Вівторок, 18 травня 2021

Навчання

Що, та як - приходять одночасно

Закон Паскаля для рідин і газів. Передача тиску рідинами і газами

Закон Паскаля для рідин і газів свідчить, що тиск, поширюючись у речовині, не змінює свою силу і передається в усі сторони однаково. Рідкі та газоподібні субстанції поводяться під тиском з деякими відмінностями. Різниця обумовлена особливостями поведінки частинок і вагою газів і рідин. У статті ми будемо докладно розглядати все це за допомогою наочних експериментів.


Чи тиск рідини передається

Візьмемо посудину циліндричної форми, яка зверху герметично закрита поршнем. Всередині знаходиться рідина, а на поршні стоїть гиря. Вона чинить тиск з силою, рівною її вазі. Цей тиск передається рідині. Її молекули, на відміну від частинок твердого тіла, можуть вільно переміщатися один відносно одного. У їх розташуванні немає суворого порядку, вони розкидані хаотично.

Знання про особливості руху частинок різних речовин надалі допоможе нам зрозуміти закон Паскаля для рідин і газів. Як же поводитимуться молекули рідини, якщо ми будемо діяти на них з силою тиску гирі? Відповісти на це питання нам допоможе досвід.

Як поводиться рідина під тиском


Моделлю рідини будуть скляні кульки, а моделлю судини - коробочка без кришки. Кульки, так само як і частинки рідкої речовини, вільно переміщуються в ємності. Візьмемо будь-який предмет, що шириною збігається з шириною коробочки. Він буде імітувати поршень.

Натиснемо поршнем на рідину. Як поводяться її молекули? Ми бачимо, що вони тиснуть і на дно ємності, і на її стінки. Штовхають один одного і прагнуть випасти з коробочки. Якби це була справжня рідина, то вона прагнула б виплеснутися з судини. Пізніше, вивчаючи закон Паскаля для рідин і газів, ми побачимо це на досвіді. Через те що молекули переміщуються вільно, тиск, що чиниться гирею, передається і в сторони, і вниз. А що буде, якщо замінити рідину газом?

Як поводиться повітря під тиском

Припустимо, у нас є циліндр з поршнем, заповнений повітрям. Зверху на поршень кладемо вантаж. Як передається тиск, вироблений на газ? Коли поршень зміщується вниз, відстань між молекулами у верхній частині газу зменшується, але це ненадовго. Швидкість молекул газу становить сотні метрів на секунду. Відстань між ними набагато більша від їх розмірів. Вони рухаються у випадкових напрямках і стикаються між собою.

Коли поршень опускається, частинки просто замикаються в меншому обсязі. В результаті вони частіше вдаряються об стінки судини, і при зменшенні обсягу газу його тиск збільшується. Цей постулат потрібно запам'ятати, щоб потім легше було зрозуміти закон Паскаля для рідин і газів. Кількість ударів в секунду на кожен квадратний сантиметр практично одне і те ж. Це означає, що тиск, який виробляє поршень, передається у всіх напрямках без зміни.

Передача тиску в різних напрямках

Закон Паскаля, передачу тиску рідинами і газами не можна зрозуміти, якщо не розібратися в одній дивацтві: як виходить, що ми тиснемо вниз, а тиск передається і вниз, і в сторони? А що якщо до циліндра приєднати трубку, чи буде тиск передаватися по ній вгору? Проведемо досвід.


Візьмемо два шприци, наповнених водою, і з'єднаємо їх трубкою. Поспостерігаємо, як буде передаватися тиск рідиною, яка знаходиться в шприцах. Натиснемо на поршень одного шприца. Сила тиску на поршень, а значить, і на рідину, спрямована вниз. Однак ми бачимо, що поршень другого шприца піднімається вгору. Виходить, що тиск, передаючись через трубку, змінює напрямок сили. Цікаво, що шприци можна розмістити не тільки вертикально, а й під прямим кутом один до одного. Результат буде тим же самим.

Виллємо воду, і в шприцах залишиться повітря. Повторимо досвід. В ході експерименту ми побачимо, що і газ передає тиск у всіх напрямках. Різниця з рідиною тільки одна. Якщо максимально опустити поршень одного шприца вниз і зафіксувати його пальцем, то при натисканні на поршень іншого шприца газ буде стискатися. Його обсяг зменшиться приблизно два рази, а поршень буде норовити відскочити вгору. Цей газ, що прагне збільшити свій об'єм, змушує поршень рухатися вгору. З рідиною було б по-іншому, її б не вдалося так легко стиснути.

Закон Паскаля

Передачу тиску рідинами і газами ми будемо вивчати за допомогою досвіду. Його придумав французький фізик Блез Паскаль. Візьмемо пустотілу кулю, до якої приєднана скляна трубка. У різних частинах кулі (зверху, збоку, знизу) є маленькі отвори. Всередині трубки розміщено поршень. Це спеціальний прилад для демонстрації закону Паскаля.

Наповнимо кулю через трубку водою, щоб подивитися, як вона буде себе вести. Хоча сила тяжкості діє на кулю зверху вниз, струмені води випливають з отворів кулі під кутом, в бік і навіть вгору. Звичайно, вони трохи відхиляються від свого початкового напрямку, тому що на них діє сила тяжкості. Ми бачимо, що тиск, вироблений на воду, передається у всіх напрямках.

Якщо замість води взяти дим і виконати цей досвід, будемо спостерігати передачу тиску в газі на власні очі, адже дим - це газ, пофарбований дрібними частинками сажі або смоли. Через те що він дуже легкий, на нього не буде так сильно діяти сила тяжкості, він не буде так сильно, як струмені води, відхилятися від свого початкового положення. Можемо зробити такий висновок: тиск, що чиниться на рідину або газ, передається, не змінюючи силу, в будь-яку точку рідини і газу у всіх напрямках. Це і є закон Паскаля для рідин і газів. Формула: P = F/S, де P - це тиск. Воно дорівнює відношенню сили F до площі S, на яку вона діє перпендикулярно.