Этот закон был открыт французским ученым Б. Паскалем в 1653 г. Его иногда называют основным законом .
Закон Паскаля можно объяснить с точки зрения молекулярного строения вещества. В твердых телах молекулы образуют кристаллическую решетку и колеблются около своих . В жидкостях и газах молекулы обладают относительной свободой, они могут перемещаться друг относительно друга. Именно эта особенность позволяет давление, производимое на жидкость (или газ) передавать не только в направлении действия силы, но и во всех направлениях.
Закон Паскаля нашел широкое применение в современной технике. На законе Паскаля основана работа современных суперпрессов, которые позволяют создавать давления порядка 800 МПа. Также на этом законе построена работа всей гидроавтоматики, управляющей космическими кораблями, реактивными авиалайнерами, станками с числовым программным управлением, экскаваторами, самосвалами и т.д.
Гидростатическое давление жидкости
Гидростатическое давление внутри жидкости на любой глубине не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость, и равно произведению жидкости, и глубины, на которой определяется давление:
В однородной покоящейся жидкости давления в точках, лежащих в одной горизонтальной плоскости (на одном уровне), одинаковы. Во всех случаях, приведенных на рис. 1, давление жидкости на дно сосудов одинаково.
Рис.1. Независимость гидростатического давления от формы сосуда
На данной глубине жидкость давит одинаково по всем направлениям, поэтому давление на стенку на данной глубине будет таким же, как и на горизонтальную площадку, расположенную на такой же глубине.
Полное давление в жидкости, налитой в сосуд, складывается из давления у поверхности жидкости и гидростатического давления:
Давление у поверхности жидкости часто равно атмосферному давлению.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | В полый куб с ребром 40 см налита вода. Найти силу давления воды на дно и стенки куба. |
| Решение | Выполним рисунок.
1) Гидростатическое давление на глубине Сила давления воды на дно куба: где - площадь дна; , 2) Среднее давление на боковую грань равно полусумме давлений на уровне поверхности и на уровне дна:
сила давления на стенку куба:
Из таблиц плотность воды кг/м. Переведем единицы в систему СИ: длина ребра куба см м. Вычислим: 1) сила давления на дно: 2) сила давления на стенку: |
| Ответ | Силы давления воды на дно и стенки куба 627 и 314 Н соответственно. |
ПРИМЕР 2
| Задание | В два колена U-образной трубки налиты вода и масло, разделенные ртутью. Поверхности раздела ртути и жидкостей в обоих коленах находятся на одной высоте. Определить высоту столба воды, если высота столба масла 20 см. |
| Решение | Выполним рисунок.
По закону Паскаля давление в обоих коленах трубки на уровне одинаково: Давление воды на уровне давление масла на уровне Подставив выражения для давлений жидкостей в первое равенство, получим: |
2.5.2. Простейшие гидравлические машины.
Гидравлический пресс. Мультипликатор
2.5.1. Приборы для измерения давления
Пьезометры. Погрузим в «абсолютно» покоящуюся жидкость открытые с обоих концов стеклянные трубки так, чтобы их нижние концы совпали с точками и(рис. 2.11). В обеих трубках с открытыми концами жидкость поднимется на одинаковую высоту, которая будет лежать водной плоскости относительно плоскости сравнения . Эта высота равна высоте полного гидростатического напора, измеренной не по абсолютному, а по избыточному давлению.
Рис.2.11. Закон распределения давления
в «абсолютно» покоящейся жидкости
Такие открытые с обоих концов трубки, предназначенные для измерения давления, точнее пьезометрической высоты, называются пьезометрами, или пьезометрическими трубками.
Пьезометры пригодны для измерения относительно небольших давлений, т.к. уже при вода в трубке поднялась бы на высоту 10 м, а минерального масла с относительным весом 0,8 – на 12,5 м.
Дифференциальные манометры. Для измерения разности давлений в двух точках служат дифференциальные манометры, простейшим из которых является - образный манометр (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Дифференциальный манометр
Дифференциальные манометры могут измерять как избыточное (рис. 2.11, а ), так и вакуумметрическое давление (рис. 2.11, б ). Если при помощи такого манометра, обычно заполняемого ртутью, измеряется разность давлений ив жидкости плотностью, которая полностью заполняет соединительные трубки, то
При измерении небольших давлений газа вместо ртути применяют спирт, керосин, воду и т.д.
Пьезометры и дифференциальные манометры применимы для измерения давления не только в покоящейся жидкости, но и в потоке.
Для измерения давлений более 0,2-0,3 применяют механические манометры - пружинные или мембранные. Принцип их действия основан на деформации полой пружины или мембраны под действием измеряемого давления. Через механизм эта деформация передается стрелке, которая показывает величину измеряемого давления на циферблате.
Наряду с механическими манометрами применяют электрические манометры. В качестве чувствительного элемента (датчика) в электроманометре используют мембрану. Под действием измеряемого давления мембрана деформируется и через передаточный механизм перемещает движок потенциометра, который вместе с указателем включен в электрическую схему.
Соотношение единиц измерения давления:
1ат = 1кгс/см 2 =10 м вод. ст . = 736,6 мм рт. ст. = 98066,5Па 10 5 Па .
1 кПа = 10 3 Па ; 1 МПа = 10 6 Па .
При нормальном атмосферном давлении (0,1033 МПа) высота равна для воды 10,33 м, для бензина (= 750 кг/м 3) 13,8 м, для ртути 0,760 м и т.д.
2.5.2. Простейшие гидравлические машины. Гидравлический пресс. Мультипликатор
Гидравлический пресс. Пресс применяется в технике для создания больших сжимающих усилий, которые необходимы в технике при обработке металлов давлением, прессовании, штамповке, брикетировании, испытании различных материалов и др.
Пресс состоит из сообщающихся цилиндров с поршнями, соединённых между собой трубопроводом (рис. 2.13).
Рис. 2.13. Схема гидравлического пресса
Один из сосудов имеет площадь , которая меньше площадивторого сосуда. Если к поршню в сосуде 1 приложить силу, то под ним создаётся гидростатическое давление, определяемое по формуле.
По закону Паскаля давление передаётся во все точки жидкости, в том числе и на площадь. Это создаёт силу
Выразив через, получим
Таким образом, сила во столько раз больше силы, действующей на поршень в малом сечении, во сколько раз площадьбольше площади.
Сила создаётся обычно при помощи поршневого насоса, который подаёт жидкость (масло, эмульсию) в камеру пресса. Силаможет прессовать изделие, находящееся между поршнем и неподвижной платформой. Практически развиваемая сила меньше силывследствие трения между поршнями и цилиндрами. Это уменьшение учитывается коэффициентом полезного действия пресса -. В современных гидравлических прессах развиваются усилия до 100000 тонн и более.
Мультипликатор. Аналогичный принцип действия заложен в работу таких известных устройств, как домкрат и мультипликатор.
На рисунке 2.14 показана схема мультипликатора.
Рис. 2.14. Схема мультипликатора
Если в камере создается гидростатическое давление, то гидростатическое давлениев камередолжно удовлетворять условию
Таким образом, при помощи мультипликатора давление повышается в раз.
Природа давления жидкости, газа и твердого тела отличается. Хотя у давлений жидкости и газа различная природа, у их давлений есть один одинаковый эффект, отличающий их от твердых тел. Этот эффект, а точнее физическое явление, описывает закон Паскаля .
Закон Паскаля Производимое внешними силами давление в какое-то место жидкости или газа, передается по жидкости или газу без изменения в любую точку.
Закон Паскаля был открыт французским учёным Б. Паскалем в 1653 г., этот закон подтверждается различными опытами.
Давление это физическая величина, равная модулю силы F , действующей перпендикулярно поверхности, которая приходится на единицу площади S этой поверхности.
Формула закона Паскаля Закон Паскаля описывается формулой давления:
\(p = \dfrac{F}{S} \)
где p – это давление (Па), F – приложенная сила (Н), S – площадь поверхности (м 2).
Давление – скалярная величина Важно понимать, что давление – величина скалярная, то есть у нее нет направления.
Способы уменьшения и увеличения давления:
Для того, чтобы увеличить давление, необходимо увеличить приложенную силу и/или уменьшить площадь ее приложения.
И наоборот, для уменьшения давления, необходимо уменьшить приложенную силу и/или увеличить площадь ее приложения.
Различают следующие виды давлений:
- атмосферное (барометрическое)
- абсолютное
- избыточное (манометрическое)
Давление газов зависит:
- от массы газа - чем больше газа в сосуде, тем больше давление;
- от объема сосуда - чем меньше объем с газом определенной массы, тем больше давление;
- от температуры - с ростом температуры увеличивается скорость движения молекул, которые интенсивнее взаимодействуют и сталкиваются со стенками сосуда, поэтому и давление возрастает.
Жидкости и газы передают по всем направлениям не только оказываемое на них давление, но и то давление, которое существует внутри них благодаря весу собственных частей. Верхние слои давят на средние, а средние - на нижние, нижние - на дно.
Внутри жидкости существует давление. На одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается.
Закон Паскаля означает, что если, например, надавить на газ с силой в 10 Н , и площадь этого давления будет 10 см2 (т. е. (0,1 * 0,1) м2 = 0,01 м2 ), то давление в месте приложения силы увеличится на p = F/S = 10 Н / 0,01 м2 = 1000 Па , и на эту величину увеличится давление во всех местах газа. То есть давление передастся без изменений в любую точку газа.
То же самое характерно для жидкостей. А вот для твердых тел - нет. Это связано с тем, что молекулы жидкости и газа подвижны, а в твердых телах, хотя и могут колебаться, но остаются на своем месте. В газах и жидкостях молекулы перемещаются из области с более высоким давлением в область с более низким, таким образом давление во всем объеме быстро выравнивается.
В отличие от твердых тел жидкости и газы в состоянии равновесия не обладают упругостью формы. Они обладают только объемной упругостью. В состоянии равновесия напряжение в жидкости и газе всегда нормально к площадке, на которую оно действует. Касательные напряжения вызывают только изменения формы элементарных объемов тела (сдвиги), но не величину самих объемов. Для таких деформаций в жидкостях и газах усилий не требуется, а потому в этих средах при равновесии касательные напряжения не возникают.
закон сообщающихся сосудов в сообщающихся сосудах, заполненных однородной жидкостью, давление во всех точках жидкости, расположенных в одной горизонтальной плоскости, одинаково независимо от формы сосудов.
При этом поверхности жидкости в сообщающихся сосудах устанавливаются на одном уровне
Давление, которое появляется в жидкости из-за поля тяжести, называется гидростатическим . В жидкости на глубине \(H \) , считая от поверхности жидкости, гидростатическое давление равно \(p=\rho g H \) . Полное давление в жидкости складывается из давления на поверхности жидкости (обычно это атмосферное давление) и гидростатического.
В вашем браузере отключен Javascript.Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!
(1623 - 1662)
Закон Паскаля гласит: "Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку жидкости или газа одинаково по всем направлениям".
Это утверждение объясняется подвижностью частиц жидкостей и газов во всех направлениях.
ОПЫТ ПАСКАЛЯ
В 1648 году то, что давление жидкости зависит от высоты ее столба, продемонстрировал Блез Паскаль.
Он вставил в закрытую бочку, наполненную водой, трубку диаметром 1 см2, длиной 5 м и, поднявшись на балкон второго этажа дома, вылил в эту трубку кружку воды. Когда вода в ней поднялась до высоты ~ 4 метра, давление воды увеличилось настолько, что в крепкой дубовой бочке образовались щели, через которые потекла вода.
Трубка Паскаля
А ТЕПЕРЬ БУДЬ ВНИМАТЕЛЕН!
Если заполнить одинаковые по размерам сосуды: один - жидкостью, другой - сыпучим материалом (например горохом), в третий поставить вплотную к стенкам твердое тело, на поверхность вещества в каждом сосуде положить одинаковые кружочки, например, из дерева /они должны прилегать к стенкам /, а сверху установить одинаковые по массе грузы,
то как изменится давление вещества на дно и стенки в каждом сосуде? Подумай! В каком случае срабатывает закон Паскаля? Как будет передаваться внешнее давление грузов?
В КАКИХ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ЗАКОН ПАСКАЛЯ?
Закон Паскаля положен в основу устройства многих механизмов. Смотри рисунки, запоминай!
1. гидравлические прессы
Гидравлический мультипликатор предназначен для увеличения давления (р2 > р1, так как при одинаковой силе давления S1> S2).
Мультипликаторы применяются в гидравлических прессах.
2. гидравлические подъемники
Это упрощенная схема гидравлического подъемника, который устанавливается на самосвалах.
Назначение подвижного цилиндра - увеличение высоты подъема поршня. Для опускания груза открывают кран.
Заправочный агрегат для снабжения тракторов горючим действует так: компрессор нагнетает воздух в герметически закрытый бак с горючим, которое по шлангу поступает в бак трактора.
4. опрыскиватели
В опрыскивателях, используемых для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, давление нагнетаемого в сосуд воздуха на раствор яда - 500 000 Н/м2. Жидкость распыляется при открытом кране
5. системы водоснабжения
Пневматическая система водоснабжения. Насос подает в бак воду, сжимающую воздушную подушку, и отключается при достижении давления воздуха 400 000 Н/м2. Вода по трубам поднимается в помещения. При понижении давления воздуха вновь включается насос.
6. водометы
Струя воды, выбрасываемая водометом под давлением 1 000 000 000 Н/м2, пробивает отверстия в металлических болванках, дробит породу в шахтах. Гидропушками оснащена и современная противопожарная техника.
7. при прокладке трубопроводов
Давление воздуха "раздувает" трубы, изготовленные в виде плоских металлических стальных лент, сваренных по кромкам. Это значительно упрощает прокладку трубопроводов различного назначения.
8. в архитектуре
Огромный купол из синтетической пленки поддерживается давлением, большим атмосферного лишь на 13,6 Н/м2.
9. пневматические трубопроводы
Давление в 10 000 - 30 000 Н/м2 работает в пневмоконтейнерных трубопроводах. Скорость составов в них достигает 45км/час. Этот вид транспорта используется для перевозки сыпучих и других материалов.
Контейнер для перевозки бытовых отходов.
ТЫ ЭТО СМОЖЕШЬ
1. Закончи фразу: "При погружении подводной лодки давление воздуха в ней....." . Почему?
2. Пищу для космонавтов изготовляют в полужидком виде и помещают в тюбики с эластичными стенками. При легком надавливании на тюбик космонавт извлекает из него содержимое. Какой закон проявляется при этом?
3. Что надо сделать, чтобы вода вытекала по трубке из сосуда?
4. В нефтяной промышленности для подъема нефти на поверхность земли применяется сжатый воздух, который нагнетается компрессорами в пространство над поверхностью нефтеносного слоя. Какой закон проявляется при этом? Как?
5. Почему пустой бумажный мешок, надутый воздухом, с треском разрывается,ь если ударить им о руку или обо что-то твердое?
6. Почему у глубоководных рыб при вытаскивании их на поверхность плавательный пузырь торчит изо рта?
КНИЖНАЯ ПОЛКА
ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ОБ ЭТОМ?
Что такое кессонная болезнь?
Она проявляется, если очень быстро подниматься из глубины воды. Давление воды резко уменьшается и растворенный в крови воздух расширяется. Образующиеся пузырьки закупоривают кровеносные сосуды, мешая движению крови, и человек может погибнуть. Поэтому аквалангисты и ныряльщики всплывают медленно, чтобы кровь успевала уносить образующиеся пузырьки воздуха в легкие.
Как мы пьем?
Мы приставляем стакан или ложку с жидкостью ко рту и “втягиваем” в себя их содержимое. Как? Почему, в самом деле, жидкость устремляется к нам в рот? Причина такова: при питье мы расширяем грудную клетку и тем разрежаем воздух во рту; под давлением наружного воздуха жидкость устремляется в то пространство, где давление меньше, и таким образом проникает в наш рот. Здесь происходит то же самое, что произошло бы с жидкостью в сообщающихся сосудах, если бы над одним из этих сосудов мы стали разрежать воздух: под давлением атмосферы жидкость в этом сосуде поднялась бы. Наоборот, захватив губами горлышко бутылки, вы никакими усилиями не “втянете” из нее воду в рот, так как давление воздуха во рту и над водой одинаково. Итак, мы пьем не только ртом, но и легкими; ведь расширение легких - причина того, что жидкость устремляется в наш рот.
Мыльные пузыри
“Выдуйте мыльный пузырь, - писал великий английский ученый Кельвин, - и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики”.
Мыльный пузырь вокруг цветка
В тарелку или на поднос наливают мыльного раствора настолько, чтобы дно тарелки было покрыто слоем в 2 - 3 мм; в середину кладут цветок или вазочку и накрывают стеклянной воронкой. Затем, медленно поднимая воронку, дуют в ее узкую трубочку, - образуется мыльный пузырь; когда же этот пузырь достигнет достаточных размеров, наклоняют воронку, высвобождая из-под нее пузырь. Тогда цветок окажется лежащим под прозрачным полукруглым колпаком из мыльной пленки, переливающейся всеми цветами радуги.
Несколько пузырей друг в друге
Из воронки, употребленной для описанного опыта, выдувают большой мыльный пузырь. Затем совершенно погружают соломинку в мыльный раствор так, чтобы только кончик ее, который придется взять в рот, остался сухим, и просовывают ее осторожно через стенку первого пузыря до центра; медленно вытягивая затем соломинку обратно, не доводя ее, однако до края, выдувают второй пузырь, заключенный в первом, в нем - третий, четвертый и т. д. Интересно наблюдать за пузырем, когда он из теплого помещения попадает в холодное: он видимо уменьшается в объеме и, наоборот, раздувается, попадая из холодной комнаты в теплую. Причина кроется, конечно, в сжатии и расширении воздуха, заключенного внутри пузыря. Если, например, на морозе в - 15° С объем пузыря 1000 куб. см и он с мороза попал в помещение, где температура +15° С, то он должен увеличиться в объеме примерно на 1000 * 30 * 1/273 = около 110 куб. см.
Обычные представления о недолговечности мыльных пузырей не вполне правильны: при надлежащем обращении удается сохранить мыльный пузырь в продолжение целых декад. Английский физик Дьюар (прославившийся своими работами по сжижению воздуха) хранил мыльные пузыри в особых бутылках, хорошо защищенных от пыли, высыхания и сотрясения воздуха; при таких условиях ему удалось сохранять некоторые пузыри месяц и более. Лоренсу в Америке удавалось годами сохранять мыльные пузыри под стеклянным колпаком.
Блез Паскаль - французский математик, физик и философ, живший в середине семнадцатого века. Исследовал поведение жидкостей и газов, изучал давление.
Он заметил, что форма сосуда не оказывает никакого влияния на давление жидкости внутри его. А также сформулировал принцип: жидкости и газы передают одинаково по всем направлениям оказываемое на них давление.
Этот принцип называют законом Паскаля для жидкостей и газов.
Необходимо понимать, что в этом законе не учитывалась сила тяжести, действующая на жидкость. В действительности, давление жидкости растёт с глубиной из-за притяжения к Земле, и это гидростатическое давление.
Для вычисления его значения применяется формула:
- давление столба жидкости.
- ρ - плотность жидкости;
- g - ускорение свободного падения;
- h - глубина (высота столба жидкости).
Полное давление жидкости на любой глубине складывается из гидростатического давления и давления, связанного с внешним сжатием:
где p0 - внешнее давление, например, поршня в сосуде с водой.
Применение закона Паскаля в гидравлике
Гидравлические системы используют несжимаемые жидкости, такие как нефть или вода, чтобы передавать давление из одной точки в другую внутри жидкости с выигрышем в силе. Гидравлические устройства используются для дробления твёрдых веществ, в прессах. У воздушных судов гидравлика установлена в тормозные системы и шасси.
Так как закон Паскаля справедлив и для газов, то в технике существуют пневматические системы, использующие давление воздуха.
Архимедова сила. Условие плавания тел
Знание архимедовой силы (по-другому - выталкивающей) важно при попытке понять, почему некоторые тела плавают, в то время как другие тела тонут.
Рассмотрим пример. Человек находится в бассейне. Когда он полностью погружается под воду, он легко может выполнить сальто, сделать кувырок или очень высоко подпрыгнуть. На суше выполнить такие трюки намного сложнее.
Такая ситуация в бассейне возможна из-за того, что на человека действует в воде архимедова сила. В жидкости давление возрастает с глубиной (это справедливо и для газа). Когда тело находится полностью под водой, то давление жидкости снизу тела преобладает над давлением сверху, и тело начинает всплывать.
Закон Архимеда
На тело в жидкости (газе) действует выталкивающая сила, равная по величине весу того количества жидкости (газа), которое вытеснено погружённой частью тела.
- Fт - сила тяжести;
- Fа - архимедова сила;
- ρж - плотность жидкости или газа;
- Vв. ж. - объём вытесненной жидкости (газа), равный объёму погружённой части тела;
- Pв. ж. - вес вытесненной жидкости.
Условие плавания
- FТ> FA - тело тонет;
- FТ< FA - тело поднимается к поверхности до тех пор, пока не окажется в положении равновесия и не начнёт плыть;
- FТ = FA - тело находится в равновесии в водной или газовой среде (плавает).
