Расчет давления жидкости на дно и стенки сосуда

1. Вывод формулы для давления жидкости на дно сосуда

Для того чтобы упро­стить вывод фор­му­лы для рас­че­та дав­ле­ния на дно и стен­ки со­су­да, удоб­нее всего ис­поль­зо­вать сосуд в форме пря­мо­уголь­но­го па­рал­ле­ле­пи­пе­да (Рис. 1).

Сосуд для рас­че­та дав­ле­ния жид­ко­сти

Рис. 1. Сосуд для рас­че­та дав­ле­ния жид­ко­сти

Пло­щадь дна этого со­су­да – S, его вы­со­та – h. Пред­по­ло­жим, что сосуд на­пол­нен жид­ко­стью на всю вы­со­ту h. Чтобы опре­де­лить дав­ле­ние на дно, нужно силу, дей­ству­ю­щую на дно, раз­де­лить на пло­щадь дна. В нашем слу­чае сила – это вес жид­ко­сти P, на­хо­дя­щей­ся в со­су­де

По­сколь­ку жид­кость в со­су­де непо­движ­на, ее вес равен силе тя­же­сти, ко­то­рую можно вы­чис­лить, если из­вест­на масса жид­ко­сти m

На­пом­ним, что сим­во­лом g обо­зна­че­но уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния.

Для того чтобы найти массу жид­ко­сти, необ­хо­ди­мо знать ее плот­ность ρ и объем V

Объем жид­ко­сти в со­су­де мы по­лу­чим, умно­жив пло­щадь дна на вы­со­ту со­су­да

Эти ве­ли­чи­ны из­на­чаль­но из­вест­ны. Если их по оче­ре­ди под­ста­вить в при­ве­ден­ные выше фор­му­лы, то для вы­чис­ле­ния дав­ле­ния по­лу­чим сле­ду­ю­щее вы­ра­же­ние:

В этом вы­ра­же­нии чис­ли­тель и зна­ме­на­тель со­дер­жат одну и ту же ве­ли­чи­ну S – пло­щадь дна со­су­да. Если на нее со­кра­тить, по­лу­чит­ся ис­ко­мая фор­му­ла для рас­че­та дав­ле­ния жид­ко­сти на дно со­су­да:

Итак, для на­хож­де­ния дав­ле­ния необ­хо­ди­мо умно­жить плот­ность жид­ко­сти на ве­ли­чи­ну уско­ре­ния сво­бод­но­го па­де­ния и вы­со­ту стол­ба жид­ко­сти.

2. Давление жидкости на стенки сосуда

По­лу­чен­ная выше фор­му­ла на­зы­ва­ет­ся фор­му­лой гид­ро­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния. Она поз­во­ля­ет найти дав­ле­ние на дно со­су­да. А как рас­счи­тать дав­ле­ние на бо­ко­вые стен­ки со­су­да? Чтобы от­ве­тить на этот во­прос, вспом­ним, что на про­шлом уроке мы уста­но­ви­ли, что дав­ле­ние на одном и том же уровне оди­на­ко­во во всех на­прав­ле­ни­ях. Это зна­чит, дав­ле­ние в любой точке жид­ко­сти на за­дан­ной глу­бине h может быть най­де­но по той же фор­му­ле.

3. Анализ и примеры применения полученной формулы

Рас­смот­рим несколь­ко при­ме­ров.

Возь­мем два со­су­да. В одном из них на­хо­дит­ся вода, а в дру­гом – под­сол­неч­ное масло. Уро­вень жид­ко­сти в обоих со­су­дах оди­на­ков. Оди­на­ко­вым ли будет дав­ле­ние этих жид­ко­стей на дно со­су­дов? Без­услов­но, нет. В фор­му­лу для рас­че­та гид­ро­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния вхо­дит плот­ность жид­ко­сти. По­сколь­ку плот­ность под­сол­неч­но­го масла мень­ше, чем плот­ность воды, а вы­со­та стол­ба жид­ко­стей оди­на­ко­ва, то масло будет ока­зы­вать на дно мень­шее дав­ле­ние, чем вода (Рис. 2).

Жид­ко­сти с раз­лич­ной плот­но­стью при одной вы­со­те стол­ба ока­зы­ва­ют на дно раз­лич­ные дав­ле­ния

Рис. 2. Жид­ко­сти с раз­лич­ной плот­но­стью при одной вы­со­те стол­ба ока­зы­ва­ют на дно раз­лич­ные дав­ле­ния

Еще один при­мер. Име­ют­ся три раз­лич­ных по форме со­су­да. В них до од­но­го уров­ня на­ли­та одна и та же жид­кость.

Будет ли оди­на­ко­вым дав­ле­ние на дно со­су­дов? Ведь масса, а зна­чит, и вес жид­ко­стей в со­су­дах раз­ли­чен. Да, дав­ле­ние будет оди­на­ко­вым (Рис. 3). Ведь в фор­му­ле гид­ро­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния нет ни­ка­ко­го упо­ми­на­ния о форме со­су­да, пло­ща­ди его дна и весе на­ли­той в него жид­ко­сти. Дав­ле­ние опре­де­ля­ет­ся ис­клю­чи­тель­но плот­но­стью жид­ко­сти и вы­со­той ее стол­ба.

Дав­ле­ние жид­ко­сти не за­ви­сит от формы со­су­да

Рис. 3. Дав­ле­ние жид­ко­сти не за­ви­сит от формы со­су­да

4. Заключение

Мы по­лу­чи­ли фор­му­лу для на­хож­де­ния дав­ле­ния жид­ко­сти на дно и стен­ки со­су­да. Этой фор­му­лой можно поль­зо­вать­ся и для рас­че­та дав­ле­ния в объ­е­ме жид­ко­сти на за­дан­ной глу­бине. Она может быть ис­поль­зо­ва­на для опре­де­ле­ния глу­би­ны по­гру­же­ния ак­ва­лан­ги­ста, при рас­че­те кон­струк­ции ба­ти­ска­фов, под­вод­ных лодок, для ре­ше­ния мно­же­ства дру­гих на­уч­ных и ин­же­нер­ных задач.

Последнее изменение: Вторник, 22 Май 2018, 11:36