Давление от столба жидкости

Гидростатическое давление

Калькулятор находит неизвестные величины по заданным, используя формулу давления столба жидкости.

Калькулятор ниже предназначен для расчета неизвестной величины по заданным, используя формулу давления столба жидкости.
Сама формула:

Калькулятор позволяет найти

• давление столба жидкости по известным плотности жидкости, высоте столба жидкости и ускорению свободного падения
• высоту столба жидкости по известным давлению жидкости, плотности жидкости и ускорению свободного падения
• плотность жидкости по известным давлению жидкости, высоте столба жидкости и ускорению свободного падения
• ускорение свободного падения по известным давлению жидкости, плотности жидкости и высоте столба жидкости

Вывод формул для всех случаев тривиален. Для плотности по умолчанию используется значение плотности воды, для ускорения свободного падения — земное ускорение, и для давления — величина равная давлению в одну атмосферу. Немного теории, как водится, под калькулятором.

Гидростатическое давление

Гидростатическое давление — давление столба воды над условным уровнем.

Формула гидростатического давления выводится достаточно просто

Из этой формулы видно, что давление не зависит от площади сосуда или его формы. Оно зависит только от плотности и высоты столба конкретной жидкости. Из чего следует, что, увеличив высоту сосуда, мы можем при небольшом объеме создать довольно высокое давление.
В 1648 г. это продемонстрировал Блез Паскаль. Он вставил в закрытую бочку, наполненную водой, узкую трубку и, поднявшись на балкон второго этажа, влил в эту трубку кружку воды. Из-за малой толщины трубки вода в ней поднялась до большой высоты, и давление в бочке увеличилось настолько, что крепления бочки не выдержали, и она треснула.

Также это приводит к такому явлению как гидростатический парадокс.

Гидростатический парадокс — явление, при котором сила весового давления налитой в сосуд жидкости на дно сосуда может отличаться от веса налитой жидкости. В сосудах с увеличивающимся кверху поперечным сечением сила давления на дно сосуда меньше веса жидкости, в сосудах с уменьшающимся кверху поперечным сечением сила давления на дно сосуда больше веса жидкости. Сила давления жидкости на дно сосуда равно весу жидкости лишь для сосуда цилиндрической формы.

На картинке вверху давление на дно сосуда по всех случаях одинакова и не зависит от веса налитой жидкости, а только от ее уровня. Причина гидростатического парадокса состоит в том, что жидкость давит не только на дно, но и на стенки сосуда. Давление жидкости на наклонные стенки имеет вертикальную составляющую. В расширяющемся кверху сосуде она направлена вниз, в сужающемся кверху сосуде она направлена вверх. Вес жидкости в сосуде будет равен сумме вертикальных составляющих давления жидкости по всей внутренней площади сосуда

Гидростатическое давление: формула и свойства.

Содержание

Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором изучаются законы равновесия жидкостей и рассматривается практическое приложение этих законов. Для того, чтобы понять гидростатику необходимо определиться в некоторых понятиях и определениях.

Закон Паскаля для гидростатики.

В 1653 году французским ученым Б. Паскалем был открыт закон, который принято называть основным законом гидростатики.

Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается в жидкости одинаково во всех направлениях.

Закон Паскаля легко понимается если взглянуть на молекулярное строение вещества. В жидкостях и газах молекулы обладают относительной свободой, они способны перемещаться друг относительно друга, в отличии от твердых тел. В твердых телах молекулы собраны в кристаллические решетки.

Относительная свобода, которой обладают молекулы жидкостей и газов, позволяет передавать давление производимое на жидкость или газ не только в направлении действия силы, но и во всех других направлениях.

Закон Паскаля для гидростатики нашел широкое распространение в промышленности. На этом законе основана работа гидроавтоматики, управляющей станками с ЧПУ, автомобилями и самолетами и многих других гидравлических машин.

Определение и формула гидростатического давления

Из описанного выше закона Паскаля вытекает, что:

Гидростатическое давление – это давление, производимое на жидкость силой тяжести.

Величина гидростатического давления не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость и определяется произведением

ρ – плотность жидкости

g – ускорение свободного падения

h – глубина, на которой определяется давление.

Для иллюстрации этой формулы посмотрим на 3 сосуда разной формы.

Во всех трёх случаях давление жидкости на дно сосуда одинаково.

Полное давление жидкости в сосуде равно

P0 – давление на поверхности жидкости. В большинстве случаев принимается равным атмосферному.

Сила гидростатического давления

Выделим в жидкости, находящейся в равновесии, некоторый объем, затем рассечем его произвольной плоскостью АВ на две части и мысленно отбросим одну из этих частей, например верхнюю. При этом мы должны приложить к плоскости АВ силы, действие которых будет эквивалентно действию отброшенной верхней части объема на оставшуюся нижнюю его часть.

Рассмотрим в плоскости сечения АВ замкнутый контур площадью ΔF, включающий в себя некоторую произвольную точку a. Пусть на эту площадь воздействует сила ΔP.

Тогда гидростатическое давление формула которого выглядит как

представлет собой силу, действующую на единицу площади, будет называться средним гидростатическим давлением или средним напряжением гидростатического давления по площади ΔF.

Истинное давление в разных точках этой площади может быть разным: в одних точках оно может быть больше, в других – меньше среднего гидростатического давления. Очевидно, что в общем случае среднее давление Рср будет тем меньше отличаться от истинного давления в точке а, чем меньше будет площадь ΔF, и в пределе среднее давление совпадет с истинным давлением в точке а.

Для жидкостей, находящихся в равновесии, гидростатическое давление жидкости аналогично напряжению сжатия в твердых телах.

Единицей измерения давления в системе СИ является ньютон на квадратный метр (Н/м 2 ) – её называют паскалем (Па). Поскольку величина паскаля очень мала, часто применяют укрупненные единицы:

килоньютон на квадратный метр – 1кН/м 2 = 1*10 3 Н/м 2

меганьютон на квадратный метр – 1МН/м 2 = 1*10 6 Н/м 2

Давление равное 1*10 5 Н/м 2 называется баром (бар).

В физической системе единицей намерения давления является дина на квадратный сантиметр (дина/м 2 ), в технической системе – килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м 2 ). Практически давление жидкости обычно измеряют в кгс/см 2 , а давление равное 1 кгс/см 2 называется технической атмосферой (ат).

Между всеми этими единицами существует следующее соотношение:

1ат = 1 кгс/см 2 = 0,98 бар = 0,98 * 10 5 Па = 0,98 * 10 6 дин = 10 4 кгс/м 2

Следует помнить что между технической атмосферой (ат) и атмосферой физической (Ат) существует разница. 1 Ат = 1,033 кгс/см 2 и представляет собой нормальное давление на уровне моря. Атмосферное давление зависит от высоты расположения места над уровнем моря.

Измерение гидростатического давления

На практике применяют различные способы учета величины гидростатического давления. Если при определении гидростатического давления принимается во внимание и атмосферное давление, действующее на свободную поверхность жидкости, его называют полным или абсолютным. В этом случае величина давления обычно измеряется в технических атмосферах, называемых абсолютными (ата).

Часто при учете давления атмосферное давление на свободной поверхности не принимают во внимание, определяя так называемое избыточное гидростатическое давление, или манометрическое давление, т.е. давление сверх атмосферного.

Манометрическое давление определяют как разность между абсолютным давлением в жидкости и давлением атмосферным.

Рман = Рабс – Ратм

и измеряют также в технических атмосферах, называемых в этом случае избыточными.

Случается, что гидростатическое давление в жидкости оказывается меньше атмосферного. В этом случае говорят, что в жидкости имеется вакуум. Величина вакуума равняется разнице между атмосферным и и абсолютным давлением в жидкости

Рвак = Ратм – Рабс

и измеряется в пределах от нуля до атмосферы.

Свойства гидростатического давления

Гидростатическое давление воды обладает двумя основными свойствами:
Оно направлено по внутренней нормали к площади, на которую действует;
Величина давления в данной точке не зависит от направления (т.е. от ориентированности в пространстве площадки, на которой находится точка).

Первое свойство является простым следствием того положения, что в покоящейся жидкости отсутствуют касательные и растягивающие усилия.

Предположим, что гидростатическое давление направлено не по нормали, т.е. не перпендикулярно, а под некоторым углом к площадке. Тогда его можно разложить на две составляющие – нормальную и касательную. Наличие касательной составляющей из-за отсутствия в покоящейся жидкости сил сопротивления сдвигающим усилиям неизбежно привело бы к движению жидкости вдоль площадки, т.е. нарушило бы её равновесие.

Поэтому единственным возможным направлением гидростатического давления является его направление по нормали к площадке.

Если предположить что гидростатическое давление направлено не по внутренней, а по внешней нормали, т.е. не внутрь рассматриваемого объекта а наружу от него, то вследствие того, что жидкость не оказывает сопротивления растягивающим усилиям – частицы жидкости пришли бы в движение и её равновесие было бы нарушено.

Следовательно, гидростатическое давление воды всегда направлено по внутренней нормали и представляет собой сжимающее давление.

Из этого же правило следует, что если измениться давление в какой-то точке, то на такую же величину измениться давление в любой другой точке этой жидкости. В этом заключается закон Паскаля, который формулируется следующим образом: Давление производимое на жидкость, передается внутри жидкости во все стороны с одинаковой силой.

На применение этого закона основываются действие машин, работающих под гидростатическим давлением.

Ещё одним фактором влияющим на величину давления является вязкость жидкости, которой до недавнего времени приято было пренебрегать. С появлением агрегатов работающих на высоком давлении вязкость пришлось так же учитывать. Оказалось, что при изменении давления, вязкость некоторых жидкостей, таких как масла, может изменяться в несколько раз. А это уже определяет возможность использовать такие жидкости в качестве рабочей среды.

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

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

На этом уроке мы рассмотрим отличие жидких и газообразных тел от твердых тел. Если мы захотим изменить объем жидкости, нам придется прикладывать большое усилие, сравнимое с тем, которое мы прикладываем, изменяя объем твердого тела. Даже чтобы изменить объем газа, необходимо весьма серьезное усилие, например насосы и другие механические устройства. Но если мы захотим изменить форму жидкости или газа и будем делать это достаточно медленно, то никаких усилий нам прикладывать не придется. В этом главное отличие жидкости и газа от твердого тела.

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 Р_2, давление на горизонтальную стенку будет Р_3, 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.

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 Р₁ = Р₂ = Р_3.

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.

Рис. 2. Силы, действующие на стенки цилиндра

Представим, что у нас есть цилиндр, наполненный жидкостью с плотностью ρ, давление на стенки цилиндра соответственно Р₁ и Р₂ , поскольку масса жидкости находится в состоянии покоя, то силы, действующие на стенки цилиндра, будут равны, так как и площади у них равны, то есть Р₁ = Р_2. 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.

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 Р и снизу давление Р_h , 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 = Р_h — Р

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: Р_h = Р + ( ρ g h ).

Закон сообщающихся сосудов

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

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 Р будет меньше давления на дне сосуда на величину ρ g h, точно так же давление Р будет 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.

Рис. 5. Гидравлический пресс

В сосуде, состоящем из двух цилиндров, с площадью сечения S₁ и S₂ налитая жидкость устанавливается на одной высоте. Поставив поршни в эти цилиндры и приложив силу F_1, получим F₁ = Р S₁.

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.

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.

Следующая тема – законы Архимеда для неподвижных тел.

Домашнее задание

1. Дать определение закону Паскаля.
2. Что утверждает закон сообщающихся сосудов.
3. Ответить на вопросы сайта (Источник).

Список рекомендованной литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
3. Громов С.В., Родина Н.А. Физика 7 класс, 2002.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

Давление. Давление столба жидкости. Закон Паскаля. Гидростатика

«Давление». Значит, что-то на что-то давит. То есть воздействует. Хм… Кажется, у нас уже была физическая величина, которая показывала, как интенсивно что-то действует на что-то другое. Какая это величина, как вы думаете?

Какая величина описывает интенсивность действия одного тела на другое?

Давление. «Опять новая величина? А что, тех величин, которые уже есть, недостаточно? – резонно можете спросить вы. – У нас есть понятие силы для того, чтобы описывать, как и что действует на некоторое тело. Зачем ещё и давление?» Понять, зачем нужно давление, вам поможет следующий пример.

Смогут ли они удержать такую коробку? Смогут. Почему?

Почему десять человек смогут удержать коробку массой 5 0 0 500 5 0 0 кг?

Потому что они сильны духом.

Потому что с ними бог.

Потому что на одного человека приходится небольшая масса в 5 0 50 5 0 кг.

Давление – величина, которая учитывает распределение воздействия некоторой силы F F F на некоторую площадь S S S .

Как вы думаете, как будет правильно в таком случае записать формулу для давления p p p ? Выберите правильный вариант.

Итак, запишем формулу давления:

Единица измерения давления – Паскаль:

Аквариум, изображённый на рисунке, доверху наполнили водой. Найдите давление воды на дно аквариума. Плотность воды равна ρ rho ρ . Атмосферное давление не учитывать.

(Источник: ЕГЭ-2013. Физика. Реальный экзамен. Урал. Вариант 1)

Шаг 1. Вспомним формулу давления.

Выберите правильную формулу для давления.

Шаг 2. Определим, какая сила давит на дно сосуда.

Какая сила давит на дно сосуда?

сила тяжести воды

сила реакции опоры сосуда

сила трения воды о стенки сосуда

сила вязкого внутреннего трения жидкости

Шаг 3. Попробуем выразить силу тяжести через известные нам величины. Для начала просто запишем формулу силу тяжести.

Как можно вычислить силу тяжести воды?

Как можно вычислить силу тяжести, зная размеры сосуда и плотность?

Правильный ответ : 4) 2 ρ g a 2 rho ga 2 ρ g a .

Давление столба жидкости

Представьте, что вы опустились со специальным аквалангом на дно озера.

Если вы поднимите голову вверх, то увидите, что над вами находится толща воды. Целый водяной столб. И он находится прямо над вами.

Как вы думаете, что он делает с вами?

Ничего не делает.

Выталкивает меня наверх.

Пытается сместить меня вбок.

На столб действует сила тяжести: F = m g F = mg F = m g .

Массу жидкости можно расписать.

Как правильно расписать массу жидкости?

Как можно записать объем столба жидкости? Выберите правильную формулу.

V = h S V = frac V = S h ​

V = S h V = frac V = h S ​

Тогда давление столба жидкости можно записать следующим образом: p = F S = m g S = ρ h S g S = ρ g h p = frac = frac = frac = rho gh p = S F ​ = S m g ​ = S ρ h S g ​ = ρ g h .

Итак, гидростатическое давление столба жидкости на глубине h h h рассчитывается по формуле p = ρ g h . p = rho gh <.>p = ρ g h .

Сосуд, изображённый на рисунке, доверху наполнили некоторой жидкостью. Найдите давление жидкости на дно сосуда. Плотность жидкости равна ρ rho ρ . Атмосферное давление не учитывать.

(Источник: ЕГЭ-2013. Физика. Урал. Вариант 6)

Гидростатика. Закон Паскаля

Раздел гидростатики в физике занимается давлениями неподвижных жидкостей. Нечто похожее у нас уже было в разделе «Статика», когда мы рассматривали неподвижность твёрдых тел, рассматривали правило моментов: чтобы вращающие моменты уравновешивали друг друга.

В гидростатике – нечто похожее: рассматриваются давления жидкости в условии, когда она неподвижна – то есть не течёт. Для этого раздела важен закон Паскаля:

Давление жидкости передаётся в любую точку без изменения во всех направлениях.

Сложная формулировка. Сложный закон. Понять его можно на примере. Возьмём полиэтиленовый пакет, нальём в него жидкость и сделаем несколько небольших дырочек. Будем давить сверху на этот пакет с жидкостью. Что мы увидим? Вода будет литься из каждой дырочки.

И можно заметить, что наше давление сверху на пакет будет передаваться без изменения в каждую «дырочку» пакета – струйки воды получатся примерно одинаковые, хоть и будут направлены в разные стороны.
Получается, что если до некоторой точки жидкости дошло давление, то давление от этой точки будет распространяться во все стороны.

На основе закона Паскаля основано действие различных гидравлических прессов и других механических устройств, в которых требуется передача давления чего-либо из одной точки – в другую точку (например – экскаватора, тормозной системы автомобилей). Такое устройство может представлять собой трубку, внутри которой находится жидкость. С одной стороны трубки – давят на жидкость, жидкость передаёт это давление – и давит на что-то с другого конца трубки.

Для того чтобы закон Паскаля стал вам окончательно понятен, приведём ещё один пример. Допустим, у нас есть палка. Просто палка. И мы давим этой палкой на землю. Действуем сверху вниз. Если земля не слишком твёрдая, то палка «уйдёт» у нас вниз. И только вниз. Ни вбок, ни вверх. Вниз.

Рассмотрим другой случай. Пусть у нас есть трубка, а на её конце – резиновый шарик. А внутри трубки и шарика – жидкость. Тогда, если мы будем давить на жидкость в трубке, то шарик у нас будет раздуваться во все стороны. Не только вниз, не только вбок – а во все стороны сразу. То есть давление в жидкости передаётся во все стороны, а давление в твёрдых телах – преимущественно в том направлении, в котором приложено давление.

В широкую U-образную трубку с вертикальными прямыми коленами налиты неизвестная жидкость плотностью ρ 1 rho _1 ρ 1 ​ и вода плотностью ρ 2 = 1 , 0 ⋅ 1 0 3 к г / м 3 rho _2 = 1,0 cdot 10^3text< >кг/м^3 ρ 2 ​ = 1 , 0 ⋅ 1 0 3 к г / м 3 (см. рисунок).

(Источник: сайт решуегэ.рф)

Шаг 1. В задаче даны плотности и высоты столбов жидкости. Определим тип этой задачи.

Как вы думаете, на что может быть эта задача?

на гидростатическое давление жидкостей

на уравнение моментов сил

Шаг 2. Так же, как в задачах на правило моментов вращающие моменты уравновешивают друг друга, в задачах на гидростатическое давление мы часто будем иметь дело с противодействием.

Кто кому в этой задаче противодействует?

Жидкости в левой части трубки противодействуют жидкости в правой части трубки.

Сила тяжести противодействует силе давления жидкости.

U-образная рубка противодействует жидкости.

Шаг 3. Определим, что оказывает давление в левой части трубки.

СИЛА ДАВЛЕНИЯ В ЖИДКОСТИ. ДАВЛЕНИЕ

Гидростатика изучает жидкости, кото­рые находят- ся в состоянии равновесия.

Жидкости имеют особые механические свойства:

— малая сжимаемость (жидкость практически сохраняет свой объём даже при больших внешних силах давления),

— в земных условиях жидкость принимает форму того сосуда, в котором она находится.

В жидкости действуют силы упруго­сти, которые направлены перпендикуляр­но к любой твердой поверхности или гра­нице. Эти силы называются с и л а м и д а в л е н и я.

Силы давления распределяются по по­верхности, на которую они действуют (рис. 94).

Д а в л е н и е м называется физическая величина, равная отношению модуля си­лы давления к площади поверхности, на которую сила давления действует:

, (V.1)

где Р — давление,

S — площадь поверхности.

Единица давления в СИ — 1 паскаль:

[Р] = 1 Па = 1 Н/м 2 .

Единица давления в системе СГС — 1 дин/см 2 .

На практике часто используют вне­системные единицы давления:

— 1 миллиметр ртутного столба,

1 мм рт. cт. » 133 Па;

— 1 физическая атмосфера (обозна­чается 1 атм),

1 атм = 760 мм рт. ст.= 1,013× 10 5 Па;

— 1 техническая атмосфера (обозначается 1 ат),

1 ат = 1 кгс/см 2 = 9,8×10 4 Па.

2. ЗАКОН ПАСКАЛЯ

Если жидкость находится в равнове­сии и к повер- хности жидкости приложе­ны внешние силы, то выполняется закон Паскаля: давление, которое производят внеш­ние силы на поверхность жидкости, пере­даётся во все точки жидкости без изме­нения.

Рассмотрим гидравлическую машину, действие которой основано на законе Паскаля.

Читать еще:  Густая кровь давление

Гидравлическая машина состоит из двух цилинд- ров, которые соединены между собой (рис. 95). В цилиндрах под поршнями находится жидкость (масло). Площадь поршня в первом цилиндре — S₁, площадь поршня во втором цилинд­ре — S₂ (S₁ Р_BB`.

Из закона Паскаля и формулы (V.4) следует условие равновесия жидкости: давление на любом горизонтальном уровне жидкости, которая находится в равновесии, одинаково во всех точках на этом уровне.

Например (см. рис. 96):

— если на открытую поверхность жидкости действует внешнее давление (например,атмосферное давление Р_ат), то полное давление в любой точ­ке жидкости равно

где Р_ат — атмосферное давление;

r_ж×g × h — гидростатическое давление столба жид­кости

высотой h над уровнем, которому принадлежит данная точка.

4. СООБЩАЮЩИЕСЯ СОСУДЫ

С о о б щ а ю щ и м и с я с о с у д а м и называются два или несколько сосудов, которые соединяются друг с другом (рис. 97).

С в о б о д н о й п о в е р х н о с т ь ю жидкости называется поверхность жидко­сти, которая не соприкасается со стенка­ми сосуда.

Из закона Паскаля и формулы (V.4) следует, что свободная поверхность одно­родной жидкости (r₁ = r₂) в состоянии равновесия в сообщающихся сосу­дах устанавливается на одном горизонтальном

уровне (см. рис. 97).

Если в сообщающихся сосудах находятся несмешивающиеся жидкости с разными плотностями (r₁ ¹ r₂), то свободные поверхности жидкостей в разных сосудах могут находиться на разных

уровнях (см. рис. 98):

(V.6)

5. ЗАКОН АРХИМЕДА

Определим силу F¢, с которой тело рас­тягивает пружину, если:

— тело находится в воздухе (рис. 99, а).

— тело находится в жидкости (рис. 99, б).

В первом случае эта сила равна

Во втором случае сила, с которой те­ло растягивает пружину, уменьшается:

Таким образом, равнодействующая всех сил давления жидкости на твердое тело — выталкивающая сила — направ­лена вертикально вверх и равна

где Н × S― объём жидкости, вытесненной телом (V_выт.ж.).

Объём жидкости, вытесненной телом (V_выт.ж.) равен:

―объёму тела, если всё тело нахо­дится в жидкости (рис. 101, а):

— объёму той части тела, которая на­ходится в жидкости (рис. 101, б ).

Формула (V.9) — это математическое выражение закона Архимеда:

На тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая си­ла, направленная вертикально вверх и равная весу жидкости, вытесненной те­лом.

Выталкивающая сила приложена в центре объёма жидкости, вытесненного телом.

. ОТВЕТЬТЕ НА ВОПРОСЫ:

1. В чём различие понятий: сила давления и давление?

2. Какое соотношение между единицами дав­ления?

3. Какой закон лежит в основе действия гидравлической машины?

4. Что является причиной гидростатического давления?

VI. КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ

В природе часто встречается движе­ние, которое повторяется во времени. На­пример, движение точки колеса при рав­номерном вращении, движение точек натянутой струны, движение маятника ме­ханических часов (рис. 102). Это примеры периодического движения.

Периодическим называется такое движение, отдельные этапы которого точно повторяются через определенный интер­вал времени.

Частный случай периодического движения — это колебательное движение. Такое движение может совершать тело или система тел, которые имеют положе­ние устойчивого равновесия.

К о л е б а т е л ь н о е д в и ж е н и е — это такое периодическое движение, при котором тело или система тел отклоняются от некоторого положе­ния равновесия то в одну, то в другую сторону.

Среди примеров, показанных на рис. 102, колебательное движение (или просто колебания) совершают натянутая струна и маятник часов (рис. 102, б, в).

Шарик на вогнутой поверхности так­же будет совершать колебательное движение относительно положения устойчи­вого равновесия, если в начальный момент он будет выведен из положения равновесия и предоставлен самому себе (см. рис. 88).

Колебания системы тел могут быть свободными и вынужденными.

С в о б о д н ы м и, или с о б с т в е н н ы м и, назы­ваются колебания системы тел, на кото­рую не действуют периодические внешние силы.

Свободные колебания совершают на­тянутая струна и шарик на вогнутой по­верхности, если их отклонить от положе­ния равновесия и предоставить самим се­бе.

В ы н у ж д е н н ы м и называются колеба­ния системы тел, на которую действует периодическая внешняя сила.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ.

П е р и о д (обозначается Т) — это вре­мя одного полного колебания (одного цикла колебания). В системах единиц СИ и СГС период измеряется в секундах.

Ч а с т о т а (обозначается f ) — это ве­личина, обратная периоду и равная числу колебаний за одну секунду:

Единица измерения частоты колебаний в системах СИ и СГС называется герц:

[ f ] = 1 Гц = 1 с -1 .

При частоте в один герц тело или система тел совершают одно колебание за одну секунду.

На практике часто используют единицы измерения частоты:

1 килогерц = 1 кГц = 10 3 Гц,

1 мегагерц = 1 мГц = 10 6 Гц.

Если система тел совершает свобод­ные (собственные) колебания, то часто­та таких колебаний называется собствен­ной частотой.

Смещение (обозначается х) — это величина отклонения тела или системы тел от положения устойчивого равнове­сия. Наиболее часто смещение измеряет­ся в единицах длины:

в системе СИ [х] = 1 м,

в системе СГС [х] = 1 см.

Функция зависимости смещения от времени x (t) полностью описывает данное колебательное движение.

Рассмотрим наиболее простой вид ко­лебаний — гармонические колебания.

Г а р м о н и ч е с к и м и называются та­кие колебания, при которых смещение изменяется со временем по закону синуса или косинуса:

В формуле (VI. 1) содержатся следующие характеристики гармонических колеба­ний.

А м п л и т у д а:

(обозначается А) — это величина максимального смещения; из­меряется в единицах длины.

Ц и к л и ч е с к а я ч а с т о т а:

(обозначает­ся w) — греческая буква «омега») — это величина, связанная с частотой и перио­дом соотношением

Единица измерения циклической часто­ты — радиан в секунду

Ф а з а к о л е б а н и я:

(обозначается j — греческая буква «фи»)

Н а ч а л ь н а я ф а з а:

(обозначается j) — это фаза колебания в момент времени t = 0.

Если начальная фаза равна нулю j = 0, то в начальный момент времени t = 0 смещение тела равно нулю х = 0, т. е. тело находится в точке положения равновесия.

Фаза и начальная фаза измеряются в радианной мере угла.

Некоторые перечисленные характери­стики колебаний удобно показать на гра­фике зависимости смещения от фазы. Пусть у нас есть две системы тел, кото­рые совершают гармонические колебания с одинаковой амплитудой и частотой, но с разными начальными фазами: для пер­вой колебательной системы начальная фаза равна нулю:

a для второй системы начальная фаза от­лична от нуля

Пусть в данном случае аргументом функ­ции смещения будет фаза первой колеба­тельной системы j = wt. На рис. 103 по­казаны графики этих двух колебаний — две синусоиды.

Рассмотрим, как параметры колеба­ний связаны с геометрическими характе­ристиками графиков на рис. 103.

Для колебательного движения х₁(j), например в точке n, смещение х _n равно длине отрезка ND, фаза j _n равна длине отрезка фазовой оси ОD. Разность фаз между точками с одинаковым смеще­нием М и N, равная 2p, соответствует периоду колебания Т. Максимальное сме­щение равно амплитуде А.

На рис. 103 видно также, что синусои­да х₁(j) начинается в точке х₁= 0 (в точке положения равнове- сия) при j = 0, что соответствует начальному моменту времени t = 0. Синусоида х₂(j) приходит в положение х = 0 только через некоторое время, которому соответ- ствует отрезок фазовой оси ОС. Длина этого отрезка по модулю равна начальной фазе: ОС = j.

Если смещение точки при гармонических коле­баниях изменяется по закону сину­са (VI. 1), то скорость движения точки, которая совершает колебательное движение, изменяется по закону:

. ОТВЕТЬТЕ НА ВОПРОСЫ:

1. В чём различие периодического и колеба­тельного движений?

2. Что такое собственная частота колебаний?

3 Какими характеристиками полностью опре­деляется гармоническое колебание?

4. Что есть общего и различного в параметрах колебаний: а) смещение и амплитуда? б) ча­стота и циклическая частота? в) фаза и начальная фаза?

5. Как выразить фазу через период колеба­ний?

6. Как изменятся параметры гармонических колеба- ний, если уравнение (VI.1) записать не через синус, а через косинус?