, der flyder i forskellige væsker - vand, alkohol, saltopløsning, kan du være sikker på, at hvis et legeme flyder i en væske, så er vægten af væsken, der fortrænges af det, lig med vægten af dette legeme i luften. Det er nemt at bevise det hvis massefylden af et fast fast stof er større end massefylden af en væske, så synker kroppen i en sådan væske. Et legeme med en lavere tæthed flyder i denne væske. Et stykke jern, for eksempel, synker i vand, men flyder i kviksølv. Et legeme, hvis densitet er lig med densiteten af væsken, forbliver i ligevægt inde i væsken. Is flyder på overfladen af vand, fordi dens massefylde er mindre end densiteten af vand. Jo lavere densiteten af legemet er sammenlignet med densiteten af væsken, jo mindre del af kroppen er nedsænket i væsken . På lige tætheder legemer og væsker et legeme flyder inde i en væske på enhver dybde. To ublandbare væsker, for eksempel vand og petroleum, er placeret i en beholder i overensstemmelse med deres densiteter: i den nederste del af beholderen - tættere vand (ρ = 1000 kg/m3), på toppen - lettere petroleum (ρ = 800 kg /m3). Den gennemsnitlige tæthed af levende organismer, der bor i vandmiljøet, adskiller sig lidt fra tætheden af vand, så deres vægt er næsten fuldstændig afbalanceret af den arkimedeiske kraft. Takket være dette har vanddyr ikke brug for så stærke og massive skeletter som terrestriske. Af samme grund er vandplanternes stammer elastiske. En fisks svømmeblære ændrer let volumen. Når en fisk ved hjælp af muskler går ned til en større dybde, og vandtrykket på den stiger, trækker boblen sig sammen, volumen af fiskens krop falder, og den skubbes ikke op, men flyder i dybet. Således kan fisken regulere dybden af sit dyk inden for visse grænser. Hvaler regulerer dybden af deres dyk ved at reducere og øge deres lungekapacitet. Sejlads af skibe.Fartøjer, der sejler på floder, søer, have og oceaner, er bygget af forskellige materialer med forskellige tætheder. Skibes skrog er normalt lavet af stålplader. Alle indvendige fastgørelser, der giver skibene styrke, er også lavet af metaller. Bruges til at bygge skibe forskellige materialer, der har både højere og lavere densiteter sammenlignet med vand. Hvordan flyder skibe, tager om bord og transporterer stor last? Et forsøg med et flydende legeme (§ 50) viste, at kroppen fortrænger så meget vand med sin undervandsdel, at vægten af dette vand er lig med vægten af legemet i luften. Dette gælder også for ethvert fartøj. Vægten af vand, der fortrænges af fartøjets undervandsdel, er lig med vægten af fartøjet med lasten i luften eller tyngdekraften, der virker på fartøjet med lasten. Den dybde, hvortil et skib er nedsænket i vand, kaldes udkast . Den maksimalt tilladte dybgang er markeret på skibets skrog med en rød linje kaldet vandlinje (fra hollandsk. vand- vand). Vægten af vand, der forskydes af et skib, når det er nedsænket i vandlinjen, svarende til tyngdekraften, der virker på det lastede skib, kaldes skibets forskydning. I øjeblikket bygges skibe med en deplacement på 5.000.000 kN (5 × 10 6 kN) eller mere til transport af olie, det vil sige med en masse på 500.000 tons (5 × 10 5 t) eller mere sammen med lasten. Hvis vi trækker vægten af selve fartøjet fra forskydningen, får vi dette fartøjs bæreevne. Bæreevnen viser vægten af den last, som skibet bærer. Skibsbygning fandtes i det gamle Egypten, Fønikien (det menes, at fønikerne var en af de bedste skibsbyggere) og det gamle Kina. I Rusland opstod skibsbygningen i begyndelsen af det 17. og 18. århundrede. For det meste blev der bygget krigsskibe, men det var i Rusland, at den første isbryder, skibe med forbrændingsmotor, og den nukleare isbryder Arktika blev bygget. Luftfart.
Tegning, der beskriver Montgolfier-brødrenes ballon fra 1783: "Udsigt og nøjagtige dimensioner af ballonen Globus"hvem var den første." 1786 Siden oldtiden har folk drømt om muligheden for at flyve over skyerne, at svømme i lufthavet, mens de svømmede på havet. Til aeronautik Først brugte de balloner, der var fyldt med enten opvarmet luft, brint eller helium. For at en ballon kan stige op i luften, er det nødvendigt, at den arkimedeiske kraft (opdrift) F En indvirkning på bolden var større end tyngdekraften F tunge, dvs. F A > F tung Når bolden stiger opad, aftager den arkimedeiske kraft, der virker på den ( F A = gρV), siden densiteten øverste lag atmosfæren er mindre end jordens overflade. For at stige højere tabes en speciel ballast (vægt) fra bolden, og dette letter bolden. Til sidst når bolden sin maksimale løftehøjde. For at frigøre bolden fra dens skal frigives en del af gassen ved hjælp af en speciel ventil. I vandret retning bevæger en ballon sig kun under påvirkning af vinden, hvorfor den kaldes ballon (fra græsk aer- luft, stato- stående). For ikke så længe siden blev enorme balloner brugt til at studere de øverste lag af atmosfæren og stratosfæren - stratosfæriske balloner . Før vi lærte at bygge store fly til lufttransport af passagerer og gods blev der brugt kontrollerede balloner - luftskibe. De har en aflang form en gondol med en motor er ophængt under kroppen, som driver propellen. Ballonen rejser sig ikke kun af sig selv, men kan også løfte noget last: kabinen, mennesker, instrumenter. Derfor, for at finde ud af, hvilken slags last en ballon kan løfte, er det nødvendigt at bestemme det elevator. Lad for eksempel en ballon med et volumen på 40 m 3 fyldt med helium skydes op i luften. Massen af helium, der fylder kuglens skal, vil være lig med: Det betyder, at denne bold kan løfte en byrde, der vejer 520 N - 71 N = 449 N. Dette er dens løftekraft. En ballon med samme volumen, men fyldt med brint, kan løfte en belastning på 479 N. Det betyder, at dens løftekraft er større end en ballon fyldt med helium. Men helium bruges stadig oftere, da det ikke brænder og derfor er mere sikkert. Brint er en brandfarlig gas. Det er meget nemmere at løfte og sænke en bold fyldt med varm luft. For at gøre dette er en brænder placeret under hullet placeret i den nederste del af bolden. Med hjælpen gasbrænder du kan regulere temperaturen på luften inde i bolden, og derfor dens tæthed og flydekraft. For at få bolden til at stige højere er det nok at opvarme luften i den kraftigere ved at øge brænderflammen. Efterhånden som brænderens flamme falder, falder lufttemperaturen i kuglen, og kuglen går ned. Du kan vælge en boldtemperatur, hvor vægten af bolden og kabinen vil være lig med flydekraften. Så vil bolden hænge i luften, og det bliver nemt at lave observationer ud fra den. Efterhånden som videnskaben udviklede sig, skete der betydelige ændringer i luftfartsteknologien. Det blev muligt at bruge nye skaller til balloner, som blev holdbare, frostbestandige og lette. Fremskridt inden for radioteknik, elektronik og automatisering har gjort det muligt at designe ubemandede balloner. Disse balloner bruges til at studere luftstrømme til geografisk og biomedicinsk forskning i de nederste lag af atmosfæren. Daglige spørgsmål om, hvorfor pumper ikke kan suge væske op fra en dybde på mere end 9 meter, fik mig til at skrive en artikel om dette. Ingen kunne forklare, hvad der foregik her, før Galileos elev E. Toricelli foreslog, at vandet i systemet stiger under påvirkning af atmosfærens tyngdekraft, som presser på søens overflade. En vandsøjle 10,3 m høj balancerer nøjagtigt dette tryk, og derfor stiger vandet ikke højere. Toricelli tog et glasrør med den ene ende forseglet og den anden åben og fyldte det med kviksølv. Så lukkede han hullet med sin finger og vendte røret om og sænkede dets åbne ende ned i et kar fyldt med kviksølv. Kviksølvet hældte ikke ud af røret, men faldt kun lidt.
På samme måde, hvis man i et forsøg med kviksølv i stedet hælder vand i røret, bliver vandsøjlen 10,3 meter høj. Det er derfor, de ikke laver vandbarometre, fordi... de ville være for omfangsrige.
Trykket af en væskesøjle (P) er lig med produktet af tyngdeaccelerationen (g), væskens densitet (ρ) og væskesøjlens højde:
Atmosfærisk tryk ved havoverfladen (P) antages at være lig med 1 kg/cm2 (100 kPa). Densiteten af vand ved en temperatur på 20°C er 1000 kg/m3. Ud fra denne formel er det klart, at jo lavere atmosfærisk tryk (P), jo lavere højde kan væsken stige (dvs. jo højere over havets overflade, for eksempel i bjergene, jo lavere dybde kan pumpen suge fra). For eksempel det samme kviksølv, med ideelle forhold, kan løftes fra en højde på højst 760 mm. Så hvilke konklusioner kan man drage af alt dette: hvor P er atmosfærisk tryk, er væskens massefylde. g – gravitationsacceleration, x – tabsværdi (m). Bemærk: Formlen kan bruges til at beregne sugeløftet ved normale forhold og temperaturer op til +30°C. For eksempel, når væsketemperaturen stiger til +60°C, falder sugehøjden med næsten det halve. Og det mest interessante er, at vi alle gennemgik alt dette i en fysiklektion, mens vi studerede emnet "atmosfærisk tryk". Lommeregneren nedenfor er designet til at beregne en ukendt mængde ud fra givne værdier ved hjælp af formlen for trykket i en væskesøjle. Lommeregneren giver dig mulighed for at finde
At udlede formler for alle tilfælde er trivielt. For tæthed er standardværdien vandtætheden, for tyngdeaccelerationen - jordens acceleration, og for tryk - en værdi svarende til én atmosfæres tryk. Lidt teori, som sædvanligt, under lommeregneren. tryktæthed højde acceleration af tyngdekraften Tryk i væske, Pa Væskesøjlehøjde, m Væskedensitet, kg/m3 Tyngdeacceleration, m/s2 Hydrostatisk tryk - tryk af vandsøjlen over det konventionelle niveau. Formlen for hydrostatisk tryk er afledt ganske enkelt Fra denne formel er det klart, at trykket ikke afhænger af fartøjets område eller dets form. Det afhænger kun af tætheden og højden af kolonnen af en bestemt væske. Hvoraf det følger, at ved at øge højden af fartøjet, kan vi skabe ganske højt blodtryk. Dette fører også til fænomenet hydrostatisk paradoks. Hydrostatisk paradoks- et fænomen, hvor kraften af vægttryk af en væske, der hældes i en beholder i bunden af beholderen, kan afvige fra vægten af den hældte væske. I beholdere med et opadgående tværsnit er trykkraften på bunden af beholderen mindre end væskens vægt i beholdere med et opadgående tværsnit, trykkraften på bunden af beholderen mere vægt væsker. Væsketrykkets kraft på bunden af beholderen er kun lig med væskens vægt for en cylindrisk beholder.
På billedet ovenfor er trykket i bunden af beholderen det samme i alle tilfælde og afhænger ikke af vægten af den hældte væske, men kun af dens niveau. Årsagen til det hydrostatiske paradoks er, at væsken ikke kun trykker på bunden, men også på karrets vægge. Væsketryk kl skrå vægge har en lodret komponent. I et kar, der udvider sig opad, er det rettet nedad i et kar, der indsnævrer opad, er det rettet opad. Vægten af væsken i beholderen vil være lig med summen lodrette komponenter af væsketryk over hele det indre område af beholderen VVS, ser det ud til, ikke giver megen grund til at dykke ned i junglen af teknologier, mekanismer eller engagere sig i omhyggelige beregninger for at bygge de mest komplekse ordninger. Men sådan en vision er et overfladisk blik på VVS. Den rigtige VVS-industri er på ingen måde ringere i kompleksitet i forhold til processerne og kræver ligesom mange andre industrier professionel tilgang. Til gengæld er faglighed et solidt lager af viden, som VVS bygger på. Lad os dykke (omend ikke for dybt) ned i VVS-uddannelsesstrømmen for at komme et skridt tættere på den professionelle status som en blikkenslager. Det grundlæggende grundlag for moderne hydraulik blev dannet, da Blaise Pascal opdagede, at væsketrykkets virkning er konstant i enhver retning. Virkningen af væsketrykket er rettet vinkelret på overfladen. Hvis en måleanordning (trykmåler) placeres under et væskelag i en vis dybde, og dets følsomme element er rettet i forskellige retninger, vil trykaflæsningerne forblive uændrede i enhver position af trykmåleren. Det vil sige, at væsketrykket ikke på nogen måde afhænger af retningsændringen. Men væsketrykket på hvert niveau afhænger af dybdeparameteren. Hvis trykmåleren flyttes tættere på væskens overflade, vil aflæsningen falde. Følgelig vil de målte aflæsninger stige ved dykning. Desuden vil trykparameteren også fordobles under forhold med fordobling af dybden. Pascals lov demonstrerer klart virkningen af vandtryk mest velkendte forhold for det moderne liv Det er klart, når hastighed bliver en faktor, kommer retning i spil. En kraft bundet til hastighed skal også have en retning. Derfor gælder Pascals lov som sådan ikke for de dynamiske effektfaktorer for fluidflow.  Strømningshastigheden afhænger af mange faktorer, herunder lag-for-lag adskillelse af væskemassen, såvel som modstand skabt af forskellige faktorer Dynamiske faktorer af inerti og friktion er bundet til statiske faktorer. Hastighedshøjden og tryktabet er bundet til væskens hydrostatiske hovedhøjde. En del af hastighedshovedet kan dog altid omdannes til statisk tryk. Kraft, som kan være forårsaget af tryk eller tryk ved håndtering af væsker, er nødvendig for at starte bevægelsen af en krop, hvis den er i hvile, og er til stede i en eller anden form, når. Når en væskes bevægelseshastighed indstilles, bruges derfor en del af dets indledende statiske tryk til at organisere denne hastighed, som efterfølgende eksisterer som en trykhastighed. Volumen og flowhastighedVolumenet af væske, der passerer gennem et bestemt punkt på et givet tidspunkt, betragtes som strømningsvolumen eller strømningshastighed. Flowvolumen udtrykkes normalt i liter pr. minut (L/min) og er relateret til væskens relative tryk. For eksempel 10 liter i minuttet ved 2,7 atm. Flowhastighed (væskehastighed) er defineret som gennemsnitshastighed, hvorved væsken bevæger sig forbi givet point. Typisk udtrykt i meter per sekund (m/s) eller meter per minut (m/min). Strømningshastigheden er vigtig faktor ved kalibrering af hydraulikledninger.  Væskestrømmens volumen og hastighed betragtes traditionelt som "relaterede" indikatorer. Med samme transmissionsvolumen kan hastigheden variere afhængigt af passagens tværsnit Volumen og strømningshastighed betragtes ofte samtidigt. Alt andet lige (forudsat at inputvolumenet forbliver konstant), øges strømningshastigheden, når tværsnittet eller størrelsen af røret falder, og strømningshastigheden falder, når tværsnittet øges. Således observeres en afmatning i strømningshastigheden i brede dele af rørledninger, og på smalle steder øges hastigheden tværtimod. Samtidig forbliver mængden af vand, der passerer gennem hvert af disse kontrolpunkter, uændret. Bernoullis principDet velkendte Bernoulli-princip bygger på den logik, at en stigning (fald) i trykket af en flydende væske altid er ledsaget af et fald (stigning) i hastigheden. Omvendt fører en stigning (fald) i væskehastigheden til et fald (forøgelse) i trykket. Dette princip ligger til grund for en række almindelige VVS-fænomener. Som et trivielt eksempel er Bernoullis princip ansvarlig for at få badeforhænget til at "trække sig indad", når brugeren tænder for vandet. Trykforskellen mellem yder- og indersiden forårsager en kraft på badeforhænget. Med denne kraftfulde indsats trækkes gardinet indad. Til andre et klart eksempel er en parfumeflaske med en spraydyse, når et område skabes lavt tryk på grund af høj lufthastighed. Og luften fører væsken med sig.  Bernoullis princip for en flyvinge: 1 - lavtryk; 2 - højt tryk; 3 - hurtigt flow; 4 — langsom flow; 5 - fløj Bernoullis princip viser også, hvorfor vinduer i et hus har tendens til at gå i stykker spontant under orkaner. I sådanne tilfælde er det ekstremt høj hastighed luft uden for vinduet fører til, at trykket udenfor bliver meget mindre end trykket indeni, hvor luften forbliver praktisk talt ubevægelig. En væsentlig forskel i kraft skubber simpelthen vinduerne udad, hvilket får glasset til at knække. Så når det kommer tættere på stærk orkan Som udgangspunkt bør du åbne vinduerne så bredt som muligt for at udligne trykket i og uden for bygningen. Og et par eksempler mere, når Bernoullis princip fungerer: stigningen af et fly med efterfølgende flyvning på grund af vingerne og bevægelsen af "kurvebolde" i baseball. I begge tilfælde skabes en forskel i hastigheden af luft, der passerer forbi objektet oppefra og nedefra. For flyvinger er forskellen i hastighed skabt af flappernes bevægelse i baseball, det er tilstedeværelsen af en bølget kant. Hjemme blikkenslager praksis
|
