Formula pritiska u fizici. Zadatak izračunavanja pritiska čvrstih čestica Izračun pritiska tečnosti na dnu i zidovima posude, video

Čovjek na skijama i bez njih.

Čovjek s velikim poteškoćama hoda kroz labavi snijeg, duboko tonući pri svakom koraku. Ali, obukavši skije, može hodati, gotovo ne upadajući u nju. Zašto? Na skijama ili bez skija, osoba djeluje na snijeg istom snagom jednakom svojoj težini. Međutim, učinak ove sile u oba slučaja je različit, jer je površina na koju osoba pritiska različita, sa i bez skija. Površina skija je gotovo 20 puta veća od površine tabana. Stoga, dok stoji na skijama, osoba djeluje na svaki kvadratni centimetar površine snijega snagom 20 puta manjom od stajanja na snijegu bez skija.

Učenik, pričvršćujući novine na dasku dugmadima, deluje na svako dugme istom snagom. Međutim, dugme s oštrijim krajem olakšava uklapanje u drvo.

To znači da rezultat djelovanja sile ne ovisi samo o njenom modulu, smjeru i točki primjene, već i o površini površine na koju se primjenjuje (okomito na koju djeluje).

Ovaj zaključak potvrđuju fizički eksperimenti.

Iskustvo Učinak date sile ovisi o tome koja sila djeluje na jedinicu površine.

Na uglovima male daske trebate zabiti čavle. Prvo postavite eksere zabijene u dasku na pijesak uspravnim vrhovima i stavite teg na dasku. U ovom slučaju, glave čavala samo su malo utisnute u pijesak. Zatim okrenite ploču i stavite čavle na ivicu. U ovom je slučaju površina oslonca manja i pod djelovanjem iste sile čavli zalaze duboko u pijesak.

Iskustvo. Druga ilustracija.

Rezultat djelovanja ove sile ovisi o tome koja sila djeluje na svaku jedinicu površine.

U razmatranim primjerima sile su djelovale okomito na površinu tijela. Težina osobe bila je okomita na površinu snijega; sila koja djeluje na dugme okomita je na površinu ploče.

Količina jednaka omjeru sile koja djeluje okomito na površinu prema površini ove površine naziva se pritiskom.

Da bi se odredio pritisak, sila koja djeluje okomito na površinu mora se podijeliti s površinom:

pritisak = sila / površina.

Označimo količine uključene u ovaj izraz: pritisak - str, sila koja djeluje na površinu je F i površina - S.

Tada dobivamo formulu:

p = F / S

Jasno je da će veća sila koja djeluje na isto područje proizvesti veći pritisak.

Jedinica pritiska je pritisak koji stvara silu od 1 N koja djeluje na površinu površine 1 m 2 okomitu na ovu površinu.

Jedinica pritiska - njutna po kvadratnom metru(1 N / m 2). U čast francuskog naučnika Blaise Pascal naziva se paskal ( Pa). Dakle,

1 Pa = 1 N / m 2.

Koriste se i druge jedinice pritiska: hectopascal (hPa) i kilopaskal (kPa).

1 kPa = 1000 Pa;

1 hPa = 100 Pa;

1 Pa = 0,001 kPa;

1 Pa = 0,01 hPa.

Zapišimo stanje problema i riješimo ga.

S obzirom : m = 45 kg, S = 300 cm 2; p =?

U SI jedinicama: S = 0,03 m 2

Rješenje:

str = F/S,

F = Str,

Str = g m,

Str= 9,8 N 45 kg ≈ 450 N,

str= 450 / 0,03 N / m 2 = 15000 Pa = 15 kPa

"Odgovor": p = 15000 Pa = 15 kPa

Načini smanjenja i povećanja pritiska.

Teški gusjeničar stvara tlak od 40-50 kPa na tlu, odnosno samo 2-3 puta više od pritiska dječaka teškog 45 kg. To je zato što se težina traktora prijenosom gusjenice raspoređuje na veću površinu. I to smo utvrdili što je veće područje oslonca, manji pritisak vrši jednaka sila na tu potporu .

Ovisno o tome je li potrebno postići nizak ili visoki tlak, površina nosača se povećava ili smanjuje. Na primjer, kako bi tlo moglo izdržati pritisak zgrade koja se podiže, povećava se površina donjeg dijela temelja.

Gume na kamionima i šasijama aviona postaju mnogo šire od onih na putničkim automobilima. Gume su posebno široke za vozila dizajnirana za putovanja u pustinji.

Teška vozila, poput traktora, cisterne ili močvarnog vozila, koja imaju veliku potpornu površinu tragova, prolaze močvarnim terenom kroz koji osoba neće proći.

S druge strane, s malom površinom, mala sila može proizvesti veliki pritisak. Na primjer, pritiskom na tipku u ploču djelujemo na nju snagom od oko 50 N. Budući da je površina vrha tipke oko 1 mm 2, tlak koji se njime stvara jednak je:

p = 50 N / 0 000 001 m 2 = 50 000 000 Pa = 50 000 kPa.

U usporedbi s tim, ovaj pritisak je 1000 puta veći od tlaka koji vrši gusjeničar na tlu. Može se naći još mnogo takvih primjera.

Oštrica za rezanje i oštrica uboda (noževi, makaze, sjekutići, pile, igle itd.) Posebno su oštro naoštreni. Naoštreni rub oštre oštrice ima malu površinu, pa čak i mala sila stvara veliki pritisak i s njom je lako raditi.

Uređaji za rezanje i ubadanje nalaze se i u divljini: to su zubi, kandže, kljunovi, bodlje itd. - svi su napravljeni od tvrdog materijala, glatki i vrlo oštri.

Pritisak

Poznato je da se molekuli gasa kreću nasumično.

Već znamo da plinovi, za razliku od čvrstih i tekućih sastojaka, ispunjavaju čitavu posudu u kojoj se nalaze. Na primjer, čelična plinska boca, cijev za automobilske gume ili odbojka. U tom slučaju, plin vrši pritisak na zidove, dno i poklopac cilindra, komore ili bilo kojeg drugog tijela u kojem se nalazi. Pritisak plina nastaje iz razloga koji nisu pritisak čvrstog tijela na nosač.

Poznato je da se molekuli gasa kreću nasumično. Dok se kreću, sudaraju se jedni s drugima, kao i sa zidovima posude u kojoj se nalazi plin. U plinu ima mnogo molekula, pa je broj njihovih utjecaja vrlo velik. Na primjer, broj udaraca molekula zraka u sobi na površinu od 1 cm 2 za 1 s izražen je u dvadesettrocifrenom broju. Iako je sila udara pojedine molekule mala, utjecaj svih molekula na zidove posude je značajan i stvara pritisak plina.

Dakle, pritisak gasa na zidove posude (i na tijelo smješteno u plin) uzrokovan je utjecajem molekula plina .

Uzmite u obzir sljedeće iskustvo. Postavite gumenu kuglu ispod zvona vazdušne pumpe. Sadrži malu količinu zraka i nepravilnog je oblika. Zatim pumpom ispumpajte zrak ispod zvona. Ljuska kugle, oko koje se zrak sve rjeđe razrjeđuje, postepeno bubri i poprima oblik pravilne lopte.

Kako se ovo iskustvo može objasniti?

Za skladištenje i transport komprimovanog plina koriste se posebni izdržljivi čelični cilindri.

U našem eksperimentu molekule gasa u pokretu neprestano udaraju o zidove lopte iznutra i izvana. Kada se zrak ispumpa, broj molekula u zvonu oko ljuske lopte se smanjuje. Ali unutar lopte njihov se broj ne mijenja. Stoga broj udaraca molekula o vanjske zidove ljuske postaje manji od broja udaraca o unutarnje zidove. Lopta se napuhuje sve dok elastična sila gumene ljuske ne postane jednaka sili pritiska plina. Školjka lopte ima oblik lopte. To pokazuje plin pritiska zidove u svim pravcima podjednako... Drugim riječima, broj molekularnih udara po kvadratnom centimetru površine jednak je u svim smjerovima. Isti pritisak u svim smjerovima karakterističan je za plin i posljedica je neuređenog kretanja ogromnog broja molekula.

Pokušajmo smanjiti zapreminu plina, ali tako da njegova masa ostane nepromijenjena. To znači da će u svakom kubnom centimetru plina biti više molekula, a gustoća plina će se povećati. Tada će se povećati broj sudara molekula u zidove, tj. Povećati će se pritisak gasa. To može potvrditi iskustvo.

Na slici ali prikazuje staklenu cijev, čiji je jedan kraj prekriven tankim gumenim filmom. U cijev je umetnut klip. Kada se klip ugura, volumen zraka u cijevi se smanjuje, tj. Plin se komprimira. Zatim se gumena folija savija prema van, što ukazuje na to da je pritisak zraka u cijevi povećan.

Suprotno tome, s povećanjem zapremine iste mase plina, broj molekula u svakom kubnom centimetru opada. To će smanjiti broj udaraca o zidove posude - tlak plina bit će niži. Zapravo, kada se klip izvuče iz cijevi, količina zraka se povećava, a film se savija unutar posude. To ukazuje na smanjenje pritiska vazduha u cevi. Isti bi se fenomeni primijetili da je u zraci, umjesto zraka, bilo koji drugi plin.

Dakle, sa smanjenjem zapremine plina, njegov pritisak raste, a s povećanjem zapremine, tlak opada, pod uvjetom da masa i temperatura plina ostanu nepromijenjene.

A kako će se promijeniti pritisak plina ako se zagrijava na konstantnu zapreminu? Poznato je da se brzina kretanja molekula gasa povećava zagrijavanjem. Krećući se brže, molekuli će češće udarati o zidove posude. Uz to, svaki udar molekule o zid bit će jači. Kao posljedica toga, zidovi posude će imati veći pritisak.

Shodno tome, tlak plina u zatvorenoj posudi je veći, što je temperatura plina veća, pod uslovom da se masa plina i zapremina ne mijenjaju.

Iz ovih eksperimenata može se zaključiti da tlak plina je veći, što češće i snažnije molekuli udaraju u zidove posude .

Za skladištenje i transport plinova, oni su jako komprimirani. Istovremeno, njihov pritisak raste, plinovi moraju biti zatvoreni u posebne, vrlo izdržljive cilindre. Takvi cilindri, na primjer, sadrže komprimirani zrak u podmornicama, kisik koji se koristi u zavarivanju metala. Naravno, moramo zauvijek pamtiti da se plinske boce ne mogu zagrijati, pogotovo kada su napunjene plinom. Jer, kao što već razumijemo, može doći do eksplozije s vrlo neugodnim posljedicama.

Pascalov zakon.

Pritisak se prenosi na svaku tačku tečnosti ili plina.

Pritisak klipa prenosi se na svaku tačku tečnosti koja ispunjava loptu.

Sad benzin.

Za razliku od čvrstih materija, pojedinačni slojevi i male čestice tečnosti i plina mogu se slobodno kretati jedan prema drugom u svim pravcima. Dovoljno je, na primjer, lagano puhati po površini vode u čaši da se voda pokreće. Talasi se pojave na rijeci ili jezeru na najmanji vjetrić.

To objašnjava pokretljivost čestica plina i tečnosti pritisak koji se vrši na njih prenosi se ne samo u pravcu dejstva sile, već u svakoj tački... Razmotrimo ovaj fenomen detaljnije.

Na slici, ali prikazuje posudu koja sadrži plin (ili tečnost). Čestice su ravnomjerno raspoređene po posudi. Posuda je zatvorena klipom koji se može kretati gore-dolje.

Primjenom neke sile prisilit ćemo klip da se lagano pomakne prema unutra i komprimirati plin (tekućinu) direktno ispod njega. Tada će se čestice (molekule) nalaziti na ovom mjestu gušće nego prije (slika, b). Zbog pokretljivosti, čestice gasa kretat će se u svim smjerovima. Kao rezultat, njihov će raspored ponovo postati jednoobrazan, ali gušći nego prije (slika, c). Stoga će se pritisak plina posvuda povećavati. To znači da se dodatni pritisak prenosi na sve čestice plina ili tečnosti. Dakle, ako se pritisak na plin (tekućinu) u blizini samog klipa poveća za 1 Pa, tada u svim točkama unutra plina ili tečnosti, pritisak će biti veći od prethodnog za istu količinu. Pritisak na zidove posude, na dno i na klip povećat će se za 1 Pa.

Pritisak na tečnost ili gas prenosi se u bilo koju tačku podjednako u svim smerovima .

Ova izjava se zove Pascalov zakon.

Sljedeći eksperimenti mogu se lako objasniti na osnovu Pascalovog zakona.

Slika prikazuje šuplju kuglu s malim rupama na raznim mjestima. Na kuglu je pričvršćena cijev u koju je umetnut klip. Ako uvučete vodu u kuglu i gurnete klip u cijev, tada će voda poteći iz svih rupa u kuglici. U ovom eksperimentu klip pritiska površinu vode u cijevi. Čestice vode ispod klipa, kada se sabijaju, prenose njegov pritisak na druge slojeve koji leže dublje. Tako se pritisak klipa prenosi na svaku tačku tečnosti koja ispunjava loptu. Kao rezultat toga, dio vode se potiskuje iz kugle u obliku identičnih potoka koji istječu iz svih rupa.

Ako je lopta napunjena dimom, tada će klip, kada se gurne u cijev, početi izlaziti identični mlazovi dima iz svih rupa na kuglici. Ovo potvrđuje da i gasovi podjednako prenose pritisak koji se na njih stvara.

Pritisak u tečnosti i plinu.

Težina tekućine uzrokovat će savijanje gumenog dna cijevi.

Na tečnost, kao i na sva tela na Zemlji, deluje gravitacija. Stoga svaki sloj tečnosti izliven u posudu, sa svojom težinom, stvara pritisak koji se, prema Pascalovom zakonu, prenosi u svim pravcima. Zbog toga postoji pritisak unutar tečnosti. To se može vidjeti iz iskustva.

Ulijte vodu u staklenu cijev čiji je donji otvor zatvoren tankim gumenim filmom. Dno cijevi će se saviti pod utjecajem težine tečnosti.

Iskustvo pokazuje da što je vodeni stupac veći od gumene folije, to se ona više savija. Ali svaki put nakon savijanja gumenog dna, voda u cijevi dolazi u ravnotežu (zaustavlja se), jer, osim gravitacije, na vodu djeluje i elastična sila rastegnutog gumenog filma.

Ilustracija.

Dno se odmiče od cilindra zbog gravitacijskog pritiska na njega.

Stavimo cijev s gumenim dnom u koju se ulijeva voda u drugu, širu posudu s vodom. Vidjet ćemo da se spuštanjem cijevi gumeni film postepeno ispravlja. Potpuno ispravljanje filma pokazuje da su sile koje djeluju na njega odozgo i odozdo jednake. Potpuno ispravljanje filma događa se kada se nivo vode u cijevi i posudi podudara.

Isti eksperiment se može izvesti s cijevi u kojoj gumeni film prekriva bočni otvor, kao što je prikazano na slici, a. Potopimo ovu cijev s vodom u drugu posudu s vodom, kao što je prikazano na slici, b... Primijetit ćemo da će se film ponovo ispraviti čim se nivo vode u cijevi i posudi izjednači. To znači da su sile koje djeluju na gumenu foliju na svim stranama jednake.

Uzmimo posudu s čijeg dna može otpasti. Stavimo je u teglu s vodom. U tom će slučaju dno biti čvrsto pritisnuto uz rub posude i neće otpasti. Pritisne ga sila pritiska vode usmjerena odozdo prema gore.

Pažljivo ćemo sipati vodu u posudu i paziti na njeno dno. Čim se nivo vode u posudi poklopi s nivoom vode u posudi, on će pasti s posude.

U trenutku odvajanja, stupac tečnosti u posudi pritiska odozgo prema dolje na dno, a pritisak istog stupca tečnosti u visini, ali koji se nalazi u obali, prenosi se na dno odozdo prema gore. Oba su tlaka jednaka, ali dno se odmiče od cilindra uslijed djelovanja vlastite gravitacije na njega.

Eksperimenti s vodom su gore opisani, ali ako umjesto vode uzmete bilo koju drugu tečnost, rezultati eksperimenta bit će isti.

Dakle, eksperimenti to pokazuju postoji pritisak unutar tečnosti i na istom je nivou jednak u svim pravcima. Pritisak raste sa dubinom.

Plinovi se u tom pogledu ne razlikuju od tečnosti, jer imaju i težinu. Ali moramo imati na umu da je gustoća plina stotinama puta manja od gustine tečnosti. Težina plina u posudi je mala i njegov se "težinski" pritisak u mnogim slučajevima može zanemariti.

Proračun pritiska fluida na dnu i zidovima posude.

Proračun pritiska fluida na dnu i zidovima posude.

Razmotrimo kako se može izračunati pritisak tečnosti na dno i zidove posude. Prvo riješimo problem za posudu u obliku pravokutnog paralelepipeda.

Snaga F, kojim tečnost koja se ulijeva u ovu posudu pritiska na njeno dno jednaka je težini Str tečnost u posudi. Težina tečnosti može se odrediti poznavanjem njene mase m... Kao što znate, masa se može izračunati formulom: m = ρ V... Količina tečnosti koja se ulijeva u posudu po našem izboru lako je izračunati. Ako je visina stupca tečnosti u posudi označena slovom h, i područje dna posude S, onda V = S h.

Tečna masa m = ρ V, ili m = ρ S h .

Težina ove tečnosti P = g m, ili P = g ρ S h.

Budući da je težina stupca tečnosti jednaka sili kojom tečnost pritiska na dno posude, podijelivši težinu Str Na trg S, dobijamo pritisak tečnosti str:

p = P / S, ili p = g ρ S h / S,

Dobili smo formulu za izračunavanje pritiska tečnosti na dnu posude. Ova formula to pokazuje pritisak tečnosti na dnu posude ovisi samo o gustoći i visini stupca tečnosti.

Prema tome, prema izvedenoj formuli, može se izračunati pritisak tečnosti koja se ulijeva u posudu bilo koji oblik(Strogo govoreći, naš proračun pogodan je samo za posude koje imaju oblik ravne prizme i cilindra. Na tečajevima fizike za institut je dokazano da formula vrijedi i za posudu proizvoljnog oblika). Pored toga, može se koristiti za izračunavanje pritiska na zidove posude. Pritisak unutar tečnosti, uključujući pritisak odozdo prema gore, takođe se izračunava pomoću ove formule, jer je pritisak na istoj dubini jednak u svim pravcima.

Pri izračunavanju pritiska prema formuli p = gρh treba gustina ρ izraženo u kilogramima po kubnom metru (kg / m3) i visini stupca tečnosti h- u metrima (m), g= 9,8 N / kg, tada će pritisak biti izražen u paskalima (Pa).

Primjer... Odredite pritisak ulja na dnu spremnika ako je visina stupca ulja 10 m, a njegova gustoća 800 kg / m 3.

Zapišimo stanje problema i zapišite ga.

S obzirom :

ρ = 800 kg / m 3

Rješenje :

p = 9,8 N / kg · 800 kg / m 3 · 10 m ≈ 80 000 Pa ≈ 80 kPa.

Odgovorite : p ≈ 80 kPa.

Plovila za komunikaciju.

Plovila za komunikaciju.

Na slici su prikazane dvije posude povezane gumenom cijevi. Takva plovila se zovu komuniciranje... Kanta za zalijevanje, kuhalo za vodu, lonac za kavu primjeri su plovila za komunikaciju. Iz iskustva znamo da voda koja se ulijeva u kantu za zalijevanje, na primjer, uvijek stoji na istom nivou u izljevu i iznutra.

Sljedeći jednostavan eksperiment može se izvesti s plovilima za komunikaciju. Na početku eksperimenta u sredinu stežemo gumenu cijev i ulijemo vodu u jednu od cijevi. Tada otvorimo stezaljku i voda trenutno teče u drugu cijev dok vodene površine u obje cijevi ne budu na istom nivou. Jednu cijev možete pričvrstiti u stativ, a drugu možete podizati, spuštati ili naginjati u različitim smjerovima. I u ovom slučaju, čim se tekućina smiri, izjednačit će se njeni nivoi u obje cijevi.

U komunikacijskim posudama bilo kojeg oblika i presjeka, površine homogene tečnosti postavljene su na isti nivo(pod uslovom da je pritisak vazduha iznad tečnosti jednak) (slika 109).

To se može opravdati na sljedeći način. Tečnost miruje, ne krećući se iz jedne posude u drugu. To znači da su pritisci u obje posude jednaki na bilo kojem nivou. Tečnost u obje posude je ista, odnosno ima istu gustinu. Stoga njegove visine moraju biti iste. Kada podignemo jednu posudu ili joj dodamo tečnost, pritisak u njoj raste i tečnost se pomera u drugu posudu dok se pritisci ne izjednače.

Ako se tečnost jedne gustine ulije u jednu od komunicirajućih posuda, a druge gustoće u drugu, tada u ravnoteži nivoi ovih tečnosti neće biti jednaki. I to je razumljivo. Napokon, znamo da je pritisak tečnosti na dnu posude direktno proporcionalan visini stupa i gustini tečnosti. I u ovom slučaju, gustoće tekućina bit će različite.

Uz jednake pritiske, visina stupa tekućine s većom gustinom bit će manja od visine stupa tekućine s manjom gustinom (slika).

Iskustvo. Kako odrediti masu zraka.

Vazdušna težina. Atmosferski pritisak.

Postojanje atmosferskog pritiska.

Atmosferski pritisak je veći od pritiska razređenog vazduha u posudi.

Na zrak, kao i na svako tijelo na Zemlji, utječe gravitacija, pa prema tome i zrak ima težinu. Težina zraka može se lako izračunati poznavanjem njegove mase.

Eksperimentalno ćemo vam pokazati kako izračunati masu zraka. Da biste to učinili, trebate uzeti jaku staklenu kuglu s čepom i gumenu cijev sa stezaljkom. Iz njega ispumpavamo zrak, stezanjem cijevi stežemo cijev i uravnotežujemo je na vagi. Zatim, otvaranjem stezaljke na gumenoj cijevi, pustite zrak u nju. U tom će slučaju biti povrijeđena ravnoteža utega. Da biste ga obnovili, morat ćete staviti utege na drugu posudu vage čija će masa biti jednaka masi zraka u zapremini kugle.

Eksperimenti su ustanovili da na temperaturi od 0 ° C i normalnom atmosferskom pritisku masa vazduha zapremine 1 m 3 iznosi 1,29 kg. Težinu ovog zraka lako je izračunati:

P = g m, P = 9,8 N / kg 1,29 kg ≈ 13 N.

Zove se zračna ljuska koja okružuje Zemlju atmosfera (sa grčkog. atmos- para, zrak i sfera- lopta).

Atmosfera se, kako pokazuju posmatranja leta vještačkih zemaljskih satelita, proteže na visinu od nekoliko hiljada kilometara.

Zbog djelovanja gravitacije, gornji slojevi atmosfere, poput okeanske vode, sabijaju donje slojeve. Zračni sloj koji se nalazi neposredno uz Zemlju najviše je komprimiran i, prema Pascalovom zakonu, prenosi stvoreni pritisak na njega u svim smjerovima.

Kao rezultat toga, zemljina površina i tijela na njoj osjećaju pritisak cijele debljine zraka, ili, kako se to obično govori u takvim slučajevima, doživljavaju Atmosferski pritisak .

Postojanje atmosferskog pritiska može objasniti mnoge pojave s kojima se susrećemo u životu. Pogledajmo neke od njih.

Na slici je prikazana staklena cijev, unutar koje se nalazi klip koji dobro leži na zidovima cijevi. Kraj cijevi se spušta vodom. Ako podignete klip, voda će se dizati iza njega.

Ova pojava se koristi u pumpama za vodu i nekim drugim uređajima.

Na slici je prikazana cilindrična posuda. Zatvoren je čepom u koji je umetnuta cijev sa slavinom. Zrak se iz posude odvodi pomoću pumpe. Zatim se kraj cijevi stavi u vodu. Ako sada otvorite slavinu, voda će se u fontani raspršiti u unutrašnjost posude. Voda ulazi u posudu jer je atmosferski pritisak veći od pritiska razrijeđenog zraka u posudi.

Zašto postoji Zemljina zračna ljuska?

Kao i sva tijela, molekuli gasova koji čine zračnu ljusku Zemlje privlače Zemlju.

Ali zašto onda ne padnu svi na površinu Zemlje? Kako se čuva Zemljina zračna ljuska i njena atmosfera? Da bismo to razumjeli, moramo uzeti u obzir da se molekuli gasa neprekidno i neuređeno kreću. Ali onda se postavlja drugo pitanje: zašto ti molekuli ne odlete u svjetski prostor, odnosno u svemir.

Da bi u potpunosti napustio Zemlju, molekul, poput svemirskog broda ili rakete, mora imati vrlo veliku brzinu (najmanje 11,2 km / s). Ovo je tzv druga svemirska brzina... Brzina većine molekula Zemljine zračne ovojnice je mnogo manja od ove kosmičke brzine. Stoga je većina njih gravitacijom vezana za Zemlju, samo neznatan broj molekula leti sa Zemlje u svemir.

Neuređeno kretanje molekula i djelovanje gravitacije na njih rezultiraju time da molekuli gasa "lebde" u svemiru u blizini Zemlje, tvoreći zračnu ovojnicu ili nama poznatu atmosferu.

Mjerenja pokazuju da se gustoća zraka brzo smanjuje s nadmorskom visinom. Dakle, na nadmorskoj visini od 5,5 km iznad Zemlje, gustina zraka je 2 puta manja od njegove gustine na površini Zemlje, na nadmorskoj visini od 11 km - 4 puta, itd. Što je veća, to je rjeđa zrak. I na kraju, u najgornjim slojevima (stotine i hiljade kilometara iznad Zemlje), atmosfera se postepeno pretvara u bezvazdušni prostor. Zračni omotač Zemlje nema jasne granice.

Strogo govoreći, zbog djelovanja gravitacije, gustoća plina u bilo kojoj zatvorenoj posudi nije ista u cijeloj zapremini posude. Na dnu posude gustoća plina je veća nego u gornjim dijelovima, pa pritisak u posudi nije isti. Na dnu posude je veći nego na vrhu. Međutim, za plin sadržan u posudi, ta razlika u gustoći i tlaku je toliko mala da se u mnogim slučajevima može potpuno zanemariti, samo toga budite svjesni. Ali za atmosferu koja se proteže na nekoliko hiljada kilometara, razlika je značajna.

Mjerenje atmosferskog pritiska. Torricellijevo iskustvo.

Nemoguće je izračunati atmosferski pritisak pomoću formule za izračunavanje pritiska u stupcu tečnosti (§ 38). Za takav proračun trebate znati visinu atmosfere i gustinu zraka. Ali atmosfera nema određene granice, a gustina zraka na različitim visinama je različita. Međutim, atmosferski pritisak se može izmeriti pomoću eksperimenta koji je u 17. veku predložio talijanski naučnik. Evangelista Torricelli , učenik Galileja.

Torricellijev eksperiment je sljedeći: staklena cijev dugačka oko 1 m, zapečaćena na jednom kraju, napunjena je živom. Zatim se, čvrsto zatvarajući drugi kraj cijevi, preokreće i spušta u čašu sa živom, gdje se taj kraj cijevi otvara ispod nivoa žive. Kao i u bilo kojem eksperimentu s tekućinom, dio žive se ulije u čašu, a dio ostane u cijevi. Visina stuba žive koja ostaje u cijevi je približno 760 mm. U cijevi nema zraka iznad žive, postoji bezzračni prostor, pa nijedan plin ne vrši pritisak na vrh živine stupa unutar ove cijevi i ne utječe na mjerenja.

Torricelli, koji je predložio gore opisano iskustvo, također je dao objašnjenje. Atmosfera pritišće površinu žive u čaši. Živa je u ravnoteži. To znači da je pritisak u cijevi na nivou aa 1 (vidi sliku) jednak je atmosferskom pritisku. Kada se atmosferski pritisak promijeni, mijenja se i visina živog stuba u cijevi. Kako se pritisak povećava, stup se produžuje. Sa smanjenjem pritiska, stup žive smanjuje svoju visinu.

Pritisak u cijevi na nivou aa1 stvara se težinom stupca žive u cijevi, jer u gornjem dijelu cijevi iznad žive nema zraka. Otuda slijedi da atmosferski pritisak je jednak pritisku stupa žive u cijevi , tj.

str atm = strživa.

Što je veći atmosferski pritisak, to je veći živin stupac u Torricelli eksperimentu. Stoga se u praksi atmosferski pritisak može izmjeriti visinom živinog stupa (u milimetrima ili centimetrima). Ako je, na primjer, atmosferski pritisak 780 mm Hg. Art. (kažu "milimetri živinog stupa"), to znači da zrak proizvodi isti pritisak kao što stvara vertikalni stupac žive visine 780 mm.

Slijedom toga, u ovom slučaju, 1 milimetar žive (1 mm Hg) uzima se kao jedinica mjerenja atmosferskog pritiska. Pronađimo odnos između ove jedinice i jedinice koja nam je poznata - pascal(Pa).

Pritisak stupa žive ρ žive visine 1 mm jednak je:

str = g ρ h, str= 9,8 N / kg · 13 600 kg / m 3 · 0,001 m ≈ 133,3 Pa.

Dakle, 1 mm Hg. Art. = 133,3 Pa.

Trenutno se atmosferski pritisak obično meri u hektopaskalima (1 hPa = 100 Pa). Na primjer, vremenski izvještaji mogu objaviti da je pritisak 1013 hPa, što je isto kao 760 mm Hg. Art.

Promatrajući svakodnevno visinu živinog stuba u cijevi, Torricelli je otkrio da se ta visina mijenja, odnosno atmosferski pritisak nije konstantan, može se povećavati i smanjivati. Torricelli je takođe primijetio da je atmosferski pritisak povezan s promjenama vremena.

Ako je na cijev s živom pričvršćena vertikalna vaga korištena u Torricellijevom eksperimentu, tada će se dobiti najjednostavniji uređaj - živin barometar (sa grčkog. baros- ozbiljnost, metreo- merenje). Koristi se za mjerenje atmosferskog pritiska.

Barometar je aneroid.

U praksi se koristi metalni barometar za mjerenje atmosferskog pritiska, tzv aneroid (prevedeno sa grčkog - aneroid). Ovo je ime barometra jer ne sadrži živu.

Izgled aneroida prikazan je na slici. Njegov glavni dio je metalna kutija 1 s valovitom (valovitom) površinom (vidi drugu sliku). Iz ove kutije ispumpava se zrak, tako da atmosferski pritisak ne zdrobi kutiju, njen poklopac 2 povlači opruga. Kako se atmosferski pritisak povećava, poklopac se savija prema dolje i zateže oprugu. Kada se pritisak smanji, opruga ispravlja poklopac. Pokazivač strelice 4 pričvršćen je na oprugu pomoću prenosnog mehanizma 3, koji se pomiče udesno ili ulijevo kada se pritisak mijenja. Ispod strelice pojačana je vaga čiji su podjeli označeni u skladu s očitanjima živininog barometra. Dakle, broj 750, naspram kojeg stoji strelica aneroida (vidi sliku), pokazuje da je u ovom trenutku u živinom barometru visina živog stupa 750 mm.

Prema tome, atmosferski pritisak je 750 mm Hg. Art. ili ≈ 1000 hPa.

Vrijednost atmosferskog pritiska vrlo je važna za predviđanje vremena za naredne dane, jer je promjena atmosferskog pritiska povezana sa promjenom vremena. Barometar je neophodan instrument za meteorološka promatranja.

Atmosferski pritisak na različitim visinama.

Kao što znamo, u tečnosti pritisak zavisi od gustine tečnosti i visine njenog stuba. Zbog niske kompresibilnosti, gustoća tečnosti na različitim dubinama je gotovo ista. Stoga, pri izračunavanju tlaka, smatramo da je njegova gustina konstantna i uzimamo u obzir samo promjenu visine.

S plinovima je situacija složenija. Plinovi su vrlo kompresibilni. I što je gas jače komprimiran, veća je njegova gustina i veći pritisak. Napokon, pritisak plina nastaje utjecajem njegovih molekula na površinu tijela.

Slojevi zraka u blizini Zemljine površine stisnuti su svim nadzemnim slojevima iznad njih. Ali što je sloj zraka veći od površine, to je slabiji komprimiran, to je njegova gustoća manja. Samim tim, što manji pritisak proizvodi. Ako se, na primjer, balon uzdigne iznad površine Zemlje, tada zračni pritisak na balonu postaje manji. To se događa ne samo zato što se visina vazdušnog stuba iznad njega smanjuje, već i zato što se gustoća vazduha smanjuje. Na vrhu je manji nego na dnu. Stoga je zavisnost pritiska vazduha od nadmorske visine složenija nego za tečnosti.

Posmatranja pokazuju da je atmosferski pritisak u područjima koja leže na nivou mora u prosjeku 760 mm Hg. Art.

Atmosferski pritisak jednak pritisku stupa žive visine 760 mm na temperaturi od 0 ° C naziva se normalnim atmosferskim pritiskom.

Normalni atmosferski pritisak jednako 101 300 Pa = 1013 hPa.

Što je veća nadmorska visina, niži je pritisak.

S malim porastima, u prosjeku, na svakih 12 m dizanja, pritisak pada za 1 mm Hg. Art. (ili 1,33 hPa).

Znajući ovisnost pritiska o nadmorskoj visini, možete odrediti nadmorsku visinu promjenom očitanja barometra. Nazvani su aneroidi koji imaju skalu na kojoj se može direktno izmjeriti visina nadmorske visine visinomjeri ... Koriste se u vazduhoplovstvu i prilikom penjanja na planine.

Manometri.

Već znamo da se barometri koriste za mjerenje atmosferskog pritiska. Koristite za merenje pritisaka većih ili manjih od atmosferskog pritiska manometri (sa grčkog. manos- rijetko, labavo, metreo- merenje). Manometri su tečnost i metal.

Prvo razmotrite uređaj i radnju. otvorite manometar za tečnost... Sastoji se od staklene cijevi s dva koljena u koju se ulije nešto tečnosti. Tekućina je postavljena u oba koljena na istom nivou, jer na njenu površinu u koljenima posude djeluje samo atmosferski pritisak.

Da bi se razumjelo kako funkcionira takav manometar, on se gumenom cijevi može povezati s okruglom ravnom kutijom čija je jedna strana prekrivena gumenim filmom. Ako prstom pritisnete film, nivo tekućine u koljenu manometra povezanog s kutijom smanjit će se, a u drugom koljenu će porasti. Kako se to može objasniti?

Pritiskom na film povećava se pritisak vazduha u kutiji. Prema Pascalovom zakonu, ovo povećanje pritiska prenosi se na tečnost u kolenu manometra koji je povezan sa kutijom. Stoga će pritisak na tečnost u ovom laktu biti veći nego u drugom, gde na atmosferu deluje samo atmosferski pritisak. Pod dejstvom sile ovog viška pritiska, tečnost će se početi kretati. U koljenu sa komprimiranim zrakom tekućina će se spustiti, u drugom - porast će. Tekućina će doći u ravnotežu (zaustaviti se) kada se nadtlak komprimiranog zraka uravnoteži pritiskom koji stvara višak stupca tečnosti u drugom laktu manometra.

Što više pritisnete film, veći je stupac viška tečnosti, to je veći njegov pritisak. Shodno tome, o promjeni pritiska može se suditi po visini ovog viška stupa.

Slika prikazuje kako takav manometar može izmjeriti tlak u tekućini. Što dublje cijev zaranja u tečnost, to veća razlika u visinama stupova tečnosti u koljenima manometra postaje veća, tako, dakle, veći pritisak stvara tečnost.

Ako kutiju uređaja instalirate na nekoj dubini unutar tekućine i okrenete je prema gore, bočno i dolje filmom, tada se očitanja manometra neće promijeniti. Tako bi trebalo biti, jer na istom nivou unutar tečnosti, pritisak je u svim smerovima jednak.

Slika pokazuje metalni manometar ... Glavni dio takvog manometra je metalna cijev savijena u cijev. 1 čiji je jedan kraj zatvoren. Drugi kraj cijevi slavinom 4 komunicira s posudom u kojoj se mjeri tlak. Kako se pritisak povećava, cijev se savija. Pomicanje njegovog zatvorenog kraja pomoću ručice 5 i zupčanici 3 prešao na strelicu 2 krećući se oko skale uređaja. Sa smanjenjem pritiska, cijev se zbog svoje elastičnosti vraća u prethodni položaj, a strelica se vraća na nultu podjelu skale.

Klipna pumpa za tečnost.

U eksperimentu koji smo razmatrali ranije (§ 40), utvrđeno je da se voda u staklenoj cijevi pod utjecajem atmosferskog pritiska uzdiže prema gore iza klipa. Akcija se temelji na ovome klip pumpe.

Pumpa je shematski prikazana na slici. Sastoji se od cilindra, unutar kojeg se penje gore-dolje, čvrsto uklapajući u zidove posude, klip 1 ... Ventili su ugrađeni u donji dio cilindra i u sam klip 2 koji se otvaraju samo prema gore. Kada se klip pomiče prema gore, voda pod uticajem atmosferskog pritiska ulazi u cijev, podiže donji ventil i pomiče se iza klipa.

Kad se klip pomakne prema dolje, voda ispod klipa pritiska donji ventil i on se zatvara. Istovremeno, pod pritiskom vode otvara se ventil unutar klipa i voda teče u prostor iznad klipa. Sljedećim pomicanjem klipa prema gore, voda iznad njega također se podiže na mjestu s njim koja se ulijeva u izlaznu cijev. Istodobno, novi klip vode se diže iza klipa, koji će se, nakon slijedećeg spuštanja klipa, nalaziti iznad njega, a cijeli se ovaj postupak ponavlja iznova i iznova dok pumpa radi.

Hidraulična presa.

Pascalov zakon objašnjava akciju hidraulična mašina (sa grčkog. hydravlikos- voda). To su mašine čiji se rad temelji na zakonima kretanja i ravnoteže tečnosti.

Glavni dio hidraulične mašine su dva cilindra različitih promjera, opremljena klipovima i spojnom cijevi. Prostor ispod klipova i cijevi ispunjen je tečnošću (obično mineralnim uljem). Visine stupaca tečnosti u oba cilindra jednake su sve dok na klipove ne djeluju sile.

Pretpostavimo sada da su snage F 1 i F 2 - sile koje djeluju na klipove, S 1 i S 2 - područje klipova. Pritisak ispod prvog (malog) klipa je str 1 = F 1 / S 1, a ispod druge (velike) str 2 = F 2 / S 2. Prema Pascalovom zakonu, pritisak tekućine u mirovanju prenosi se u svim smjerovima na isti način, tj. str 1 = str 2 ili F 1 / S 1 = F 2 / S 2, odakle:

F 2 / F 1 = S 2 / S 1 .

Otuda snaga F 2 toliko puta više snage F 1 , koliko puta je površina velikog klipa veća od površine malog klipa... Na primjer, ako je površina velikog klipa 500 cm 2, a malog 5 cm 2, a na mali klip djeluje sila od 100 N, tada će na veći klip djelovati sila 100 puta veća , to jest 10 000 N.

Tako je uz pomoć hidraulične mašine moguće uravnotežiti veću silu s malom silom.

Stav F 1 / F 2 prikazuje dobitak snage. Na primjer, u prikazanom primjeru, dobitak čvrstoće je 10 000 N / 100 N = 100.

Pozvana je hidraulična mašina koja se koristi za prešanje (cijeđenje) hidraulična presa .

Hidraulične prese se koriste tamo gdje je potrebna velika sila. Na primjer, za cijeđenje ulja iz sjemena u uljarama, za prešanje šperploče, kartona, sijena. U metalurškim pogonima hidraulične prese se koriste za izradu čeličnih osovina mašina, željezničkih kotača i mnogih drugih proizvoda. Savremene hidrauličke prese mogu razviti desetke i stotine miliona Njutna.

Uređaj hidraulične preše shematski je prikazan na slici. Tijelo koje treba pritisnuti 1 (A) postavljeno je na platformu povezanu s velikim klipom 2 (B). Mali klip 3 (D) stvara veliki pritisak na tečnost. Ovaj pritisak se prenosi na svaku tačku tečnosti koja puni cilindre. Stoga isti pritisak djeluje i na drugi, veliki klip. Ali budući da je površina 2. (velikog) klipa veća od površine malog, tada će sila koja djeluje na njega biti veća od sile koja djeluje na klip 3 (D). Ova sila će podići klip 2 (B). Kada se klip 2 (B) podigne, tijelo (A) nasloni se na nepokretnu gornju platformu i stisne se. Manometar 4 (M) meri pritisak fluida. Sigurnosni ventil 5 (P) automatski se otvara kada pritisak fluida pređe dozvoljenu vrijednost.

Iz malog cilindra u veliku tečnost pumpa se ponovljenim pokretima malog klipa 3 (D). To se radi na sljedeći način. Kada se mali klip (D) podigne, ventil 6 (K) se otvara i tečnost se usisava u prostor ispod klipa. Kada se mali klip spusti pod pritiskom fluida, ventil 6 (K) se zatvara i ventil 7 (K ") otvara i tečnost teče u veliku posudu.

Djelovanje vode i plina na tijelo uronjeno u njih.

Pod vodom lako možemo podići kamen koji se gotovo ne diže u zrak. Ako plutu potopite pod vodu i pustite je iz ruku, ona će plutati. Kako se ovi fenomeni mogu objasniti?

Znamo (§ 38) da tečnost pritišće dno i zidove posude. A ako se bilo koje čvrsto tijelo postavi unutar tečnosti, tada će i ono biti podvrgnuto pritisku, poput zidova posude.

Razmotrite sile koje deluju sa strane tečnosti na telo uronjeno u nju. Da biste olakšali zaključivanje, odaberite tijelo koje ima oblik paralelepipeda s bazama paralelnim površini tečnosti (slika). Sile koje djeluju na bočne strane tijela jednake su u parovima i međusobno se uravnotežuju. Pod uticajem ovih sila, telo se sabija. Ali sile koje djeluju na gornju i donju plohu tijela nisu iste. Pritiskom na gornji rub odozgo silom F Visoka 1 kolona tečnosti h jedan. Na nivou donjeg ruba, pritisak stvara stupac tečnosti s visinom h 2. Ovaj se pritisak, kao što znamo (§ 37), prenosi unutar tečnosti u svim smjerovima. Stoga, na donjoj ivici tijela odozdo prema gore snagom F 2 visoko pritiska stupac tečnosti h 2. Ali h Još 2 h 1, dakle, modul sile F Još 2 modula sile F jedan. Stoga se tijelo silom istiskuje iz tečnosti F vyt, jednako razlici sila F 2 - F 1, tj.