Розробка уроку: "Тиск у рідині та газі". Чому існує повітряна оболонка Землі

Людина на лижах і без них.

за пухкому снігулюдина йде насилу, глибоко провалюючись при кожному кроці. Але, одягнувши лижі, він може йти, майже не провалюючись у нього. Чому? На лижах або без лиж людина діє на сніг з однією і тією ж силою, що дорівнює своїй вазі. Однак дія цієї сили в обох випадках по-різному, тому що різна площа поверхні, на яку тисне людина, з лижами і без лиж. Площа поверхні лиж майже у 20 разів більше площіпідошви. Тому, стоячи на лижах, людина діє на кожен квадратний сантиметрплощі поверхні снігу із силою, у 20 разів меншою, ніж стоячи на снігу без лиж.

Учень, приколюючи кнопками газету до дошки, діє кожну кнопку однаковою силою. Однак кнопка, що має гостріший кінець, легше входить у дерево.

Отже, результат дії сили залежить тільки від її модуля, напрями й точки докладання, а й від площі тієї поверхні, до якої вона прикладена (перпендикулярно до якої вона діє).

Цей висновок підтверджують фізичні досліди.

Досвід.Результат дії цієї сили залежить від того, яка сила діє на одиницю площі поверхні.

По кутах невеликої дошки треба вбити цвяхи. Спочатку цвяхи, вбиті в дошку, встановимо на піску вістрями вгору і покладемо на дошку гирю. У цьому випадку капелюшки цвяхів лише трохи вдавлюються в пісок. Потім дошку перевернемо і поставимо цвяхи на вістря. В цьому випадку площа опори менша, і під дією тієї ж сили цвяхи значно заглиблюються в пісок.

Досвід. Друга ілюстрація.

Від того, яка сила діє на кожну одиницю площі поверхні залежить результат дії цієї сили.

У розглянутих прикладах сили діяли перпендикулярно до поверхні тіла. Вага людини була перпендикулярна поверхні снігу; сила, що діяла кнопку, перпендикулярна поверхні дошки.

Величина, рівна відношеннюсили, що діє перпендикулярно поверхні, до площі цієї поверхні, називається тиском.

Щоб визначити тиск, треба силу, що діє перпендикулярно до поверхні, розділити на площу поверхні:

тиск = сила / площа.

Позначимо величини, що входять до цього виразу: тиск - p, сила, що діє на поверхню, - Fта площа поверхні - S.

Тоді отримаємо формулу:

p = F/S

Зрозуміло, що більша за значенням сила, що діє на ту саму площу, буде виробляти більший тиск.

За одиницю тиску приймається такий тиск, який робить сила в 1 Н, що діє на поверхню площею 1 м 2 перпендикулярно до цієї поверхні.

Одиниця тиску - ньютон на квадратний метр (1 Н/м2). На честь французького вченого Блеза Паскаля вона називається паскалем ( Па). Таким чином,

1 Па = 1 Н/м 2.

Використовуються також інші одиниці тиску: гектопаскаль (гПа) та кілопаскаль (кПа).

1 кПа = 1000 Па;

1 гПа = 100 Па;

1 Па = 0,001 кПа;

1 Па = 0,01 гПа.

Запишемо умову завдання і розв'яжемо її.

Дано : m = 45 кг, S = 300 см 2; p =?

В одиницях СІ: S = 0,03 м 2

Рішення:

p = F/S,

F = P,

P = g·m,

P= 9,8 Н · 45 кг ≈ 450 Н,

p= 450/0,03 Н/м 2 = 15000 Па = 15 кПа

"Відповідь": p = 15000 Па = 15 кПа

Способи зменшення та збільшення тиску.

Тяжкий гусеничний трактор робить на ґрунт тиск рівний 40 - 50 кПа, тобто всього в 2 - 3 рази більше, ніж тиск хлопчика масою 45 кг. Це пояснюється тим, що вага трактора розподіляється на більшу площу за рахунок гусеничної передачі. А ми встановили, що чим більша площа опори, тим менший тиск, що виробляється однією і тією ж силою на цю опору .

Залежно від того, чи потрібно отримати малий чи великий тиск, площа опори збільшується чи зменшується. Наприклад, для того, щоб грунт міг витримати тиск будівлі, що зводиться, збільшують площу нижньої частини фундаменту.

Шини вантажних автомобіліві шасі літаків роблять значно ширшим, ніж легкових. Особливо широкими роблять шини у автомобілів, призначених для пересування у пустелях.

Важкі машини, як трактор, танк або болотохід, маючи велику опорну площу гусениць, проходять болотистою місцевістю, якою не пройде людина.

З іншого боку, при малої площіповерхні можна невеликою силоюзробити великий тиск. Наприклад, вдавлюючи кнопку в дошку, ми діємо на неї з силою близько 50 Н. Так як площа вістря кнопки приблизно 1 мм 2 то тиск, що виробляється нею, дорівнює:

p = 50 Н/0, 000 001 м 2 = 50 000 000 Па = 50 000 кПа.

Для порівняння, це тиск у 1000 разів більший за тиск, що виробляється гусеничним трактором на грунт. Можна знайти ще багато таких прикладів.

Лезо ріжучих та вістря колючих інструментів (ніж, ножиць, різців, пилок, голок та ін.) спеціально гостро відточується. Заточений край гострого леза має маленьку площу, тому за допомогою навіть малої сили створюється великий тиск і таким інструментом легко працювати.

Ріжучі та колючі пристосування зустрічаються і в живій природі: це зуби, пазурі, дзьоби, шипи та ін. твердого матеріалу, гладкі та дуже гострі.

Тиск

Відомо, що молекули газу безладно рухаються.

Ми вже знаємо, що гази, на відміну від твердих тіл і рідин, заповнюють всю посудину, в якій знаходяться. Наприклад, сталевий балон для зберігання газів, камера автомобільної шини чи волейбольний м'яч. При цьому газ чинить тиск на стінки, дно та кришку балона, камери чи будь-якого іншого тіла, в якому він знаходиться. Тиск газу обумовлений іншими причинами, ніж тиск твердого тілана опору.

Відомо, що молекули газу безладно рухаються. При своєму русі вони стикаються одна з одною, а також зі стінками судини, в якій знаходиться газ. Молекул у газі багато, тому й кількість їх ударів дуже велика. Наприклад, число ударів молекул повітря, що знаходиться в кімнаті, про поверхню площею 1 см 2 за 1 виражається двадцятитризначним числом. Хоча сила удару окремої молекулимала, але дія всіх молекул на стінки судини значно, - вона створює тиск газу.

Отже, тиск газу на стінки судини (і на поміщене в газ тіло) викликається ударами молекул газу .

Розглянемо наступний досвід. Під дзвін повітряного насоса помістимо гумову кульку. Він містить невелику кількість повітря та має неправильну форму. Потім насосом відкачуємо повітря з-під дзвона. Оболонка кульки, навколо якої повітря стає все більш розрідженим, поступово роздмухується і набуває форми правильної кулі.

Як пояснити цей досвід?

Для зберігання та перевезення стиснутого газу використовуються спеціальні міцні сталеві балони.

У нашому досвіді молекули газу, що рухаються, безперервно вдаряють об стінки кульки всередині і зовні. При відкачуванні повітря кількість молекул у дзвоні навколо оболонки кульки зменшується. Але всередині кульки їхня кількість не змінюється. Тому число ударів молекул про зовнішні стінки оболонки стає менше, ніж число ударів про внутрішні стінки. Кулька роздмухується до тих пір, поки сила пружності його гумової оболонки не стане рівною силі тиску газу. Оболонка кульки набуває форми кулі. Це показує, що газ тисне на її стінки по всіх напрямках однаково. Інакше висловлюючись, число ударів молекул, які припадають кожен квадратний сантиметр площі поверхні, у всіх напрямах однаково. Однаковий тиск по всіх напрямках характерний для газу і є наслідком безладного руху величезної кількостімолекул.

Спробуємо зменшити обсяг газу, але так, щоб його маса залишилася незмінною. Це означає, що у кожному кубічному сантиметрігазу молекул побільшає, щільність газу збільшиться. Тоді число ударів молекул об стінки збільшиться, тобто зросте тиск газу. Це можна підтвердити досвідом.

На малюнку азображено скляну трубку, один кінець якої закритий тонкою гумовою плівкою. У трубку вставлено поршень. При всмоктуванні поршня об'єм повітря в трубці зменшується, тобто газ стискається. Гумова плівка при цьому вигинається назовні, вказуючи на те, що тиск повітря в трубці збільшився.

Навпаки, зі збільшенням обсягу цієї маси газу, число молекул у кожному кубічному сантиметрі зменшується. Від цього зменшиться кількість ударів об стінки судини - тиск газу поменшає. Дійсно, при витягуванні поршня з трубки об'єм повітря збільшується, плівка прогинається всередину судини. Це вказує на зменшення тиску повітря у трубці. Такі ж явища спостерігалися б, якби замість повітря в трубці знаходився будь-який інший газ.

Отже, при зменшенні обсягу газу його тиск збільшується, а при збільшенні обсягу тиск зменшується за умови, що маса та температура газу залишаються незмінними.

А як зміниться тиск газу, якщо нагріти його при постійному обсязі? Відомо, що швидкість руху молекул газу під час нагрівання збільшується. Рухаючись швидше, молекули ударятимуть об стінки судини частіше. Крім того, кожен удар молекули об стінку буде сильнішим. Внаслідок цього, стінки судини зазнають більшого тиску.

Отже, тиск газу в закритій посудині тим більше, чим вище температура газу, за умови, що маса газу та обсяг не змінюються.

З цих дослідів можна зробити загальний висновок, що тиск газу тим більше, чим частіше і сильніше молекули ударяють об стінки судини .

Для зберігання та перевезення газів їх сильно стискають. При цьому тиск їх зростає, гази необхідно укладати у спеціальні, дуже міцні балони. У таких балонах, наприклад, містять стиснене повітря в підводних човнах, кисень, що використовується при зварюванні металів. Звичайно ж, ми повинні назавжди запам'ятати, що газові балони не можна нагрівати, тим більше коли вони заповнені газом. Тому що, як ми вже розуміємо, може статися вибух із дуже неприємними наслідками.

Закон Паскаля.

Тиск передається в кожну точку рідини чи газу.

Тиск поршня передається у кожну точку рідини, що заповнює кулю.

Тепер газ.

На відміну від твердих тіл окремі шари та дрібні частинкирідини та газу можуть вільно переміщатися щодо один одного по всіх напрямках. Достатньо, наприклад, злегка подути на поверхню води у склянці, щоб викликати рух води. На річці або озері при найменшому вітерці з'являється брижі.

Рухливістю частинок газу та рідини пояснюється, що тиск, що виробляється на них, передається не тільки у напрямку дії сили, а в кожну точку. Розглянемо це докладніше.

На малюнку, азображено посудину, в якій міститься газ (або рідина). Частинки поступово розподілені по всій посудині. Посудина закрита поршнем, який може переміщатися вгору та вниз.

Додаючи деяку силу, змусимо поршень трохи переміститися всередину і стиснути газ (рідина), що знаходиться безпосередньо під ним. Тоді частинки (молекули) розташуються тут щільніше, ніж раніше (рис, б). Завдяки рухливості частинки газу переміщатимуться у всіх напрямках. Внаслідок цього їх розташування знову стане рівномірним, але щільнішим, ніж раніше (рис, в). Тому тиск газу усюди зросте. Отже, додатковий тиск передається всім часткам газу чи рідини. Так, якщо тиск на газ (рідина) біля поршня збільшиться на 1 Па, то у всіх точках всерединігазу або рідини тиск стане більше колишнього на стільки ж. На 1 Па збільшиться тиск і стінки судини, і дно, і поршень.

Тиск, що виробляється на рідину або газ, передається на будь-яку точку однаково у всіх напрямках .

Це твердження називається законом Паскаля.

На основі закону Паскаля легко пояснити такі досліди.

На малюнку зображена порожня куля, що має в різних місцях невеликі отвори. До кулі приєднано трубку, в яку вставлено поршень. Якщо набрати води в кулю і всунути в трубку поршень, вода поллється з усіх отворів кулі. У цьому досвіді поршень тисне на поверхню води у трубці. Частинки води, що знаходяться під поршнем, ущільнюючись, передають його тиск іншим шарам, що лежать глибше. Таким чином, тиск поршня передається в кожну точку рідини, що заповнює кулю. В результаті частина води виштовхується з кулі у вигляді однакових струмків, що випливають із усіх отворів.

Якщо шар заповнити димом, то при всуненні поршня в трубку з усіх отворів кулі почнуть виходити однакові струмка диму. Це підтверджує, що і гази передають вироблений на них тиск на всі боки однаково.

Тиск у рідині та газі.

Під дією ваги рідини гумове дно у трубці прогнеться.

На рідини, як і всі тіла Землі, діє сила тяжкості. Тому кожен шар рідини, налитої в посудину, своєю вагою створює тиск, який за законом Паскаля передається в усіх напрямках. Отже, усередині рідини існує тиск. У цьому можна переконатись на досвіді.

У скляну трубку, нижній отвір якої закритий тонкою гумовою плівкою, наллємо воду. Під дією ваги рідини дно трубки прогнеться.

Досвід показує, що чим вище стовп води над гумовою плівкою, тим більше вона прогинається. Але щоразу після того, як гумове дно прогнулося, вода в трубці приходить у рівновагу (зупиняється), оскільки, крім сили тяжіння, на воду діє сила пружності розтягнутої гумової плівки.

Ілюстрація.

Дно відходить від циліндра внаслідок тиску нього сили тяжіння.

Опустимо трубку з гумовим дном, в яку налита вода, в іншу, ширшу посудину з водою. Ми побачимо, що з опусканням трубки гумова плівка поступово випрямляється. Повне випрямлення плівки показує, що сили, що діють її зверху і знизу, рівні. Настає повне випрямлення плівки тоді, коли рівні води в трубці та посудині збігаються.

Такий же досвід можна провести з трубкою, в якій гумова плівка закриває бічний отвір, як показано на малюнку, а. Зануримо цю трубку з водою в іншу посудину з водою, як це зображено на малюнку, б. Ми зауважимо, що плівка знову випрямиться, як тільки рівні води в трубці та посудині зрівняються. Це означає, що сили, що діють на гумову плівку, однакові з усіх боків.

Візьмемо посудину, дно якої може відпадати. Опустимо його у банку з водою. Дно при цьому виявиться щільно притисненим до краю судини і не відпаде. Його притискає сила тиску води, спрямована знизу нагору.

Обережно наливатимемо воду в посудину і стежитимемо за її дном. Як тільки рівень води в посудині збігатиметься з рівнем води в банку, воно відпаде від судини.

У момент відриву на дно тисне зверху донизу стовп рідини в посудині, а знизу вгору на дно передається тиск такого ж по висоті стовпа рідини, але знаходиться в банку. Обидва ці тиски однакові, дно ж відходить від циліндра внаслідок дії на нього власної силитяжкості.

Вище були описані досліди з водою, але якщо взяти замість води будь-яку іншу рідину, результати досліду будуть ті самі.

Отже, досліди свідчать, що всередині рідини існує тиск, і на тому самому рівні воно однаково по всіх напрямках. З глибиною тиск збільшується.

Гази щодо цього не відрізняються від рідин, адже вони теж мають вагу. Але треба пам'ятати, що густина газу в сотні разів менше щільностірідини. Вага газу, що знаходиться в посудині, мала, і його "ваговий" тиск у багатьох випадках можна не враховувати.

Розрахунок тиску рідини на дно та стінки судини.

Розрахунок тиску рідини на дно та стінки судини.

Розглянемо, як можна розраховувати тиск рідини на дно та стінки судини. Вирішимо спочатку задачу для посудини, що має форму прямокутного паралелепіпеда.

Сила F, з якою рідина, налита в цю посудину, тисне на його дно, що дорівнює вазі Pрідини, що знаходиться у посудині. Вагу рідини можна визначити, знаючи її масу m. Масу, як відомо, можна обчислити за такою формулою: m = ρ·V. Об'єм рідини, налитої у вибрану нами посудину, легко розрахувати. Якщо висоту стовпа рідини, що знаходиться в посудині, позначити літерою h, а площа дна судини S, то V = S·h.

Маса рідини m = ρ·V, або m = ρ·S·h .

Вага цієї рідини P = g·m, або P = g·ρ·S·h.

Так як вага стовпа рідини дорівнює силі, з якою рідина тисне на дно судини, то розділивши вагу Pна площу S, отримаємо тиск рідини p:

p = P/S , або p = g·ρ·S·h/S,

Ми отримали формулу розрахунку тиску рідини на дно судини. З цієї формули видно, що тиск рідини на дно судини залежить тільки від щільності та висоти стовпа рідини.

Отже, за виведеною формулою можна розраховувати тиск рідини, налитої в посудину будь-якої форми(Строго кажучи, наш розрахунок годиться тільки для судин, що мають форму прямої призми та циліндра. У курсах фізики для інституту доведено, що формула правильна і для судини довільної форми). Крім того, по ній можна обчислити тиск на стінки судини. Тиск усередині рідини, у тому числі тиск знизу вгору, також розраховується за цією формулою, так як тиск на одній і тій же глибині однаково в усіх напрямках.

При розрахунку тиску за формулою p = gρhтреба щільність ρ виражати в кілограмах на кубічний метр(кг/м 3), а висоту стовпа рідини h- у метрах (м), g= 9,8 Н/кг, тоді тиск буде виражено у паскалях (Па).

приклад. Визначте тиск нафти на дно цистерни, якщо висота стовпа нафти 10 м, а густина її 800 кг/м 3 .

Запишемо умову завдання та запишемо її.

Дано :

ρ = 800 кг/м 3

Рішення :

p = 9.8 Н/кг · 800 кг/м 3 · 10 м ≈ 80 000 Па ≈ 80 кПа.

Відповідь : p ≈ 80 кПа.

Сполучені судини.

Сполучені судини.

На малюнку зображено дві судини, з'єднані між собою гумовою трубкою. Такі судини називаються повідомляються. Лійка, чайник, кавник – приклади сполучених судин. З досвіду ми знаємо, що вода, налита, наприклад, у лійку, завжди стоїть на одному рівні в носику і всередині.

З сполученими судинами можна зробити такий простий досвід. На початку досвіду гумову трубку затискаємо всередині, і в одну з трубок наливаємо воду. Потім затиск відкриваємо, і вода вмить перетікає в іншу трубку, поки поверхні води в обох трубках не встановляться на одному рівні. Можна закріпити одну з трубок у штативі, а іншу піднімати, опускати або нахиляти різні сторони. І в цьому випадку, коли рідина заспокоїться, її рівні в обох трубках зрівняються.

У сполучених судинах будь-якої форми та перерізу поверхні однорідної рідини встановлюються на одному рівні(За умови, що тиск повітря над рідиною однаковий) (рис. 109).

Це можна обґрунтувати в такий спосіб. Рідина спочиває, не переміщаючись із однієї судини до іншої. Значить, тиски в обох судинах на будь-якому рівні однакові. Рідина в обох судинах одна й та сама, тобто має однакову щільність. Отже, мають бути однакові та її висоти. Коли ми піднімаємо одну посудину або доливаємо в неї рідину, тиск у ній збільшується і рідина переміщається в іншу посудину доти, доки тиску не врівноважуються.

Якщо в один із сполучених судин налити рідину однієї густини, а в другій - іншої густини, то при рівновазі рівні цих рідин не будуть однаковими. І це зрозуміло. Адже ми знаємо, що тиск рідини на дно судини прямо пропорційно висоті стовпа і щільності рідини. А в цьому випадку густини рідин будуть різні.

При рівності тисків висота стовпа рідини з більшою щільністю буде менше висотистовпа рідини із меншою щільністю (рис.).

Досвід. Як визначити масу повітря.

Вага повітря. Атмосферний тиск.

Існування атмосферного тиску.

Атмосферний тиск більший, ніж тиск розрідженого повітря в посудині.

На повітря, як і на всяке тіло, що знаходиться на Землі, діє сила тяжіння, і, отже, повітря має вагу. Вагу повітря легко вирахувати, знаючи його масу.

На досвіді покажемо, як визначити масу повітря. Для цього потрібно взяти міцну скляну кулю з пробкою та гумовою трубкою із затискачем. Викачаємо з нього насосом повітря, затиснемо трубку затискачем і врівноважимо на терезах. Потім, відкривши затискач на гумовій трубці, впустимо повітря. Рівнавага терезів при цьому порушиться. Для його відновлення на іншу чашку ваг доведеться покласти гирі, маса яких дорівнюватиме масі повітря в обсязі кулі.

Досвідами встановлено, що при температурі 0 ° С та нормальному атмосферному тиску маса повітря об'ємом 1 м 3 дорівнює 1,29 кг. Вага цього повітря легко обчислити:

P = gm, P = 9,8 Н/кг · 1,29 кг ≈ 13 Н.

Повітряна оболонка, навколишня Землю, називається атмосфера (Від грец. атмос- пара, повітря, та сфера- Куля).

Атмосфера, як показали спостереження за польотом штучних супутниківЗемлі простягається на висоту кількох тисяч кілометрів.

Внаслідок дії сили тяжіння верхні шари атмосфери, подібно до води океану, стискають нижні шари. Повітряний шар, що прилягає безпосередньо до Землі, стиснутий найбільше і, згідно із законом Паскаля, передає тиск, що виробляється на нього, по всіх напрямках.

В результаті цього земна поверхняі тіла, що знаходяться на ній, зазнають тиску всієї товщі повітря, або, як зазвичай говориться в таких випадках, відчувають атмосферний тиск .

Існуванням атмосферного тиску можна пояснити багато явища, з якими ми зустрічаємося у житті. Розглянемо деякі з них.

На малюнку зображена скляна трубка, всередині якої знаходиться поршень, що щільно прилягає до стінок трубки. Кінець трубки опущено воду. Якщо піднімати поршень, то за ним підніматиметься і вода.

Це явище використовується у водяних насосах та деяких інших пристроях.

На малюнку показано циліндричну посудину. Він закритий пробкою, в яку вставлено трубку з краном. З посудини насосом відкачується повітря. Потім кінець трубки міститься у воду. Якщо тепер відкрити кран, то вода фонтаном бризне усередину судини. Вода надходить у посудину тому, що атмосферний тиск більший за тиск розрідженого повітря в посудині.

Чому існує повітряна оболонкаЗемлі.

Як і всі тіла, молекули газів, що входять до складу повітряної оболонки Землі, притягуються до Землі.

Але чому тоді всі вони не впадуть на поверхню Землі? Як зберігається повітряна оболонка Землі, її атмосфера? Щоб зрозуміти це, треба врахувати, що молекули газів перебувають у безперервному та безладному русі. Але тоді виникає інше питання: чому ці молекули не відлітають у світовий простір, тобто у космос.

Для того, щоб зовсім покинути Землю, молекула, як і космічний корабельабо ракета, повинна мати дуже велику швидкість(Не менше 11,2 км/с). Це так звана друга космічна швидкість. Швидкість більшості молекул повітряної оболонки Землі значно менша від цієї космічної швидкості. Тому більшість їх прив'язана до Землі силою тяжіння, лише мізерно мала молекула відлітає за межі Землі в космос.

Безладний рух молекул і дія на них сили тяжіння призводять в результаті до того, що молекули газів "парять" у просторі біля Землі, утворюючи повітряну оболонку, або відому нам атмосферу.

Вимірювання показують, що густина повітря швидко зменшується з висотою. Так, на висоті 5,5 км над Землею щільність повітря в 2 рази менша за його щільність біля Землі, на висоті 11 км - у 4 рази менша, і т. д. Чим вище, тим повітря розріджене. І нарешті, у самих верхніх шарах(сотні та тисячі кілометрів над Землею) атмосфера поступово переходить у безповітряний простір. Чіткої межі повітряна оболонка Землі немає.

Строго кажучи, внаслідок дії сили тяжіння щільність газу в будь-якій закритій посудині неоднакова по всьому об'єму судини. Внизу судини щільність газу більша, ніж у верхніх його частинах, тому й тиск у посудині неоднаковий. На дні судини вона більша, ніж угорі. Однак для газу, що міститься в посудині, ця відмінність у щільності і тиску настільки мало, що його можна в багатьох випадках зовсім не враховувати, просто знати про це. Але для атмосфери, що тягнеться на кілька тисяч кілометрів, відмінність це суттєво.

Вимірювання атмосферного тиску. Досвід Торрічеллі.

Розрахувати атмосферний тиск за формулою для обчислення тиску стовпа рідини (§ 38) не можна. Для такого розрахунку треба знати висоту атмосфери та щільність повітря. Але певної межі атмосфера не має, а щільність повітря на різній висотірізна. Однак виміряти атмосферний тиск можна за допомогою досвіду, запропонованого в 17 столітті італійським ученим Еванджеліста Торрічеллі , учнем Галілея.

Досвід Торрічеллі полягає в наступному: скляну трубку довжиною близько 1 м, запаяну з одного кінця, наповнюють ртуттю. Потім, щільно закривши другий кінець трубки, перевертають її і опускають в чашку з ртуттю, де під рівнем ртуті відкривають цей кінець трубки. Як і в будь-якому досвіді з рідиною, частина ртуті при цьому виливається в чашку, частина її залишається в трубці. Висота стовпа ртуті, що залишилася в трубці, дорівнює приблизно 760 мм. Над ртуттю всередині трубки повітря немає, там безповітряний простір, тому ніякий газ не чинить тиску зверху на стовп ртуті всередині цієї трубки і не впливає на вимірювання.

Торрічеллі, який запропонував описаний вище досвід, дав його пояснення. Атмосфера тисне на поверхню ртуті у чашці. Ртуть перебуває у рівновазі. Отже, тиск у трубці на рівні аа 1 (див. рис) дорівнює атмосферному тиску. При зміні атмосферного тиску змінюється висота стовпа ртуті в трубці. У разі збільшення тиску стовпчик подовжується. При зменшенні тиску стовп ртуті зменшує свою висоту.

Тиск у трубці на рівні аа1 створюється вагою стовпа ртуті у трубці, тому що у верхній частині трубки над ртуттю повітря немає. Звідси слідує що атмосферний тиск дорівнює тиску стовпа ртуті в трубці , тобто.

pатм = pртуті.

Чим більший атмосферний тиск, тим вищий стовп ртуті у досвіді Торрічеллі. Тому на практиці атмосферний тиск можна виміряти заввишки ртутного стовпа (у міліметрах чи сантиметрах). Якщо, наприклад, атмосферний тиск дорівнює 780 мм рт. ст. (Кажуть "міліметрів ртутного стовпа"), то це означає, що повітря робить такий же тиск, який робить вертикальний стовп ртуті заввишки 780 мм.

Отже, у цьому випадку за одиницю виміру атмосферного тиску приймається 1 мм ртутного стовпа (1 мм рт. ст.). Знайдемо співвідношення між цією одиницею та відомою нам одиницею - паскалем(Па).

Тиск стовпа ртуті ртуті заввишки 1 мм дорівнює:

p = g·ρ·h, p= 9,8 Н/кг · 13600 кг/м 3 · 0,001 м ≈ 133,3 Па.

Отже, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.

В даний час атмосферний тиск прийнято вимірювати в гектопаскалі (1 гПа = 100 Па). Наприклад, у зведеннях погоди може бути оголошено, що тиск дорівнює 1013 гПа, це те саме, що 760 мм рт. ст.

Спостерігаючи щодня за висотою ртутного стовпа в трубці, Торрічеллі виявив, що ця висота змінюється, тобто атмосферний тиск непостійний, він може збільшуватися та зменшуватися. Торрічеллі зауважив також, що атмосферний тиск пов'язаний із зміною погоди.

Якщо до трубки з ртуттю, що використовується в досвіді Торрічеллі, прикріпити вертикальну шкалу, то вийде найпростіший прилад - ртутний барометр (Від грец. барос- тяжкість, метрео- Вимірюю). Він служить вимірювання атмосферного тиску.

Барометр – анероїд.

У практиці вимірювання атмосферного тиску використовують металевий барометр, званий анероїдом (у перекладі з грецької - безрідкий). Так барометр називають тому, що в ньому немає ртуті.

Зовнішній вигляд анероїду зображено малюнку. Головна частинайого - металева коробочка 1 з хвилястою (гофрованою) поверхнею (див. рис.). З цієї коробочки викачано повітря, а щоб атмосферний тиск не роздавило коробочку, її кришка 2 пружиною відтягується вгору. При збільшенні атмосферного тиску кришка прогинається вниз та натягує пружину. При зменшенні тиску пружина випрямляє кришку. До пружини за допомогою передавального механізму 3 прикріплена стрілка-покажчик 4, яка просувається праворуч або ліворуч при зміні тиску. Під стрілкою укріплено шкалу, розподілу якої нанесено за показаннями ртутного барометра. Так, число 750, проти якого стоїть стрілка анероїда (див. рис.), показує, що в Наразіу ртутному барометрі висота ртутного стовпа 750 мм.

Отже, атмосферний тиск дорівнює 750 мм рт. ст. або ≈ 1000 гПа.

Значення атмосферного тиску дуже важливе для передбачення погоди найближчими днями, оскільки зміна атмосферного тиску пов'язані з зміною погоди. Барометр – необхідний прилад для метеорологічних спостережень.

Атмосферний тиск різних висотах.

У рідині тиск, як відомо, залежить від щільності рідини і висоти її стовпа. Внаслідок малої стисливості густина рідини на різних глибинах майже однакова. Тому, обчислюючи тиск, ми вважаємо її щільність постійною та враховуємо лише зміну висоти.

Складніша справа з газами. Гази сильно стисливі. А чим сильніше газ стиснутий, тим більша його щільність, і тим більший тиск він чинить. Адже тиск газу створюється ударами його молекул об поверхню тіла.

Шари повітря біля поверхні Землі стиснуті всіма вищерозташованими шарами повітря, що знаходяться над ними. Але чим вище від поверхні шар повітря, тим слабше він стиснутий, тим менша його щільність. Отже, тим менший тиск він чинить. Якщо, наприклад, повітряна куляпіднімається над поверхнею Землі, то тиск повітря на кулю стає меншим. Це відбувається не тільки тому, що висота стовпа повітря над ним зменшується, а ще й тому, що зменшується щільність повітря. Вгорі вона менша, ніж унизу. Тому залежність тиску повітря від висоти складніша, ніж рідини.

Спостереження показують, що атмосферний тиск у місцевостях, що лежать на рівні моря, в середньому дорівнює 760 мм рт. ст.

Атмосферний тиск, рівне тискустовпа ртуті заввишки 760 мм при температурі 0 ° С називається нормальним атмосферним тиском.

Нормальний атмосферний тискдорівнює 101300 Па = 1013 гПа.

Чим більша висота над рівнем моря, тим тиск менший.

При невеликих підйомах в середньому на кожні 12 м підйому тиск зменшується на 1 мм рт. ст. (або 1,33 гПа).

Знаючи залежність тиску від висоти, можна змінити показань барометра визначити висоту над рівнем моря. Анероїди, що мають шкалу, за якою безпосередньо можна виміряти висоту над рівнем моря, називаються висотомірами . Їх застосовують в авіації та підйомі на гори.

манометри.

Ми знаємо, що з вимірювання атмосферного тиску застосовують барометри. Для вимірювання тиску, більшого або меншого атмосферного, використовується манометри (Від грец. манос- рідкісний, нещільний, метрео- Вимірюю). Манометри бувають рідинніі металеві.

Розглянемо спочатку пристрій та дію відкритого рідинного манометра. Він складається з двоколінної скляної трубки, в яку наливається якась рідина. Рідина встановлюється в обох колінах на одному рівні, тому що на її поверхню в колінах судини діє лише атмосферний тиск.

Щоб зрозуміти, як працює такий манометр, його можна з'єднати гумовою трубкою з плоскою круглою коробкою, одна сторона якої затягнута гумовою плівкою. Якщо натиснути пальцем на плівку, рівень рідини в коліні манометра, з'єднаному в коробкою, знизиться, а в іншому коліні підвищиться. Чим це пояснюється?

При натисканні на плівку підвищується тиск повітря в коробці. За законом Паскаля це збільшення тиску передається і рідини у тому коліні манометра, яке приєднано до коробки. Тому тиск на рідину в цьому коліні буде більшим, ніж в іншому, де на рідину діє тільки атмосферний тиск. Під впливом сили цього надлишкового тиску рідина почне переміщатися. У коліні зі стисненим повітрям рідина опуститься, в іншому - підніметься. Рідина прийде в рівновагу (зупиниться), коли надлишковий тиск стисненого повітря врівноважиться тиском, що виробляє надлишковий стовп рідини в іншому коліні манометра.

Чим сильніше тиснути на плівку, тим вищий надлишковий стовп рідини, тим більший тиск. Отже, про зміну тиску можна судити по висоті цього надлишкового стовпа.

На малюнку показано, як таким манометром можна вимірювати тиск усередині рідини. Чим глибше занурюється в рідину трубочка, тим більше стає різниця висот стовпів рідини в колінах манометра, тим, отже, і більший тиск виробляє рідину.

Якщо встановити коробочку приладу на якійсь глибині всередині рідини і повертати її плівкою вгору, вбік і вниз, показання манометра при цьому не змінюватимуться. Так і має бути, адже на тому самому рівні всередині рідини тиск однаково по всіх напрямках.

На малюнку зображено металевий манометр . Основна частина такого манометра - зігнута у трубу металева трубка 1 один кінець якої закритий. Інший кінець трубки за допомогою крана 4 повідомляється з судиною, у якій вимірюють тиск. При збільшенні тиску трубка розгинається. Рух її закритого кінця за допомогою важеля 5 та зубчатки 3 передається стрілці 2 , що рухається біля шкали приладу. При зменшенні тиску трубка завдяки своїй пружності повертається в колишнє положення, а стрілка - до нульового поділу шкали.

Поршневий рідинний насос.

У досвіді, розглянутому нами раніше (§ 40), було встановлено, що вода в скляній трубці під впливом атмосферного тиску піднімалася за поршнем. На цьому ґрунтується дія поршневихнасосів.

Насос схематично зображено малюнку. Він складається з циліндра, всередині якого ходить вгору і вниз, щільно прилягаючи до стінок судини, поршень. 1 . У нижній частині циліндра та в самому поршні встановлені клапани 2 відкривається тільки вгору. Під час руху поршня вгору вода під впливом атмосферного тиску входить у трубу, піднімає нижній клапан і рухається за поршнем.

При русі поршня вниз вода, що знаходиться під поршнем, тисне на нижній клапан, і він закривається. Одночасно під тиском води відкривається клапан усередині поршня, і вода перетворюється на простір над поршнем. При наступному русі поршня вгору в місці з ним піднімається і вода, що знаходиться над ним, яка і виливається в трубу, що відводить. Одночасно за поршнем піднімається і нова порція води, яка при подальшому опусканні поршня виявиться над ним, і вся ця процедура повторюється знову і знову, поки насос працює.

Гідравлічний прес.

Закон Паскаля дозволяє пояснити дію гідравлічної машини (Від грец. гідравлікос- Водяний). Це машини, дія яких ґрунтується на законах руху та рівноваги рідин.

Основною частиною гідравлічної машини є два циліндри різного діаметру, забезпечені поршнями і сполучною трубкою. Простір під поршнями та трубку заповнюють рідиною (зазвичай мінеральною олією). Висоти стовпів рідини в обох циліндрах однакові, доки на поршні не діють сили.

Припустимо тепер, що сили F 1 і F 2 - сили, що діють на поршні, S 1 і S 2 - площі поршнів. Тиск під першим (малим) поршнем дорівнює p 1 = F 1 / S 1 , а під другим (великим) p 2 = F 2 / S 2 . За законом Паскаля тиск рідиною, що покоїться, на всі боки передається однаково, тобто. p 1 = p 2 або F 1 / S 1 = F 2 / S 2 , звідки:

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

Отже, сила F 2 у стільки разів більше сили F 1 , у скільки разів площа великого поршня більша за площу малого поршня. Наприклад, якщо площа великого поршня 500 см 2 , а малого 5 см 2 і на малий поршень діє сила 100 Н, то на більший поршень буде діяти сила, в 100 разів більша, тобто 10 000 Н.

Таким чином, за допомогою гідравлічної машини можна малою силою врівноважити більшу силу.

Ставлення F 1 / F 2 показує виграш у силі. Наприклад, у наведеному прикладі виграш у силі дорівнює 10 000 Н/100 Н = 100.

Гідравлічна машина, що служить для пресування (здавлювання), називається гідравлічним пресом .

Гідравлічні преси застосовуються там, де потрібна велика сила. Наприклад, для вичавлювання олії з насіння на олійних заводах, для пресування фанери, картону, сіна. На металургійних заводах гідравлічні преси використовують для виготовлення сталевих валів машин, залізничних коліс та багатьох інших виробів. Сучасні гідравлічні преси можуть розвивати силу в десятки та сотні мільйонів ньютонів.

Пристрій гідравлічного преса схематично показано малюнку. Тіло 1 (A), що пресується, кладуть на платформу, з'єднану з великим поршнем 2 (B). За допомогою малого поршня 3(D) створюється великий тиск на рідину. Цей тиск передається у кожну точку рідини, що заповнює циліндри. Тому такий самий тиск діє і на другий, великий поршень. Але так як площа 2-го (великого) поршня більша за площу малого, то і сила, що діє на нього, буде більше сили, що діє на поршень 3 (D). Під дією цієї сили поршень 2 (B) підніматиметься. При підйомі поршня 2 (B) тіло (A) упирається у нерухому верхню платформу та стискається. З допомогою манометра 4 (M) вимірюється тиск рідини. Запобіжний клапан 5 (P) автоматично відкривається, коли тиск рідини перевищує допустиме значення.

З малого циліндра великий рідина перекачується повторними рухами малого поршня 3 (D). Це здійснюється в такий спосіб. При підйомі малого поршня (D) клапан 6 (K) відкривається і в простір, що знаходиться під поршнем, засмоктується рідина. При опусканні малого поршня під впливом тиску рідини клапан 6 (K) закривається, а клапан 7 (K") відкривається, і рідина переходить у велику посудину.

Дія води та газу на занурене в них тіло.

Під водою ми легко можемо підняти камінь, який важко піднімається в повітрі. Якщо занурити пробку під воду і випустити її з рук, вона спливе. Як можна пояснити ці явища?

Ми знаємо (§ 38), що рідина тисне на дно та стінки судини. І якщо всередину рідини помістити якесь тверде тіло, то воно також зазнаватиме тиску, як і стінки судини.

Розглянемо сили, які діють із боку рідини на занурене у неї тіло. Щоб легше було міркувати, виберемо тіло, яке має форму паралелепіпеда з основами, паралельними поверхні рідини (рис.). Сили, що діють на бічні гранітіла, попарно рівні та врівноважують один одного. Під впливом цих сил тіло стискається. А ось сили, що діють на верхню та нижню грані тіла, неоднакові. На верхню грань тисне зверху силою F 1 стовп рідини заввишки h 1 . На рівні нижньої грані тиск робить стовп рідини заввишки h 2 . Цей тиск, як ми знаємо (§ 37), передається всередині рідини на всі боки. Отже, на нижню граньтіла знизу вгору із силою F 2 тисне стовп рідини заввишки h 2 . Але h 2 більше h 1 , отже, і модуль сили F 2 більше модуля сили F 1 . Тому тіло виштовхується з рідини із силою Fвит, рівної різницісил F 2 - F 1, тобто.

Але S·h = V, де V - об'єм паралелепіпеда, а ρ ж · V = m ж - маса рідини в обсязі паралелепіпеда. Отже, F вит = g · m ж = P ж, тобто. виштовхувальна сила дорівнює вазі рідини в обсязі зануреного в неї тіла(Виштовхувальна сила дорівнює вазі рідини такого ж об'єму, як і об'єм зануреного в неї тіла). Існування сили, що виштовхує тіло з рідини, легко виявити на досвіді. На малюнку азображено тіло, підвішене до пружини зі стрілкою-вказівником на кінці. Стрілка відзначає на штативі розтяг пружини. При відпусканні тіла у воду пружина скорочується (мал. б). Таке ж скорочення пружини вийде, якщо діяти на тіло знизу вгору з деякою силою, наприклад, натиснути рукою (підняти). Отже, досвід підтверджує, що на тіло, що знаходиться в рідині, діє сила, яка виштовхує це тіло з рідини. До газів, як ми знаємо, також застосуємо закон Паскаля. Тому на тіла, що перебувають у газі, діє сила, що виштовхує їх із газу. Під дією цієї сили повітряні кулі піднімаються нагору. Існування сили, що виштовхує тіло з газу, також можна спостерігати на досвіді. До укороченої чашки терезів підвісимо скляну кулю або велику колбу, закриту пробкою. Терези врівноважуються. Потім під колбу (або кулю) ставлять широку посудину так, щоб вона оточувала всю колбу. Посудина наповнюється вуглекислим газом, щільність якого більше щільностіповітря (тому вуглекислий газопускається вниз і заповнює посудину, витісняючи повітря). При цьому рівновага ваги порушується. Чашка з підвішеною колбою піднімається нагору (рис.). На колбу, занурену у вуглекислий газ, діє більша сила виштовхування, порівняно з тією, яка діє на неї в повітрі. Сила, що виштовхує тіло з рідини або газу, спрямована протилежно силі тяжіння, прикладеної до цього тіла. Тому пролкосмосі). Саме цим пояснюється, що у воді ми іноді легко піднімаємо тіла, які важко утримуємо в повітрі. До пружини підвішується невелике цебро і тіло циліндричної форми (рис., а). Стрілка на штативі відзначає розтяг пружини. Вона показує вагу тіла у повітрі. Піднявши тіло, під нього підставляється відливна судина, наповнена рідиною до рівня відливної трубки. Після чого тіло занурюється повністю в рідину (рис. б). При цьому частина рідини, об'єм якої дорівнює об'єму тіла, виливаєтьсяз відливної судини у склянку. Пружина скорочується, і покажчик пружини піднімається нагору, показуючи зменшення ваги тіла рідини. У даному випадкуна тіло, крім сили тяжіння, діє ще одна сила, що виштовхує його з рідини. Якщо у верхнє відерце вилити рідину зі склянки (тобто ту, яку витіснило тіло), то покажчик пружини повернеться до свого початкового положення (рис., в). На підставі цього досвіду можна зробити висновок, що сила, що виштовхує повністю занурене в рідину тіло, дорівнює вазі рідини в обсязі цього тіла . Такий самий висновок ми отримали і в § 48. Якщо подібний досвід зробити з тілом, зануреним у якийсь газ, то він показав би, що сила, що виштовхує тіло з газу, також дорівнює вазі газу, взятого в обсязі тіла . Сила, що виштовхує тіло з рідини чи газу, називається архімедовою силою на честь вченого Архімеда , який вперше вказав на її існування та розрахував її значення. Отже, досвід підтвердив, що архімедова (чи виштовхувальна) сила дорівнює вазі рідини обсягом тіла, тобто. FА = Pж = g·mж. Масу рідини m ж, що витісняється тілом, можна виразити через її щільність ρ ж і об'єм тіла V т, зануреного в рідину (оскільки V ж - обсяг витісненої тілом рідини дорівнює V т - об'єму тіла, зануреного в рідину), тобто. m ж = ρ ж · V т. Тоді отримаємо: F A = g·ρж · Vт Отже, архімедова сила залежить від густини рідини, в яку занурене тіло, і від об'єму цього тіла. Але вона не залежить, наприклад, від щільності речовини тіла, що занурюється в рідину, так як ця величина не входить до отриманої формули. Визначимо тепер вагу тіла, зануреного в рідину (або газ). Оскільки дві сили, що діють на тіло в цьому випадку, спрямовані в протилежні сторони(сила тяжіння вниз, а архімедова сила вгору), то вага тіла в рідині P 1 буде менше ваги тіла у вакуумі P = g·mна архімедову силу FА = g·mж (де mж - маса рідини чи газу, витісненої тілом). Таким чином, якщо тіло занурене у рідину чи газ, воно втрачає у своїй вазі стільки, скільки важить витіснена ним рідина чи газ. приклад. Визначити силу, що виштовхує, що діє на камінь об'ємом 1,6 м 3 в морській воді. Запишемо умову задачі та вирішимо її. Коли тіло, що спливає, досягне поверхні рідини, то при подальшому його русі вгору архімедова сила буде зменшуватися. Чому? А тому, що зменшуватиметься об'єм частини тіла, зануреної в рідину, а архімедова сила дорівнює вазі рідини в обсязі зануреної в неї частини тіла. Коли архімедова сила стане рівною силі тяжіння, тіло зупиниться і плаватиме на поверхні рідини, частково поринувши в неї. Отриманий висновок легко перевірити на досвіді. У відливну посудину наллємо воду до рівня відливної трубки. Після цього зануримо в посудину плаваюче тіло, попередньо зваживши його в повітрі. Опустившись у воду, тіло витісняє об'єм води, що дорівнює об'єму зануреної в неї частини тіла. Зваживши цю воду, знаходимо, що її вага (архімедова сила) дорівнює силі тяжкості, що діє на тіло, що плаває, або вазі цього тіла в повітрі. Проробивши такі ж досліди з будь-якими іншими тілами, що плавають у різних рідинах - у воді, спирті, розчині солі, можна переконатися, що якщо тіло плаває в рідині, то вага витісненої ним рідини дорівнює вазі цього тіла в повітрі.. Легко довести, що якщо щільність суцільного твердого тіла більша за щільність рідини, то тіло в такій рідині тоне. Тіло з меншою щільністю спливає у цій рідині. Шматок заліза, наприклад, тоне у воді, але спливає у ртуті. Тіло ж, щільність якого дорівнює густині рідини, залишається в рівновазі всередині рідини. Плаває на поверхні води лід, тому що його щільність менша за щільність води. Чим менша щільність тіла в порівнянні зі щільністю рідини, тим менша частина тіла занурена в рідину . При рівних щільностяхтіла та рідини тіло плаває всередині рідини на будь-якій глибині. Дві рідини, що не змішуються, наприклад вода і гас, розташовуються в посудині відповідно до своїх щільностей: у нижній частині судини - більш щільна вода (ρ = 1000 кг/м 3 ), зверху - легший гас (ρ = 800 кг/м 3 ) . Середня щільність живих організмів, що населяють водне середовище, мало відрізняється від щільності води, тому їхня вага майже повністю врівноважується архімедовою силою. Завдяки цьому водні тварини не потребують таких міцних і масивних скелетів, як наземні. З цієї причини еластичні стовбури водних рослин. Плавальний міхур риби легко змінює свій об'єм. Коли риба за допомогою м'язів опускається на велику глибинуі тиск води на неї збільшується, міхур стискається, об'єм тіла риби зменшується, і вона не виштовхується вгору, а плаває в глибині. Таким чином, риба може у певних межах регулювати глибину свого занурення. Кити регулюють глибину свого занурення за рахунок зменшення та збільшення обсягу легень. Плавання судів. Судна, що плавають річками, озерами, морями і океанами, побудовані з різних матеріалівз різною щільністю. Корпус суден зазвичай виготовляється зі сталевих листів. Всі внутрішні кріплення, що надають міцність судам, також виготовляють з металів. Для будівництва суден використовують різні матеріали, що мають у порівнянні з водою як більші, так і менші щільності. Завдяки чому судна тримаються на воді, приймають на борт та перевозять великі вантажі? Досвід із плаваючим тілом (§ 50) показав, що тіло витісняє своєю підводною частиною стільки води, що за вагою ця вода дорівнює вазі тіла в повітрі. Це також є справедливим і для будь-якого судна. Вага води, що витісняється підводною частиною судна, дорівнює вазі судна з вантажем у повітрі або силі тяжіння, що діє на судно з вантажем. Глибина, на яку судно поринає у воду, називається опадом . Найбільша допустима осадка відмічена на корпусі судна червоною лінією, яка називається ватерлінією (Від голланд. ватер- Вода). Вага води, що витісняється судном при зануренні до ватерлінії, рівний силітяжкості, що діє на судно з вантажем, називається водотоннажністю судна. В даний час для перевезення нафти будуються судна водотоннажністю 5000000 кН (5 · 10 6 кН) і більше, тобто мають разом з вантажем масу 500 000 т (5 · 10 5 т) і більше. Якщо з водотоннажності відняти вагу самого судна, то ми отримаємо вантажопідйомність цього судна. Вантажопідйомність показує вагу вантажу, що перевозиться судном. Суднобудування існувало ще в Стародавньому Єгипті, у Фінікії (вважається, що Фінікійці були одними з найкращих суднобудівників), Стародавньому Китаї. У Росії її суднобудування зародилося межі 17-18 ст. Споруджувалися головним чином військові кораблі, але саме в Росії були побудовані перший криголам, судна з двигуном внутрішнього згоряння, атомний криголам "Арктика". Повітроплавання. Малюнок з описом кулі братів Монгольф'є 1783: «Вид і точні розміри„Аеростата Земну кулю“який був першим”. 1786 З давніх-давен люди мріяли про можливість літати над хмарами, плавати в повітряному океані, як вони плавали морем. Для повітроплавання спочатку використовували повітряні кулі, які наповнювали або нагрітим повітрям, або воднем або гелієм. Для того, щоб повітряна куля піднялася в повітря, необхідно, щоб архімедова сила (виштовхує) FА, що діє на кулю, була більша сили тяжіння Fтяж, тобто. FА > Fтяж. У міру підняття кулі вгору архімедова сила, що діє на неї, зменшується ( FА = gρV), оскільки щільність верхніх шаріватмосфери менше, ніж біля Землі. Щоб піднятися вище, з кулі скидається спеціальний баласт (вантаж) і цим полегшує кулю. Зрештою куля досягає своєї граничної висоти підйому. Для спуску кулі з її оболонки за допомогою спеціального клапана випускається частина газу. У горизонтальному напрямку повітряна куля переміщається тільки під дією вітру, тому вона називається аеростатом (від грец аер- Повітря, стато- вартий). Для вивчення верхніх шарів атмосфери, стратосфери ще недавно застосовувалися великі повітряні кулі. стратостати . До того як навчилися будувати великі літаки для перевезення повітрям пасажирів і вантажів, застосовувалися керовані аеростати. дирижаблі. Вони мають подовжену форму, під корпусом підвішується гондола з двигуном, який рухає пропелер. Повітряна куля не тільки сама піднімається нагору, але може підняти і деякий вантаж: кабіну, людей, прилади. Тому для того, щоб дізнатися, який вантаж може підняти повітряну кулю, необхідно визначити її підйомну силу. Нехай, наприклад, у повітря запущена куля об'ємом 40 м 3 наповнений гелієм. Маса гелію, що заповнює оболонку кулі, дорівнюватиме: m Ге = ρ Ге · V = 0,1890 кг/м 3 · 40 м 3 = 7,2 кг, а його вага дорівнює: P Ге = g · m Ге; P Ге = 9,8 Н/кг · 7,2 кг = 71 Н. Виштовхувальна сила (архімедова), що діє на цю кулю в повітрі, дорівнює вазі повітря об'ємом 40 м 3 , тобто. F А = g ρ пов V; F А = 9,8 Н/кг · 1,3 кг/м 3 · 40 м 3 = 520 Н. Значить, ця куля може підняти вантаж вагою 520 Н - 71 Н = 449 Н. Це і є його підйомна сила. Куля такого ж об'єму, але наповнена воднем, може підняти вантаж 479 Н. Отже, підйомна сила його більша, ніж кулі, наповненої гелієм. Але все ж таки частіше використовують гелій, тому що він не горить і тому безпечніше. Водень же горючий газ. Набагато простіше здійснити підйом та спуск кулі, наповненої гарячим повітрям. Для цього під отвором, що знаходиться в нижній частині кулі, розташовується пальник. За допомогою газового пальника можна регулювати температуру повітря всередині кулі, а значить, його щільність і силу, що виштовхує. Щоб шар піднявся вище, досить сильніше нагріти повітря в ньому, збільшивши полум'я пальника. При зменшенні полум'я пальника температура повітря в кулі зменшується і куля опускається вниз. Можна підібрати таку температуру кулі, при якій вага кулі і кабіни дорівнюватиме виштовхувальній силі. Тоді куля повисне в повітрі, і з неї буде легко проводити спостереження. У міру розвитку науки відбувалися і суттєві зміни у повітроплавній техніці. З'явилася можливість використання нових оболонок для аеростатів, які стали міцними, морозостійкими та легкими. Досягнення у галузі радіотехніки, електроніки, автоматики дозволили сконструювати безпілотні аеростати. Ці аеростати використовуються для вивчення повітряних течій, для географічних та медико-біологічних досліджень у нижніх шарах атмосфери. На рідини, як і всі тіла Землі, діє сила тяжкості. Тому рідина, налита в посудину, своєю вагою створює тиск, який за законом Паскаля передається в усіх напрямках. Отже, всередині рідини існує тиск. У цьому можна переконатись на досвіді. У скляну трубку, нижній отвір якої закритий тонкою гумовою плівкою, наллємо воду. Під дією ваги рідини гумове дно трубки прогнеться (рис. 93 а). Досвід показує, що чим вищий стовп води над гумовою плівкою, тим більше вона прогинається (рис. 93, б). Але щоразу після того, як гумове дно прогнулося, вода в трубці приходить у рівновагу ( зупиняється), оскільки, крім сили тяжіння, на воду діє сила пружності гумової плівки. Опустимо трубку з гумовим дном, в яку налита вода, в іншу, ширшу посудину з водою (рис. 93, в). Ми побачимо, що при опусканні трубки вниз гумова плівка поступово випрямляється. Повне випрямлення плівки показує, що сили, що діють її зверху і знизу, однакові.Настає повне випрямлення плівки тоді, коли рівні води в трубці та посудині збігаються. Такий же досвід можна провести з трубкою, в якій гумова плівка закриває бічний отвір, як показано на малюнку 94, а. Якщо цю трубку з водою занурити в іншу посудину з водою, як це зображено на малюнку 94, б, ми знову зауважимо, що плівка випрямиться, як тільки рівні води в трубці і в посудині зрівняються. Це означає, що сили, що діють на гумову плівку, однакові з обох боків. Дуже наочний досвід із судиною, дно якої може відпадати. Таку посудину опускають у банку з водою (рис. 95, а). Дно при цьому щільно притискається до краю судини силою тиску води знизу нагору. Потім у посудину обережно наливають воду.Дно відривається від судини, коли рівень води у посудині збігається з рівнем води у банку (рис. 95,6). У момент відриву на дно тисне зверху вниз стовп рідини в посудині, а знизу вгору на дно передається тиск такого ж стовпа рідини, але в банку. Обидва ці тиски однакові, дно ж відходить від циліндра внаслідок дії на нього сили тяжіння. Вище були описані досліди з водою, але неважко зробити висновок, щось же вийшло б, якщо замість води брали якусь іншу рідину. Отже, досліди показують, що всередині рідини існує тиск і на тому самому рівні воно однаково по всіх напрямках. З глибиною тиск зростає. Гази щодо цього не відрізняються від рідин, адже вони теж мають вагу. Але треба, пам'ятати, що щільність газу в сотні разів менша за щільність рідини. Вага газу, що знаходиться в посудині, мала, і його «ваговий» тиск у багатьох випадках можна не враховувати. Запитання. 1. Як на досвіді показати, що тиск усередині рідини на різних рівняхрізне, але в тому самому рівні в усіх напрямках однаково? 2. Чому в багатьох випадках не беруть до уваги тиск у газі, створений вагою цього газу? а) Зчеплення свинцевих циліндрів. Устаткування: комплект із свинцевих циліндрів; штатив; гиря 2 кг. Бажано мати для досвіду два комплекти свинцевих циліндрів: один для показу нерівних та окислених поверхонь, що не дозволяють з'єднуватись циліндрам, та другий для основної частини демонстрації. Зачистити торці циліндрів, для чого вставити його в основу і, притиснувши злегка ніж, зробити кілька оборотів. Після заточування торець циліндра має бути рівним і блискучим. Приставивши торцями обидва циліндри, стиснути їх назустріч один одному і трохи повернути навколо осі, після чого циліндри повинні з'єднатися. Для оцінки величини сил їх взаємного тяжінняпідвішують за гачок на штатив верхній циліндр, а до нижнього без ривків підвішують 2-х кілограмову гирю. Потім прибравши гирю і рознявши циліндри руками, демонструють учням нерівності торців, що виникли у місцях зчеплення. ВИСНОВОК: на малій відстані між молекулами твердого тіла є сили взаємного тяжіння, що виявляються при дуже близькому зіткненні молекул, а на більшій відстаніміж молекулами діють сили відштовхування. б) Зчеплення скла із водою. Обладнання:дві скляні платівки; вода. З'єднати поверхні сухих пластинок, переконатися у відсутності сил тяжіння, крапнути води між склом і спробувати їх роз'єднати. ВИСНОВОК: між молекулами рідини та твердого тіла є сили взаємного тяжіння. Контрольні питання 1. Яке значення досліджуваного матеріалу на формування світогляду учнів? 2. З чого складаються тіла: а) із молекул; б) із частинок; в) із атомів? 3. Запропонувати спосіб узагальнення знань учнів у вигляді таблиці про агрегатні стани речовини та властивості тіл. 4. Чи правда, що при нагріванні всі речовини розширюються? 5. Наведіть приклади дифузії, що використовуються в побуті та техніці. Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 2 Д О В Л Е Н І Є Т В Е Р Д И Х Т Е Л, ЖИД К О С Т І І Г А З О В Досвід №1. Тиск твердого тіла на опору Устаткування: ванна з піском, дошка з вбитими цвяхами, гиря 1 кг. До демонстрації у ванну насипають вологий пісок і добре вирівнюють поверхню. У кути невеликої дошки вбивають цвяхи. Дошку капелюшками цвяхів кладуть на шар піску і зверху на неї ставлять гирю. Цвяхи лише трохи вдавлюються в пісок. Потім дошку перевертають на вістря цвяхів. У цьому випадку площа опори дошки зменшується і під дією тієї ж сили цвяхи значно заглиблюються в пісок. ВИСНОВОК: Результат дії сили залежить від площі тіл, що стикаються. Завдання: Знаючи свою масу і площу черевика, визначте, який тиск ви робите при ходьбі і стоячи на місці. Площа опори черевика визначте за допомогою аркуша картатого паперу. ДОСВІД № 2. Роздування гумової кульки під дзвоном повітряного насоса Обладнання:насос Комовського, тарілка вакуумна зі скляним дзвоном, повітряна кулька. Цей досвід є ілюстрацією до пояснення механізму виникнення тиску газу на стінки судини. У повітряній кульцізалишають невелику кількість повітря та щільно зав'язують. Кульку кладуть на тарілку повітряного насоса так, щоб він не закривав отвір трубки тарілки, і накривають скляним дзвоном. З'єднують тарілку з насосом та викачують повітря. У міру відкачування повітря кулька поступово роздмухується і набуває форми кулі. Потім під дзвін повільно впускають повітря, спостерігають протилежне явище, роблять висновок про рівність тиску газу у всіх напрямках. ДОСВІД № 3. Передача тиску газами та рідинами. Устаткування: шар Паскаля, посуд з водою, ванна. Відгвинчують кулю від циліндра і висувають поршень зі штоком до відмови. У циліндр наливають воду і знову пригвинчують кулю. Розташувавши прилад над ванною, повільно всувають поршень. Показують, що струмені з отвору кулі розбризкуються приблизно на однакову відстань. Це свідчить про однакову швидкість витікання води з усіх отворів, тобто про однаковий тиск у всіх місцях кулі. Досвід виходить ефектніше, якщо струмені висвітлити бічним світлом. І тут вони рельєфно виділяються на чорному тлі класної дошки. Зробіть висновок. ДОСВІД № 4. Пристрій та дія гідравлічного преса Про борудування:гідравлічний прес. Навчальний гідравлічний прес широко поширений у школі. Перед демонстрацією вчитель робить на дошці схематичне креслення гідропресу з манометром і запобіжним клапаном. Спочатку зіставляють основні частини преса на приладі із схематичним зображенням на дошці. Називаючи окремі частини приладу та їх призначення, розповідають, як улаштований гідравлічний прес та як взаємодіють його окремі частини між собою. Вчитель показує на схемі і в натурі масляний бак, малий циліндр з рукояткою вигляді важеля, клапани, манометр і великий циліндр. Піднімаючи і опускаючи кілька разів рукоятку і звертаючись до схеми, пояснює шлях олії від бачка до великого циліндра. У приладі передбачено два захисні пристрої, що оберігають прилад від руйнування: манометр з червоною рисою, що показує граничний допустимий тиск у пресі, та запобіжний клапан, який автоматично відкриється, якщо чомусь буде перевищено допустимий тиск. Нагадавши учням, що тиск у циліндрах преса однаково, а сила тиску пропорційна площі поршнів, з'ясовують, як на пресах отримують великий виграш у силі. Завдання: Вимірявши діаметри великого і малого поршнів, довжину плеча рукоятки, розрахувати виграш у силі (тобто у скільки разів сила тиску, що розвивається великим поршнем, більша за силу тиску малого поршня). ДОСВІД № 5. Тиск рідини на дно та стінки судини. Про борудування:поліетиленовий пакет з водою, два динамометри, штативи, манометр відкритий, прилад для демонстрації тиску всередині рідини, акваріум з водою. а) Для демонстрації тиску рідини на стінки посудини поліетиленовий пакет з водою поміщають між столиками динамометрів та показують наявність однакового тиску на стінки пакета. б) Для вивчення залежності тиску стовпа рідини необхідно показати наявність тиску на майданчик, що знаходиться всередині рідини, та довести, що величина цього тиску не залежить від положення майданчика, а змінюється лише від глибини її занурення. Для демонстрації дії приладу з'єднують ніпель капсуля за допомогою гумової трубки з водяним відкритим манометром. Показують, що рідина в обох колінах манометра знаходиться на рівні. Потім, натискаючи трохи на зовнішню поверхню гумової плівки пальцем, звертають увага учнівяк змінюються рівні рідини в манометрі Далі опускають капсуль в акваріум з водою і показують, що тиск на гумову плівку, що спостерігається за манометром, збільшується з глибиною занурення. Після цього встановлюють прилад на певній певній глибині і за допомогою дротяного гака повертають скобу, на якій укріплений капсуль, навколо горизонтальної осі. Звертають увагу учнів те що, що цьому рівні занурення тиск усередині рідини залежить від розташування гумової плівки. ДОСВІД № 6. Гідростатичний парадокс. Про борудування:прилад Паскаля, посуд для зливу води, підфарбовані води. Прилад для даного досвідускладається з основи, на якій укріплена кільцеподібна оправа з різьбленням. Ця оправа, відкрита зверху, затягнута знизу тонкою гумовою плівкою, що спирається на круглу пластинку, з'єднану важелем легкорухливою стрілкою. До приладу додаються три судини різної форми та обсягу, але з однаковою площею основи. Кожна посудина має оправу з різьбленням, за допомогою якої вона встановлюється на приладі. Для демонстрації вкручують в оправу спочатку циліндричний посуд і наливають у нього воду на висоту нижче верхньої кромки на 2-3 см. Рівень води в посудині помічають вказівником, що переміщається на стрижні, а місце на шкалі, де встановлюється стрілка, помічають добре помітним здалеку "гусариком" . Після цього через зливний кран виливають воду і замість циліндричної судини встановлюють інший, наприклад, що розширюється догори, потім третій. У кожному досвіді переконуються в тому, що води доводиться брати значно більше або менше, ніж для циліндричної судини, а тиск залишається однаковим, якщо рівень води піднімається до зазначеного. У цьому полягає "парадокс" Паскаля. ДОСВІД № 7. Рівновага рідини в сполучених судинах. Обладнання:сполучені судини, склянку з водою, екран. а) Спочатку показують досвід із двома сполученими судинами у вигляді скляних трубок, з'єднаних між собою гумовою трубкою, і встановлюють, що однорідна рідина розташовується на одному рівні. Потім переходять до демонстраційного приладу, який є 4-5 скляних трубок різної форми, різного перерізу, з'єднаних між собою горизонтальною трубкою одного перерізу. Щоб показати рівновагу однорідної рідини цих трубках через широку трубку наливають злегка підфарбовану воду. Води беруть стільки, щоб вона піднялася трохи вище за половину висоти вертикальних трубок. За приладом ставлять білий екран і звертають увагу учнів на рівні рідини, які перебувають у всіх трубках на одній горизонтальній прямій. Якщо нахилити пристрій праворуч або ліворуч, рівні рідини в трубках знову залишаться на одній горизонталі. Спочатку наливають у трубку на висоту 100-150 мм підфарбовану воду. Потім в одну з гілок наливають іншу рідину, що не змішується з водою, наприклад, бензин або гас. Рідини встановлюються, як показано на малюнку. Завдання: За допомогою лінійки відзначити межу стовпа рідини та води та переконатися, що відношення цих висот обернено пропорційно щільностям рідин. ДОСВІД № 8. Закон Архімеда. Обладнання:відерце Архімеда, штатив універсальний, відливна посудина, склянка хімічна. Справедливість закону Архімеда демонструють за допомогою приладу, що складається з цебра, циліндра, що з'єднуються між собою, пружинного динамометра з дисковим покажчиком. Розтяг пружини відзначають фіксатором. Перед досвідом показують, що ємність цебра відповідає об'єму циліндра. Збирають установку на малюнку. Звертають увагу положення диска-покажчика, відзначають його положення стрілкою. Опускають циліндр у посудину з водою. При цьому частина води з судини виливається. Привертають увагу учнів до положення стрілки-покажчика. Воду, що виливається, виливають у цебро. Знову звертають увагу на стрілку. Роблять висновок. Останні матеріали розділу: