Как известно, сила тяжести действует на все тела на Земле: и на твердые, и на жидкие, и на газообразные.
Рассмотрим жидкости. Нальем в сосуд, у которого вместо дна гибкая мембрана, воду. Мы наблюдаем, как резиновая пленка начинает прогибаться. Нетрудно догадаться, что под действием силы тяжести вес столба жидкости давит на дно сосуда. Причем, чем выше уровень налитой жидкости, тем больше растягивается резиновая мембрана. После того, как резиновое дно прогнулось, вода останавливается (приходит в равновесие), так как кроме силы тяжести, на воду действует сила упругости резиновой мембраны, которые и уравновешивают силу давления воды на дно.
Рассмотрим, давит ли жидкость на стенки сосуда? Возьмем сосуд с отверстиями в боковой стенке. Нальем в него воду. И быстро откроем отверстия. Мы наблюдаем картину, очень похожую на опыт с шаром Паскаля. Но при этом никакого внешнего давления на жидкость мы не оказывали. Для объяснения этого опыта необходимо вспомнить закон Паскаля.
Каждый слой жидкости, каждая молекула своим весом давит на нижние слои. При этом согласно закону Паскаля, это давление передается по всем направлениям и одинаково, в отличие от твердых тел, вес которых действует только в одном направлении. Так на нижние слои жидкости в сосуде действует большее количество молекул жидкости, чем на верхние — давление в нижней части сосуда больше. И как результат, напор воды из нижнего отверстия значительно больше.
Проведем еще один опыт. Поместим в большой сосуд с водой колбу с отпадающим дном. Для этого вначале плотно прижмем дно с помощью веревки. Когда сосуд окажется в воде, можно отпустить веревку. Что же плотно прижало дно к цилиндрическому сосуду? Дно к стенкам сосуда прижало давление воды, которое действует снизу вверх.
Теперь медленно и аккуратно начнем доливать воду в пустой сосуд. Как только уровни жидкостей в обоих сосудах станут одинаковыми, дно отпадет от сосуда.
Так как силы давления воды внутри цилиндра и снаружи стали одинаковыми, дно будет вести себя так же, как и в воздухе - как только мы отпустим веревку, дно будет отпадать вследствие земного притяжения.
В момент отрыва на дно давит сверху вниз столб жидкости в сосуде, а снизу вверх на дно передается давление такого же по высоте столба жидкости, но находящегося в банке.
Все эти опыты также можно провести и с другими жидкостями. Результат будет одинаковым.
Опытным путем, мы установили, что внутри жидкости существует давление. На одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается. Газы также имеют вес, этим и обусловлены схожие свойства передачи давления, как у жидкостей, так и у газов. Однако у газа плотность, по сравнению с жидкостью, значительно меньше. Поговорим еще об одном удивительном, и, казалось бы, невозможном явлении, которое получило название «гидростатический парадокс». Воспользуемся специальным прибором для демонстрации этого явления.
Используем в опыте три сосуда разной формы, заполненные жидкостью до одного уровня. Площадь дна всех сосудов одинакова и закрыта резиновой мембраной. Налитая жидкость растягивает мембрану. Прогибаясь, резиновая пленка давит на рычаг и отклоняет стрелку прибора.
Стрелка прибора во всех трех случаях отклоняется одинаково. Значит давление, создаваемое жидкостью, одинаковое и не зависит от веса налитой жидкости. Этот факт получил название гидростатического парадокса. Он объясняется тем, что жидкость, в отличие от твердых тел, часть давления передаст также стенкам сосудов.

По теме

“Давление в жидкости и газе”

Ученика 7 “Б” Класса

Средней школы №1

Лежнина Петра

Давление-величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности, называется давлением. За единицу давления принимается такое давление, ко­торое производит сила в 1Н, действующая на поверхность площадью 1м 2 перпендикулярно этой поверхности. Следовательно, чтобы определить давление, надо силу, действующую перпендикулярно поверхности, разделить на площадь поверхности: Известно, что молекулы газа беспорядочно движутся. При своем движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором находится газ. Молекул в газе много, потому и число их ударов очень велико. Например, число ударов молекул воздуха, находящегося в комнате, на поверхность площадью 1см 2 за 1 сек. выражается двадцатитрехзначным числом. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул о стенки сосуда значительно, оно и создает давление газа.

Итак, давление газа на стенки сосуда (и на помещенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа. Известно, что молекулы газа беспорядочно движутся. При своем движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором находится газ. Молекул в газе много, потому и число их ударов очень велико. Например, число ударов молекул воздуха, находящегося в комнате, на поверхность площадью 1 см 2 за 1 с выражается двадцатитрехзначным числом. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул о стенки сосуда значительно, оно и создает дав­ление газа. Итак, давление газа на стенки сосуда (и на помещенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа.

При уменьшении объема газа его давление уве­личивается, а при увеличении объема давление умень­шается при условии, что масса и температура газа остаются неизменными.

Давление, производимое на жидкость или газ, пере­дается без изменения в каждую точку объема жидкости или газа.(закон Паскаля).

На основе закона Паскаля легко объяснить следующие опыт.

На рисунке изображен полый шар, имеющий в различных местах узкие отверстия. К шару присоединена трубка, в которую вставлен поршень. Если набрать воды в шар и вдвинуть в трубку поршень, то вода польется из всех отверстий шара. В этом опыте поршень давит на поверхность воды в трубке. Частицы воды, находящиеся под поршнем, уплотняясь, передают его давление другим слоям, лежащим глубже. Таким образом, давление порш­ня передается в каждую точку жидкости, заполняющей шар. В результате часть воды выталкивается из шара в виде струек, вытекающих из всех отверстий.

Если шар заполнить дымом, то при вдвигании поршня в трубку из всех отверстий шара начнут выходить струйки дыма. Это подтверждает, (что и газы передают производимое на них давление во все стороны одинаково.)

Опустим трубку с резиновым дном, в которую налита вода, в другой, более широкий сосуд с водой. Мы увидим, что по мере опускания трубки резиновая пленка постепенно выпрямляется. Полное выпрямление пленки показывает, что силы, действующие на нее сверху и снизу, равны. Наступает полное выпрямление пленки тогда, когда уровни воды в трубке и сосуде совпадают.

Итак, опыт показывает, что внутри жидкости сущест­вует давление и на одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличи­вается. Газы в этом отношении не отличаются от жид­костей.

Формула для расчета давления жидкости на дно сосуда. Из этой формулы видно, что давление жид­кости на дно сосуда зависит только от плотности и высоты столба жидкости.

Мембранный манометр. Как измерить давление жидкости на по­верхность твердого тела? Как изме­рить, например, давление воды на дно стакана? Конечно, дно стакана деформируется под действием сил дав­ления, и зная величину деформации, мы могли бы определить величину вызвавшей ее силы и рассчитать давле­ние; но эта деформация настолько ма­ла, что изменить ее непосоедственно практически невозможно. Так как судить по деформации дан­ного тела о давлении, оказываемом на него жидкостью, удоб­но лишь в том случае, когда деформации достаточно велики, то для практического определения давления жидкости пользуются специальными приборами - манометрами, вкоторых деформации имеют сравнительно большую, легко измеримую величину.

Простейший мембранный манометр устроен следующим образом. Тонкая упругая пластинка М - мем­брана - герметически закрывает пустую коробку K . К мем­бране присоединен указатель Р, вращающийся около оси О. При погружении прибора в жидкость мембрана прогибается под действием сил давления, и ее прогиб передается в уве­личенном виде указателю, передвигающемуся по шкале. Каждому положению указателя соответствует определенный прогиб мембраны, а следовательно, и определенная сила давления на мембрану. Зная площадь мембраны, можно от сил давления перейти к самим давлениям. Можно непо­средственно измерять давление, если заранее проградуировать манометр, т. е. определить, какому давлению соот­ветствует то или иное положение указателя на шкале. Для этого нужно подвергнуть манометр действию давлений, величина которых известна и, замечая положение стрелки указателя, проставить соответственные цифры на шкале прибора.

Воздушную оболочку, окружающую Землю, называют атмосферой (от греческих слов: атмос-пар, воздух и сфера-шар).

Атмосфера, как показали наблюдения за полетом ис­кусственных спутников Земли, простирается на высоту нескольких тысяч километров. Мы живем на дне огромного

воздушного океана. Поверхность Земли - дно этого океана.

Вследствие действия силы тяжести верхние слои воз­духа, подобно воде океана, сжимают нижние слои. Воз­душный слой, прилегающий непосредственно к Земле, сжат больше всего и согласно закону Паскаля передает производимое на него давление по всем направлениям.

В результате этого земная поверхность и тела, находя­щиеся на ней, испытывают давление всей толщи воздуха, или, как обычно говорят, испытывают атмосферное дав­ление.

В практике для измерения атмосферного давления используют металлический барометр, называемый ане­роидом (в переводе с греческого-без жидкостный. Так барометр называют потому,что он не содержит ртути).

Внешний вид анероида изображен на рисунке. Главная часть его - металлическая коробочка 1 с вол­нистой (гофрированной) поверхностью. Из этой коробочки выкачан воздух, а чтобы атмосферное давление не раздавило коробочку, ее крышку пружи­ной 2 оттягивают вверх. При увеличении атмосферного давления крышка прогибается вниз и натягивает пру­жину. При уменьшении давления пружина выпрямляет крышку. К пружине с помощью передаточного меха­низма 3 прикреплена стрелка-указатель 4, которая пере­двигается вправо или влево при изменении давления. Под стрелкой укреплена шкала, деления которой нане­сены по показаниям ртутного барометра. Так, число 750, против которого стоит стрелка анероида, показывает, что в данный момент в ртутном барометре высота ртутного столба 750 мм.

Следовательно, атмосферное давление равно 750 мм рт. ст., или » 1000 гПа.

Знание атмосферного давления весьма важно для предсказывания погоды на ближайшие дни, так как изменение атмосферного давления связано с изменением погоды. Барометр - необходимый прибор при метеороло­гических наблюдениях.

Список использованной литературы:

1. Учебники по Физике за 7-9 Классы.

2. Элементарный учебник Физики (том 1-2).

3. Справочник по Физики для школьников.

4. Интернет.(www.big-il.com)

Глава 6

Элементы механики жидкостей

Давление в жидкости и газе

Молекулы газа, совершая беспорядочное, хаотическое движение, не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия, поэтому они движутся свободно и в результате соударений стремятся разлететься во все стороны, заполняя весь предоставленный им объем, т. е. объем газа определяется объемом того сосуда, который газ занимает.

Как и газ, жидкость принимает форму того сосуда, в который она заключена. Но в жидкостях в отличие от газов среднее расстояние между молекулами остается практически постоянным, поэтому жидкость обладает практически неизменным объемом.

Хотя свойства жидкостей и газов во многом отличаются, в ряде механических явлений их поведение определяется одинаковыми параметрами и идентичными уравнениями. Поэтомугидроаэромеханика - раздел механики, изучающий равновесие и движение жидкостей и газов, их взаимодействие между собой и обтекаемыми ими твердыми телами,- использует единый подход к изучению жидкостей и газов.

В механике с большой степенью точности жидкости и газы рассматриваются как сплошные, непрерывно распределенные в занятой ими части пространства. Плотность жидкости мало зависит от давления. Плотность же газов от давления зависит существенно. Из опыта известно, что сжимаемостью жидкости и газа во многих задачах можно пренебречь и пользоваться единым понятиемнесжимаемой жидкости - жидкости, плотность которой всюду одинакова и не изменяется со временем.

Если в покоящуюся жидкость поместить тонкую пластинку, то части жидкости, находящиеся по разные стороны от нее, будут действовать на каждый элемент ее поверхности с силами , которые независимо от того, как пластинка ориентирована, будут равна по модулю и направлены перпендикулярно площадке , так как наличие касательных сил привело бы частицы жидкости в движение (рис. 44).

Физическая величина, определяемая нормальной силой, действующей со стороны жидкости на единицу площади, называетсядавлением р жидкости:

Единица давления-Паскаль (Па): 1 Па равен давлению, создаваемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2 (1 Па = 1 Н/м 2).

Давление при равновесии жидкостей (газов) подчиняетсязакону Паскаля (французский ученый (1623-1662)): давление в любом месте покоящейся жидкости одинаково по всем направлениям, причем давление одинаково передается по всему объему, занятому покоящейся жидкостью.

Рассмотрим, как влияет вес жидкости на распределение давления внутри покоящейся несжимаемой жидкости. При равновесии жидкости давление по горизонтали всегда одинаково, иначе не было бы равновесия. Поэтому свободная поверхность покоящейся жидкости всегда горизонтальна вдали от стенок сосуда. Если жидкость несжимаема, то ее плотность не зависит от давления. Тогда при поперечном сечении S , высоте h и плотности столба жидкости, его вес , а давление на нижнее основание

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

Три агрегатных состояния материи

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

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

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

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

Понятие о давлении в физике

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

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

P - давление, S - площадь, F - сила.

Измерение давления в физике осуществляют в паскалях (Па), 1 [Па] = 1 [Н]/ 1 [м 2 ].

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

Твердые тела и давление

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

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

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

Давление в жидкостях

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

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

P = ρ × g × h, где

ρ и h - плотность жидкости и глубина, соответственно.

Давление в газообразных средах

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

Предположим есть газ закрытый в некотором сосуде. Поскольку его частицы двигаются хаотически во всех направлениях одинаково, то достигнув стенок сосуда, они начнут ударяться о них, то есть создавать давление. Конечно же, удар одной частицы создаст очень маленькое давление, однако если учесть, что этих частиц много (порядка числа Авогадро N A = 6,02*10 23), и что движутся они с большими скоростями (порядка 1 000 м/с), то оказываемое давление на стенки сосуда приобретает заметные на практике значения.

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

От чего зависит величина давления в газе?

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

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

Давление земной атмосферы

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

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

Пример решения задачи

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

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

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

P = ρ × g × h,

h = P / (ρ × g), где

ρ = 13 540 кг/м 3 - плотность ртути,

g = 9,81 м/c 2 .

Подставляя в формулу известные значения, получим:

h = 0,256 м = 256 мм.

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

h = 34 × 760 / 101 = 256 мм.