Давление столба жидкости или газа формула. Физические свойства жидкостей и газов

Закон Паскаля о давлении был открыт в XVII веке французским ученым Блезом Паскалем, в честь которого и получил свое название. Формулировка этого закона, его значение и применение в повседневной жизни подробно рассматривается в этой статье.

Суть закона Паскаля

Закон Паскаля – давление, которое оказывается на жидкость или газ, передается в каждую точку жидкости или газа без изменений. То есть, передача давления во всех направлениях происходит одинаково.

Данный закон действителен только для жидкостей и газов. Дело в том, что молекулы жидких и газообразных веществ под давлением ведут себя совсем не так, как молекулы твердых тел. Их движение отличается друг от друга. Если молекулы жидкости и газа движутся относительно свободно, то молекулы твердых тел такой свободой не обладают. Они лишь слегка колеблются, немного отклоняясь от исходного положения. И благодаря относительно свободному передвижению молекулы газа и жидкости оказывают давление во всех направлениях.

Формула и основная величина закона Паскаля

Основной величиной в законе Паскаля является давление. Оно измеряется в Паскалях (Па) . Давление (P) – отношение силы (F) , которая действует на поверхность перпендикулярно, к ее площади (S) . Следовательно: P=F/S .

Особенности давления газа и жидкости

Находясь в закрытом сосуде, мельчайшие частицы жидкостей и газов – молекулы, ударяются о стенки сосуда. Так как эти частицы подвижны, то из места с более высоким давлением они способны передвигаться в место с низким давлением, т.е. в течение короткого времени оно становиться равномерным по всей поверхности занимаемого сосуда.

Для лучшего понимания закона можно провести опыт. Возьмем воздушный шарик и наполним его водой. Потом тонкой иголкой проделаем несколько отверстий. Результат не заставит себя ждать. Из дырочек начнет вытекать вода, а если шарик сжать (т.е. оказать давление), то напор каждой струи увеличиться в насколько раз, независимо оттого, в какой именно точке было оказано давление.

Этот же эксперимент можно провести с шаром Паскаля. Это круглый шар с имеющимися отверстиями с присоединенным к нему поршнем.

Рис. 1. Блез Паскаль

Определение давления жидкости на дно сосуда происходит по формуле:

p=P/S=gpSh/s

p=gρ h

• g – ускорение свободного падения,
• ρ – плотность жидкости (кг/куб.м)
• h – глубина (высота столба жидкости)
• p – давление в паскалях.

Под водой давление зависит только от глубины и плотности жидкости. То есть в море или океане плотность будет больше при большем погружении.

Рис. 2. Давление на разных глубинах

Применение закона на практике

Многие законы физики, в том числе и закон Паскаля, применяются на практике. Например, обычный водопровод не мог бы функционировать, если бы в нем не действовал данный закон. Ведь молекулы воды в трубе движутся хаотично и относительно свободно, а значит и давление, оказываемое на стенки водопровода везде одинаковое. Работа гидравлического пресса также основана на законах движения и равновесия жидкостей. Пресс представляет собой два соединенных между собой цилиндра с поршнями. Пространство под поршнями заполняют маслом. Если на меньший поршень площадью S 2 , действует сила F 2 , то на больший поршень площадью S 1 , действует сила F 1 .

Рис. 3. Гидравлический пресс

Также можно провести эксперимент с сырым и вареным яйцом. Если острым предметом, например, длинным гвоздем, проткнуть сначала одно, а потом другое, то результат будет разным. Крутое яйцо гвоздь пройдет насквозь, а сырое разлетится вдребезги, так как для сырого яйца будет действовать закон Паскаля, а для крутого нет.

Закон Паскаля гласит, что давление во всех точках покоящейся жидкости одинаково, то есть: F 1 /S 1 =F 2 /S 2 , откуда F 2 /F 1 =S 2 /S 1 .

Сила F 2 во столько же раз больше силы F 1 , во сколько раз площадь большего поршня больше площади малого.

Что мы узнали?

Основной величиной закона Паскаля, который изучают в 7 классе, является давление, которое измеряется в Паскалях. В отличие от твердых тел газообразные и жидкие вещества давят на стенки сосуда, в котором они находятся одинаково. Причиной этому молекулы, которые движутся свободно и хаотично в разных направлениях.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 444.

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. Поэтому гидроаэромеханика - 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 понятием несжимаемой 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 ее эле­мент ΔS с силами Δ , которые независимо от того, как пластинка ориентирована, будут равны по модулю и направлены перпендикулярно площадке ΔS , так как наличие касательных сил привело бы частицы жидкости в движение.

Физическая величина, определяемая нормальной силой F n , действующей со сторо­ны жидкости на единицу площади, назы­вается давлениемр жидкости (p = F n /S ).

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

Внесистемными единицами давления считаются 1 Бар = 10 5 Па, 1 физическая атмосфера (1 атм =760 мм. рт. ст., где 1 мм. рт. ст. =133 Па).

Давление при равновесии жидкостей (газов) подчиняется закону Паскаля : 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 столба жидкости, его вы­соте h и плотности ρ вес P = ρgSh, а дав­ление на нижнее основание

p = P/S = ρgSh/S = ρgh , (6.1)

т. е. давление изменяется линейно с высо­той. Давление ρgh называется гидростати­ческим давлением.

Согласно формуле (6.1), сила давле­ния на нижние слои жидкости будет боль­ше, чем на верхние, поэтому на тело, по­груженное в жидкость, действует выталки­вающая сила, определяемая законом Архимеда :на тело, погруженное в жид­кость (газ), действует со стороны этой жидкости направленная вверх выталкива­ющая сила, равная весу вытесненной те­лом жидкости (газа):

F A = ρgV ,

где ρ - плотность жидкости, V - объем погруженного в жидкость тела.

Уравнение неразрывности

Движение жидкостей называется течени­ем , а совокупность частиц движущейся жидкости - потоком. Графически движе­ние жидкостей изображается с помощью линий тока , которые проводятся так, что касательные к ним совпадают по направ­лению с вектором скоро сти жидкости в со­ответствующих точках пространства (рис.6.1). Линии тока проводятся так, чтобы густота их, характеризуемая отно­шением числа линий к площади перпендикулярной им площадки, через которую они проходят, была больше там, где больше скорость течения жидкости, и меньше там, где жидкость течет медленнее. Таким об­разом, по картине линий тока можно су­дить о направлении и модуле скорости в разных точках пространства, т. е. можно определить состояние движения жидкости. Линии тока в жидкости можно «проя­вить», например, подмешав в нее какие-либо заметные взвешенные частицы.

Часть жидкости, ограниченную линия ми тока, называют трубкой тока. Течение жидкости называется установившимся (или стационарным ), если форма и распо­ложение линий тока, а также значения скоростей в каждой ее точке со временем не изменяются. Рассмотрим какую-либо трубку тока. Выберем два ее сечения S 1 и S 2 , перпенди­кулярные направлению скорости (рис.6.2).

За время Δt через сечение S проходит объем жидкости Sυ Δt ; следовательно, за 1с через S 1 пройдет объем жидкости S 1 υ 1 , где υ 1 - S 1 . Через сечение S 2 за 1 с пройдет объем жидкости S 2 υ 2 , где υ 2 - скорость течения жидкости в месте сечения S 2 . Здесь предполагается, что ско­рость жидкости в сечении постоянна. Ес­ли жидкость несжимаема (ρ = const), то через сечение S 2 пройдет такой же объем жидкости, как и через сечение S 1 , т. е.

S 1 υ 1 = S 2 υ 2 = const . (6.2)

Следовательно, произведение скоро­сти течения несжимаемой жидкости на поперечное сечение трубки тока есть ве­личина постоянная для данной трубки то­ка. Соотношение (6.2) называется урав­нением неразрывности для несжимаемой жидкости.

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.

Давление - величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, называется давлением. За единицу давления принимается такое давление, которое производит сила в 1Н, действующая на поверхность площадью 1м2 перпендикулярно этой поверхности.

Следовательно, чтобы определить давление, надо силу, действующую перпендикулярно поверхности, разделить на площадь поверхности.

Известно, что молекулы газа движутся беспорядочно. При своём движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором находится газ. Молекул в газе много, поэтому и число их ударов очень велико. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул о стенки сосуда значительно, оно и создаёт давление газа. Итак, давление газа на стенки сосуда (и на помещённое в газ тело) вызывается ударами молекул газа.

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

В любой жидкости молекулы не связаны жёстко, и поэтому жидкость принимает форму того сосуда, куда она налита. Как и твёрдые тела, жидкость оказывает давление на дно сосуда. Но в отличие от твёрдых тел, жидкость производит давление также и на стенки сосуда.

Для объяснения этого явления мысленно разделим столб жидкости на три слоя (a, b, c). При этом можно видеть, что и внутри самой жидкости существует давление: жидкость находится под давлением силы тяжести, и на нижние слои жидкости действует вес верхних её слоёв. Сила тяжести, действующая на слой а, прижимает его ко второму слою b. Слой b передаёт производимое на него давление во все стороны. Кроме того, на этот слой также действует сила тяжести, прижимающая его к третьему слою с. Следовательно, в третьем сдое давление возрастает, и оно будет наибольшим у дна сосуда.

Давление внутри жидкости зависит от её плотности.

Давление, производимое на жидкость или газ, передаётся без изменения в каждую точку объёма жидкости или газа. Это утверждение называют законом Паскаля.

За единицу давления в СИ принято давление, которое производит сила 1Н на перпендикулярную к ней поверхность площадью 1м2. Эта единица называется паскалем (Па).

Наименование единице давления дано в честь французского учёного Блёза Паскаля

Блёз Паскаль

Блёз Паскаль - французский математик, физик и философ, родился 19 июня 1623 года. Он был третьим ребёнком в семье. Его мать умерла, когда ему было только три года. В 1632 году семейство Паскаля, покинуло Клермонт и отправилось в Париж. Отец Паскаля имел хорошее образование и решил непосредственно передать его сыну. Отец решил, что Блёз не должен изучать математику до 15 лет, и все математические книги были удалены из их дома. Однако любопытство Блёза, толкнуло его на изучение геометрии в возрасте 12 лет. Когда это узнал отец, он смягчился и позволил Блёзу изучить Эвклида.

Блёз Паскаль внёс значительный вклад в развитие математики, геометрии, философии и литературы.

В физики Паскаль занимался изучение барометрического давления и вопросами гидростатики.

На основе закона Паскаля легко объяснить следующий опыт.

Берём 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 польётся из всех отверстий шара. В этом опыте поршень давит на поверхность воды в трубке.

Закон Паскаля

Частицы воды, находящиеся под поршнем, уплотняясь, передаётся его давление другим слоям, лежащим глубже. Таким образом, давление поршня передаётся 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). 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.

Закон Паскаля справедлив для жидкостей и газов. Однако он не учитывает одного важного обстоятельства - существования веса.

В земных условиях этого нельзя забывать. Весит и вода. Поэтому понятно, что две площадки, находящиеся на разной глубине под водой, будут испытывать разные давления.

Давление воды, обусловленное её тяжестью, называют гидростатическим.

В земных условиях на свободную поверхность жидкости чаще всего давит воздух. Давление воздуха называют атмосферным. Давление на глубине складывается из атмосферного и гидростатического.

Если два сосуда разной формы, но с одинаковыми уровнями воды в них соединить трубкой, то вода не будет переходить из одного сосуда в другой. Такой переход мог бы произойти в том случае, если бы давления в сосудах различались. Но этого нет, и в сообщающихся сосудах независимо от их формы жидкость всегда будет находиться на одном уровне.

Например, если уровни воды в сообщающихся сосудах различны, то вода начнёт перемещаться, и уровни сравняются.

Давление воды много больше давления воздуха. На глубине 10м вода давит на 1см2 с дополнительной к атмосферному давлению силой в 1кГ. На глубине в километр - с силой в 100кГ на 1см2.

Океан в некоторых местах имеет глубину более 10км. Силы давления воды на таких глубинах исключительно велики. Куски дерева, опущенные на глубину 5км, уплотняются этим огромным давлением настолько, что после такого > тонут в бочке с водой, как кирпичи.

Это огромное давление создаёт большие препятствия исследователям жизни моря. Глубоководные спуски производятся в стальных шарах - так называемых батисферах, или батискафах, которым приходится выдерживать давление выше 1 тонны на 1см2.

Подводные же лодки опускаются лишь на глубину 100 - 200м.

Давление жидкости на дно сосуда зависит от плотности и высоты столба жидкости.

Измерим давление воды на дно стакана. Конечно, дно стакана деформируется под действием сил давления, и зная величину деформации, мы могли бы определить величину вызвавшей её силы и рассчитать давление; но эта деформация настолько мала, что измерить её непосредственно практически невозможно. Так как судить по деформации данного тела о давлении, оказываемом на него жидкостью, удобно лишь в том случае, когда деформации точно велики, то для практического определения давления жидкости пользуются специальными приборами - манометрами, в которых деформация имеет сравнительно большую, легко измеримую величину. Простейший мембранный манометр устроен следующим образом. Тонкая упругая пластина мембрана - герметически закрывает пустую коробку. К мембране присоединён указатель, вращающийся около оси. При погружении прибора в жидкость мембрана прогибается под действием сил давления, и её прогиб передаётся в увеличенном виде указателю, передвигающемуся по шкале.

Манометр

Каждому положению указателя соответствует определённый прогиб мембраны, а следовательно, и определённая сила давления на мембрану. Зная площадь мембраны, можно от сил давления перейти к самим давлениям. Можно непосредственно измерить давление, если заранее проградуировать манометр, то есть 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. Атмосфера, как показали наблюдения за полётом искусственных спутников Земли, простирается на высоту несколько тысяч километров. Мы живём 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 передаёт 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.

Атмосферное давление не такое маленькое. На каждый квадратный сантиметр поверхности тела действует сила около 1кГ.

Причина атмосферного давления очевидна. Как и вода, воздух обладает весом, а значит, оказывает давление, равное (как и для воды) весу столба воздуха, находящегося над телом. Чем выше мы будем подниматься в гору, тем меньше воздуха будет над нами, а значит, тем меньше станет и атмосферное давление.

Для научных и житейских целей нужно уметь измерять давление. Для этого существуют специальные приборы - барометры.

Барометр

Изготовить барометр нетрудно. В трубку, закрытую с одного конца, наливают ртуть. Зажав пальцем открытый конец, опрокидывают трубку и погружают её открытым концом в чашку с ртутью. При этом ртуть в трубке опускается, но не выливается. Пространство над ртутью в трубке несомненно безвоздушное. Ртуть поддерживается в трубке давлением наружного воздуха.

Каких бы размеров мы не брали чашечку со ртутью, какого бы диаметра ни была трубка, ртуть всегда поднимается примерно на одну и ту же высоту - 76см.

Если взять трубку короче 76см, то она полностью заполниться ртутью, и мы не увидим пустоты. Столб ртути высотой 76см давит на подставку с той же силой, что и атмосфера.

Один килограмм на один квадратный сантиметр - это и есть величина нормального атмосферного давления.

Цифра 76см означает, что таким столбиком ртути уравновешивается столб воздуха всей атмосферы, расположенной над такой же площадкой.

Барометрической трубке можно придать самые различные формы, важно лишь одно: один конец трубки должен быть закрыт так, чтобы над поверхностью ртути не было воздуха. На другой уровень ртути действует давление атмосферы.

Ртутным барометром можно измерить атмосферное давление с очень большой точностью. Разумеется, не обязательно брать ртуть, годится и любая другая жидкость. Но ртуть - наиболее тяжёлая жидкость, и высота столба ртути при нормальном давлении будет наименьшей.

Для измерения давления пользуются различными единицами. Часто просто указывают высоту столба ртути в миллиметрах. Например, говорят, что сегодня давление выше нормы, оно равно 768мм рт. ст.

Давление в 760мм рт. ст. называют иногда физической атмосферой. Давление в 1кГ/см2 называют технической атмосферой.

Ртутный барометр - не особенно удобный прибор. Нежелательно поверхность ртути оставлять открытой (ртутные пары ядовиты), кроме того, прибор не портативен.

Этих недостатков нет у металлических барометров - анероидов.

Такой барометр все видели. Это небольшая круглая металлическая коробка со шкалой и стрелкой. На шкалу нанесены величины давления, обычно в сантиметрах ртутного столба.

Из металлической коробки выкачан воздух. Крышка коробки удерживается сильной пружиной, так как иначе она была бы вдавлена атмосферным давлением. При изменении давления крышка либо прогибается, либо выпячивается. С крышкой соединена стрелка, причём так, что при вдавливании стрелка идёт вправо.

Такой барометр градуируется сравнением его показаний со ртутным.

Если вы хотите узнать давление, не забудьте постучать пальцем по барометру. Стрелка циферблата испытывает большое трение и обычно застревает на >.

На атмосферном давлении основано простое устройство - сифон.

Шофёр хочет помочь своему товарищу, у которого кончился бензин. Как же отлить бензин из бака своей автомашины? Не наклонять же её, как чайник.

На помощь приходит резиновая трубка. Один конец её опускают в бензобак, а из другого конца ртом отсасывают воздух. Затем быстрое движение - открытый конец зажимают пальцем и устанавливают на высоте ниже бензобака. Теперь палец можно отнять - бензин будет выливаться из шланга.

Изогнутая резиновая трубка и есть сифон. Жидкость в этом случае движется по той же причине, что и в прямой наклонной трубке. В обоих случаях жидкость в конечном счёте течёт вниз.

Для действия сифона необходимо атмосферное давление: оно > жидкость и не даёт столбу жидкости в трубке разорваться. Если бы атмосферного давления не было, столб разорвался бы в точке перевала, и жидкость скатилась бы в оба сосуда.

Сифон давления

Сифон начинает работать, когда жидкость в правом (так сказать, >) колене опустится ниже уровня перекачиваемой жидкости, в которую опущен левый конец трубки. В противном случае жидкость уйдёт обратно.

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).

Атмосфера удерживается силой тяжести, действующей со стороны Земли. Под действием этой силы верхние слои воздуха давят на нижние, поэтому слой воздуха, прилегающий к Земле, оказывается наиболее сжатым и наиболее плотным. Это давление в соответствии с законом Паскаля передаётся во все стороны и действует на все тела, находящиеся на Земле, и на её поверхность.

Толщина слоя воздуха, давящая на Землю, с высотой уменьшается, следовательно, уменьшается и давление.

На существование атмосферного давления указывает множество явлений. Если стеклянную трубку с опущенным поршнем поместить в сосуд с водой и плавно поднимать, то вода следует за поршнем. Атмосфера давит на поверхность воды в сосуде; по закону Паскаля это давление передаётся воде под стеклянной трубкой и гонит воду вверх, вслед за поршнем.

Ещё древней цивилизации были известны всасывающие насосы. С их помощью можно было поднять воду на значительную высоту. Вода удивительно послушно следовала за поршнем такого насоса.

Древние философы задумались о причинах этого и пришли к такому глубокомысленному заключению: вода следует за поршнем потому, что природа боится пустоты, поэтому-то между поршнем и водой не остаётся свободного пространства.

Рассказывают, что один мастер построил для садов герцога Тосканского во Флоренции всасывающий насос, поршень которого должен был затягивать воду на высоту более 10м. Но как ни старались засосать этим насосом воду, ничего не получалось. На 10м вода поднималась за поршнем, дальше поршень отходил от воды, и образовывалась та самая пустота, которой природа боится.

Когда с просьбой объяснить причину неудачи обратились к Галилею, он ответил, что природа действительно не любит пустоты, но до определённого предела. Ученик Галилея Торричелли, очевидно, использовал этот случай как повод для того, чтобы поставить в 1643 году свой знаменитый опыт с трубкой, наполненный ртутью. Этот опыт мы только что описали - изготовление ртутного барометра и есть опыт Торричелли.

Взяв трубку высотой более 76мм, Торричелли создал пустоту над ртутью (её часто называют в честь торричеллиевой пустоты) и таким образом доказал существование атмосферного давления.

Этим опытом Торричелли разрешил недоумение мастера Тосканского герцога. Действительно, ясно на протяжении скольких метров вода будет покорно следовать за поршнем всасывающего насоса. Это движение будет продолжаться до тех пор, пока столб воды площадью 1см2 не станет равным по весу 1кГ. Такой столб воды будет иметь высоту 10м. Вот почему природа боится пустоты. , но более чем до 10м.

В 1654 году, спустя 11 лет после открытия Торричелли, действие атмосферного давления было наглядно показано магдебургским бургомистром Отто фон Герике. Известность принесла автору не столько физическая сущность опыта, сколько театральность его постановки.

Два медных полушария были соединены кольцевой прокладкой. Через кран, приделанный к одному из полушариев, из составленного шара был выкачан воздух, после чего полушария невозможно было разнять. Сохранилось подробное описание опыта Герике. Давление атмосферы на полушария можно сейчас рассчитать: при диаметре шара 37см сила равнялась примерно одной тонне. Чтобы разъединить полушария, Герике приказал запрячь две восьмёрки лошадей. К упряжи шли канаты, продетые через кольцо, прикреплённые к полушариям. Лошади оказались не в силах разъединить полушария.

Силы восьми лошадей (именно восьми, а не шестнадцати, так как вторая восьмёрка, запряжённая для пущего эффекта, могла быть заменена крюком, вбитым в стену, с сохранением той же силы, действующей на полушария) было недостаточно для разрыва магдебургских полушарий.

Если между двумя соприкасающимися телами имеется пустая полость, то эти тела не будут распадаться благодаря атмосферному давлению.

На уровне моря значение атмосферного давления обычно равно давлению столбика ртути высотой 760мм.

Измеряя атмосферное давление барометром, можно обнаружить, что оно уменьшается с увеличением высоты над поверхностью Земли (примерно на 1мм рт. ст. при подъёме в высоту на 12м). Также изменения атмосферного давления связано с изменениями погоды. Например, повышение атмосферного давления связывают с наступлением ясной погоды.

Значение атмосферного давления весьма важно для предсказания погоды на ближайшие дни, так как изменение атмосферного давления связано с изменениями погоды. Барометр - необходимый прибор при метеорологических наблюдениях.

Колебания давления от погоды имеют очень нерегулярный характер. Когда-то думали, что только одно давление и определяет погоду. Поэтому на барометрах ещё и до сих пор ставятся надписи: ясно, сухо, дождь, буря. Встречается даже надпись: >.

Изменение давления действительно играет большую роль в изменениях погоды. Но эта роль не решающая.

С распределением атмосферного давления связаны направление и сила ветра.

Давление в разных местах земной поверхности неодинаково, и более сильное давление > воздух в места с более низким давлением. Казалось бы, ветер должен дуть в направлении, перпендикулярном к изобарам, то есть туда, где давление падает наиболее быстро. Однако карты ветров показывают иное. В дела воздушного давления вмешивается кориолисова сила и вносит свою поправку, очень значительную.

Как нам известно, на любое тело, движущееся в северном полушарии, действует кориолисова сила, направленная вправо по движению. Это относится и к частицам воздуха. Выжимаемая из мест большего давления к местам, где давление поменьше, частица должна двигаться поперёк изобар, но кориолисова сила отклоняет её вправо, и направление ветра образует угол примерно в 45 градусов с направлением изобар.

Поразительно большой эффект для такой маленькой силы. Это объясняется тем, что помехи действию силы Кориолиса - трение воздушных слоёв - также очень незначительны.

Ещё более интересно влияние силы Кориолиса на направление ветров в > и > давления. Из-за действия кориолисовой силы воздух, отходя от > давления, не стекает во все стороны по радиусам, а движется по кривым линиям - спиралям. Эти спиральные воздушные потоки закручиваются в одну и ту же сторону и создают в области давления круговой вихрь, перемещающий воздушные массы по часовой стрелке.

То же самое происходит и в области пониженного давления. При отсутствии силы Кориолиса воздух стекался бы к этой области равномерно по всем радиусам. Однако по дороге воздушные массы отклоняются вправо.

Ветры в области низкого давления называются циклонами, ветры в области высокого давления называются антициклонами.

Не надо думать, что всякий циклон означает ураган или бурю. Прохождение циклонов или антициклонов через город, где мы живём, - обычное явление, связанное, правда, большей частью с переменной погоды. Во многих случаях приближение циклона означает наступление ненастья, а приближение антициклона - наступление хорошей погоды.

Впрочем, мы не будем становиться на путь прорицателей погоды.

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.