Давление в жидкости. Закон Паскаля. Зависимость давления в жидкости от глубины

 Давление в жидкости

В чем при­чи­на та­ко­го эф­фек­та? Дело в том, что при сме­ще­нии раз­лич­ных слоев жид­ко­сти от­но­си­тель­но друг друга в ней не воз­ни­ка­ет ни­ка­ких сил, свя­зан­ных с де­фор­ма­ци­ей. Нет сдви­гов и де­фор­ма­ций в жид­ких и га­зо­об­раз­ных сре­дах, в твер­дых же телах при по­пыт­ке сдви­нуть один слой про­тив дру­го­го воз­ни­ка­ют зна­чи­тель­ные силы упру­го­сти. По­это­му го­во­рят, что жид­кость стре­мит­ся за­пол­нить ниж­нюю часть того объ­е­ма, в ко­то­ром она по­ме­ща­ет­ся. Газ же стре­мит­ся за­пол­нить весь объем, в ко­то­рый его по­ме­ща­ют. Но это в дей­стви­тель­но­сти за­блуж­де­ние, так как, если по­смот­реть на нашу Землю со сто­ро­ны, мы уви­дим, что газ (зем­ная ат­мо­сфе­ра) опус­ка­ет­ся вниз и стре­мит­ся за­пол­нить неко­то­рую об­ласть на по­верх­но­сти Земли. Верх­няя гра­ни­ца этой об­ла­сти до­ста­точ­но ров­ная и глад­кая, как и по­верх­ность жид­ко­сти, за­пол­ня­ю­щей моря, оке­а­ны, озера. Все дело в том, что плот­ность газа зна­чи­тель­но мень­ше плот­но­сти жид­ко­сти, по­это­му, если бы газ был очень плот­ным, он точно так же опус­кал­ся бы вниз и мы ви­де­ли верх­нюю гра­ни­цу ат­мо­сфе­ры. В связи с тем, что в жид­ко­сти и газе не воз­ни­ка­ет сдви­гов и де­фор­ма­ций – все силы вза­и­мо­дей­ству­ют между раз­лич­ны­ми об­ла­стя­ми жид­кой и га­зо­об­раз­ной среды, это силы, на­прав­лен­ные по нор­маль­ной по­верх­но­сти, раз­де­ля­ю­щей эти части. Такие силы, на­прав­лен­ные все­гда по нор­маль­ной по­верх­но­сти, на­зы­ва­ют­ся си­ла­ми дав­ле­ния. Если мы раз­де­лим ве­ли­чи­ну силы дав­ле­ния на неко­то­рую по­верх­ность на пло­щадь этой по­верх­но­сти, мы по­лу­чим плот­ность силы дав­ле­ния, ко­то­рую на­зы­ва­ют про­сто дав­ле­ние (или ино­гда до­бав­ля­ют гид­ро­ста­ти­че­ское дав­ле­ние), даже в га­зо­об­раз­ной среде, по­сколь­ку с точки зре­ния дав­ле­ния га­зо­об­раз­ная среда прак­ти­че­ски ничем не от­ли­ча­ет­ся от жид­кой среды.

 Закон Паскаля

Свой­ства рас­пре­де­ле­ния дав­ле­ния в жид­ких и га­зо­об­раз­ных сре­дах ис­сле­до­ва­лись еще с на­ча­ла XVII века, пер­вым, кто уста­но­вил за­ко­ны рас­пре­де­ле­ния дав­ле­ния в жид­кой и га­зо­об­раз­ной сре­дах был фран­цуз­ский ма­те­ма­тик Блез Пас­каль.

Ве­ли­чи­на дав­ле­ния не за­ви­сит от на­прав­ле­ния нор­ма­ли к той по­верх­но­сти, на ко­то­рой ока­зы­ва­ет­ся это дав­ле­ние, то есть рас­пре­де­ле­ние дав­ле­ния изо­троп­но (оди­на­ко­во) по всем на­прав­ле­ни­ям.

Этот закон был уста­нов­лен экс­пе­ри­мен­таль­но. Пред­по­ло­жим, что в неко­то­рой жид­ко­сти су­ще­ству­ет пря­мо­уголь­ная приз­ма, один из ка­те­тов ко­то­рой рас­по­ло­жен вер­ти­каль­но, а вто­рой – го­ри­зон­таль­но. Дав­ле­ние на вер­ти­каль­ную стен­ку будет равно Р2, дав­ле­ние на го­ри­зон­таль­ную стен­ку будет Р3, дав­ле­ние на про­из­воль­ную стен­ку будет Р1. Три сто­ро­ны об­ра­зу­ют пря­мо­уголь­ный тре­уголь­ник, силы дав­ле­ния, дей­ству­ю­щие на эти сто­ро­ны, на­прав­ле­ны по нор­ма­ли к этим по­верх­но­стям. По­сколь­ку вы­де­лен­ный объем на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии рав­но­ве­сия, покоя, ни­ку­да не дви­жет­ся, сле­до­ва­тель­но, сумма сил, на него дей­ству­ю­щих, равна нулю. Сила, дей­ству­ю­щая по нор­ма­ли к ги­по­те­ну­зе, про­пор­ци­о­наль­на пло­ща­ди по­верх­но­сти, то есть равна дав­ле­нию, умно­жен­но­му на пло­щадь по­верх­но­сти. Силы, дей­ству­ю­щие на вер­ти­каль­ную и го­ри­зон­таль­ную стен­ки, так же про­пор­ци­о­наль­ны ве­ли­чи­нам пло­ща­дей этих по­верх­но­стей и так же на­прав­ле­ны пер­пен­ди­ку­ляр­но. То есть сила, дей­ству­ю­щая на вер­ти­каль, на­прав­ле­на по го­ри­зон­та­ли, а сила, дей­ству­ю­щая на го­ри­зон­таль, на­прав­ле­на по вер­ти­ка­ли. Эти три силы в сумме равны нулю, сле­до­ва­тель­но, они об­ра­зу­ют тре­уголь­ник, ко­то­рый пол­но­стью по­до­бен дан­но­му тре­уголь­ни­ку.

Рас­пре­де­ле­ние сил, дей­ству­ю­щих на пред­мет

Рис. 1. Рас­пре­де­ле­ние сил, дей­ству­ю­щих на пред­мет

В силу по­до­бия этих тре­уголь­ни­ков, а они по­доб­ны, так как об­ра­зу­ю­щие их сто­ро­ны пер­пен­ди­ку­ляр­ны друг другу, сле­ду­ет, что ко­эф­фи­ци­ент про­пор­ци­о­наль­но­сти между пло­ща­дя­ми сто­рон этого тре­уголь­ни­ка дол­жен быть для всех сто­рон одним и тем же, то есть Р= Р2 = Р3.

Таким об­ра­зом, мы под­твер­жда­ем экс­пе­ри­мен­таль­ный закон Пас­ка­ля, утвер­жда­ю­щий, что дав­ле­ние на­прав­ле­но в любую сто­ро­ну и оди­на­ко­во по ве­ли­чине. Итак, мы уста­но­ви­ли, что по за­ко­ну Пас­ка­ля дав­ле­ние в дан­ной точке жид­ко­сти оди­на­ко­во по всем на­прав­ле­ни­ям.

Те­перь до­ка­жем, что дав­ле­ние на одном уровне в жид­ко­сти везде оди­на­ко­во.

Силы, дей­ству­ю­щие на стен­ки ци­лин­дра

Рис. 2. Силы, дей­ству­ю­щие на стен­ки ци­лин­дра

Пред­ста­вим, что у нас есть ци­линдр, на­пол­нен­ный жид­ко­стью с плот­но­стью ρ, дав­ле­ние на стен­ки ци­лин­дра со­от­вет­ствен­но Ри Р, по­сколь­ку масса жид­ко­сти на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя, то силы, дей­ству­ю­щие на стен­ки ци­лин­дра, будут равны, так как и пло­ща­ди у них равны, то есть Р= Р2. Вот так мы до­ка­за­ли, что в жид­ко­сти на одном уровне дав­ле­ние одно и то же.

 Зависимость давления в жидкости от глубины

Рас­смот­рим жид­кость, на­хо­дя­щу­ю­ся в поле тя­же­сти. Поле тя­же­сти дей­ству­ет на жид­кость и пы­та­ет­ся ее сжать, но жид­кость очень слабо сжи­ма­ет­ся, так как она не сжи­ма­е­ма и при любом воз­дей­ствии плот­ность жид­ко­сти все­гда одна и та же. В этом се­рьез­ное от­ли­чие жид­ко­сти от газа, по­это­му фор­му­лы, ко­то­рые мы рас­смот­рим, от­но­сят­ся к несжи­ма­е­мой жид­ко­сти и не при­ме­ни­мы в га­зо­вой среде.

Пред­мет с жид­ко­стью

Рис. 3. Пред­мет с жид­ко­стью

Рас­смот­рим пред­мет с жид­ко­стью пло­ща­дью S = 1, вы­со­тою h, плот­но­стью жид­ко­сти ρ, ко­то­рый на­хо­дит­ся в поле тя­же­сти с уско­ре­ни­ем сво­бод­но­го па­де­ния g. Свер­ху дав­ле­ние жид­ко­сти Ри снизу дав­ле­ние Рh , так как пред­мет на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии рав­но­ве­сия, то сумма сил, на него дей­ству­ю­щих, будет равна нулю. Сила тя­же­сти будет равна плот­но­сти жид­ко­сти на уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния и на объем Fт = ρ g V, так как V = h S, а S = 1, то у нас по­лу­чит­ся Fт = ρ g h.

Сум­мар­ная сила дав­ле­ния равна раз­но­сти дав­ле­ний, умно­жен­ной на пло­щадь по­пе­реч­но­го се­че­ния, но так как у нас она равна еди­ни­це, то P = Рh  - Р0

Так как этот пред­мет у нас не дви­жет­ся, то  эти две силы равны друг другу Fт = P.

Мы по­лу­ча­ем за­ви­си­мость дав­ле­ния жид­ко­сти от глу­би­ны или закон гид­ро­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния. Дав­ле­ние на глу­бине h от­ли­ча­ет­ся от дав­ле­ния на ну­ле­вой глу­бине на ве­ли­чи­ну ρ g h: Рh =  Р + ( ρ g h ).

 Закон сообщающихся сосудов

Ис­поль­зуя два вы­ве­ден­ных утвер­жде­ния, мы можем вы­ве­сти еще один закон – закон со­об­ща­ю­щих­ся со­су­дов.

Со­об­ща­ю­щи­е­ся со­су­ды

Рис. 4. Со­об­ща­ю­щи­е­ся со­су­ды

Два ци­лин­дра раз­лич­но­го се­че­ния со­еди­не­ны между собой, на­льем жид­кость плот­но­стью ρ в эти со­су­ды. 

Закон со­об­ща­ю­щих­ся со­су­дов утвер­жда­ет: уров­ни в этих со­су­дах будут аб­со­лют­но оди­на­ко­вы. 

До­ка­жем это утвер­жде­ние.

Дав­ле­ние свер­ху мень­ше­го со­су­да Рбудет мень­ше дав­ле­ния на дне со­су­да на ве­ли­чи­ну ρ g h, точно так же дав­ле­ние Р0будет мень­ше дав­ле­ния на дне и у боль­ше­го со­су­да на такую же ве­ли­чи­ну ρ g h, так как плот­ность и глу­би­на у них оди­на­ко­вы, сле­до­ва­тель­но, эти ве­ли­чи­ны у них будут оди­на­ко­вы.

Если же в со­су­ды на­лить жид­ко­сти с раз­ны­ми плот­но­стя­ми, то уров­ни у них будут раз­лич­ны.

 Заключение. Гидравлический пресс

За­ко­ны гид­ро­ста­ти­ки были уста­нов­ле­ны Пас­ка­лем еще в на­ча­ле XVII века, и с тех пор на ос­но­ве этих за­ко­нов ра­бо­та­ет огром­ное ко­ли­че­ство самых раз­ных гид­рав­ли­че­ских машин и ме­ха­низ­мов. Мы рас­смот­рим устрой­ство, ко­то­рое носит на­зва­ние гид­рав­ли­че­ский пресс.

Гид­рав­ли­че­ский пресс

Рис. 5. Гид­рав­ли­че­ский пресс

В со­су­де, со­сто­я­щем из двух ци­лин­дров, с пло­ща­дью се­че­ния S1 и S на­ли­тая жид­кость уста­нав­ли­ва­ет­ся на одной вы­со­те. По­ста­вив порш­ни в эти ци­лин­дры и при­ло­жив силу F1, по­лу­чим F= Р0 S1.

При­ло­жив силу F2, по­лу­чим F= Р0 S2.

Из-за того, что дав­ле­ния, при­ло­жен­ные к порш­ням, оди­на­ко­вы, легко уви­деть, что сила, ко­то­рую необ­хо­ди­мо при­ло­жить к боль­шо­му порш­ню, чтобы удер­жать его в покое, будет пре­вы­шать силу, ко­то­рая при­ло­же­на к ма­ло­му порш­ню, ко­эф­фи­ци­ент от­но­ше­ния этих сил есть пло­щадь боль­шо­го порш­ня де­лить на пло­щадь ма­ло­го порш­ня.

S2

F2 = F ̶

S1

При­кла­ды­вая сколь угод­но малое уси­лие к ма­ло­му порш­ню, мы разо­вьем очень боль­шое уси­лие на боль­шем поршне – имен­но таким об­ра­зом и ра­бо­та­ет гид­рав­ли­че­ский пресс. Уси­лие, ко­то­рое будет при­ло­же­но к боль­ше­му прес­су или к де­та­ли, по­ме­щен­ной в то место, будет сколь угод­но боль­шим.

Последнее изменение: Среда, 6 Июнь 2018, 18:08