Тиск рідин і газів. Закон Паскаля. Гідростатичний тиск.

1. Тиск рідин і газів. Закон Паскаля. Сполучені посудини. Манометри.

Тиск газів. Чому розтягується гумова плівка, з якої зроблена повітряна кулька, під час її надування? Відповідь зрозуміла: у кульку додають повітря. А чи можна повітряну кульку змусити збільшити об’єм без того, щоб її надувати?

Покладемо злегка надуту зав’язану повітряну кульку під ковпак повітряного насоса. Якщо з-під ковпака відкачувати повітря, то об’єм кульки почне збільшуватися. Спробуємо розібратися, чому так відбувається.

• Демонстрація. Надування кульки методом відкачування повітря з-під ковпака повітряного насоса (насос Комовського, скляний ковпак, гумова кулька)
• Відео. Тиск газу

Частинки газу, що рухаються в усіх напрямках, «бомбардують» ізсередини дно, стінки та кришку посудини і так створюють на них тиск. Зрозуміло, що сила удару однієї частинки дуже мала, проте частинок у газі надзвичайно багато. Таким чином, загальна сила, з якою вдаряє така величезна кількість частинок, є значною.

Частинки газу рухаються хаотично, і тому тиск, який вони створюють, не залежить від напрямку, адже кількість частинок, що рухаються в будь-якому напрямку, в середньому є однаковою.

Повернімося до надувної кульки. Повітря (газ) усередині й зовні кульки створює тиск відповідно на внутрішню і зовнішню поверхні гумової плівки. Якщо ці тиски є однаковими, то сила тиску зсередини і сила тиску ззовні кульки зрівноважують одна одну і гумова плівка не розтягується.

А от якщо тиск усередині кульки стає більшим від зовнішнього тиску, то кулька збільшує свій об’єм.

Гідростатичний тиск. В 1648 році французький вчений Блез Паскаль продемонстрував, що тиск рідини залежить від висоти її стовпа. За наказом Паскаля, міцну дубову бочку до країв наповенену водою наглухо закрили кришкою. В невеликий отвір в кришці закріпили кінець вертикальної скляної трубки такої довжини, що кінець її виявився на рівні другого поверху.

Вийшовши на балкон, Паскаль почав наповнювати трубку водою. Не встиг він вилити і 10 склянок, як бочка тріснула. Таким чином, Паскаль переконався, що сила, яка зруйнувала бочку, не залежить від кількості води в трубці. Вся справа у висоті стовпа води в трубці.

Тиск рідин, зумовлений силою тяжіння, називають гідростатичним.

Гідростатичний тиск на дно посудини розраховується за формулою:

• Демонстрація. Залежність гідростатичного тиску від висоти стовпа рідини (пластикова пляшка з трьома отворами на різній висоті, лійка, посудина з водою, посудина для зливання води)

Гідростатичний парадокс. Суть гідростатичного парадоксу полягає в тому, що тиск рідини не залежить від форми посудини. Це означає, що сила, з якою рідина тисне на дно посудини, не залежить від форми посудини, вона дорівнює вазі вертикального стовпа, основою якого є дно посудини, а висотою – висота стовпа рідини.

Доведемо це. Нехай досліджуваною “посудиною”  буде морська бухта з підводною печерою. Погляньте на малюнок. Здається, що тиск води в печері менший, ніж тиск у відкритому морі. Однак, якби це було так, то під дією більшого тиску вода з моря рухалася б до печери, і рівень води в морі став би знижуватися. Неймовірно, так? Отже, так як вода біля входу в печеру (і в морі також) залишається в спокої, це означає, що тиск води в печері дорівнює тиску води у відкритому морі.

Закон Паскаля та його застосування. Рідинам і газам притаманна властивість – передавати тиск, що створюється зовнішніми силами по всьому об’єму, кожній точці стінки чи дна посудини.

Поняття тиску характеризує пружні властивості газів і рідин.

• Демонстрація. Закон Паскаля (куля Паскаля, вода, дим, мильні бульбашки).

Бульбашка кругла, так як повітря всередині неї однаково тисне на всі її частини, поверхня бульбашки рівновіддалена від її центру.

Закон Паскаля: тиск, створюваний на рідину або газ зовнішніми силами, передається рідиною або газом однаково в усіх напрямках.  

Візьмемо трубку і легкий диск на нитці. За допомогою нитки притиснемо диск до нижнього кінця трубки. Зануримо трубку з притиснутим диском в склянку з водою. Дивно, та тепер диск не відпадає, навіть якщо нитку не натягувати. Це відбувається тому, що верхні шари води в склянці створюють тиск на нижні шари води.

• Демонстрація. Тиск верхніх шарів рідини на нижні (склянка з водою, скляна трубка з диском на нитці)
• Відео. Передача тиску рідиною і газом
• Відео. Дія сили тиску на тіло, занурене у рідину

Згідно закону Паскаля, тиск передається через цей прошарок і діє на диск знизу догори. Сила цього тиску і підтримує диск, притискує його до країв скляної трубки.

        Наллємо в трубку стільки підфарбованої води, щоб її рівень був нижчим за рівень води у склянці. Диск не відпадає. Доллємо підфарбованої води у трубку. Диск відпаде. Отже, тиск підфарбованої води на диск буде більшим за тиск знизу диску у склянці.

Властивість рідин і газів передавати тиск у всіх напрямках ми спостерігаємо в повсякденному житті, її широко використовують у техніці. Завдяки цій властивості ми можемо чути, адже повітря передає звук; працює наша серцево-судинна система. Незважаючи на те, що кровоносні судини мають велику кількість вигинів, тиск, створюваний серцем, передається в усі частини тіла.

На законі Паскаля ґрунтується дія систем гальмування багатьох транспортних засобів,  домкратів, насосів та інших гідравлічних машин.

а)  б)   в) 

Мал. а) Домкрат; б) поршневий рідинний насос; в) гідравлічний прес.

• Демонстрація. Пристрої, дія яких ґрунтується на законі Паскаля (домкрат, поршневий рідинний насос, гідравлічна машина)
• Відео. Закон Паскаля

Гідравлічними називаються пристрої (машини, механізми), дія яких ґрунтується на законах руху і рівноваги рідин. Дію гідравлічних машин можна пояснити на основі закону Паскаля. Будь-яка гідравлічна машина складається з двох заповнених рідиною резервуарів (циліндрів), що сполучаються один з одним.

Якщо на поверхню рідини у циліндрі І через поршень площею S1 подіяти з якоюсь силою, вона спричинить на рідину тиск. Цей тиск за законом Паскаля передаватиметься рідині у циліндрі II без зміни. Тиск у циліндрі II буде такий самий. Щоб рідина, була у стані рівноваги, на поршень II має діяти така сила, щоб створений нею тиск дорівнював:

         Виграш у силі за допомогою гідравлічної машини.  Якщо тиснути на поршень І із силою F1, він опуститься на висоту h1 і витіснить з циліндра І деякий об’єм рідини V1=h1 * S1. Причому, враховуючи нестисливість рідини, зокрема води, об’єм рідини під більшим поршнем II зросте на таке саме значення V2 = V1. і поршень II підніметься і на висоту h2 (V2=h2*S2) Звідси h1 * S1 = h2 * S2.

2. Запитання до уроку.

Запитання 46.1. Який тиск називають гідростатичним? Від який фізичних величин він залежить, а від яких не залежить? Відповідь обґрунтуйте.

Запитання 46.2. Як розраховується гідростатичний тиск на дно посудини? Як розрахувати гідростатичний тиск  рідини на стінки посудини?

Запитання 46.3. Сформулюйте закон Паскаля.

Запитання 46.4. Щоб усунути вм’ятину на тенісній кульці, її можна на деякий час занурити в гарячу воду. Що витисне зсередини увім’яту поверхню кульки?

Запитання 46.5. У пластикову пляшку з водою вставлено скляну трубку. Що відбудеться, якщо натиснути на пляшку (див. рисунок)?

До запитання 46.5.                         До запитання 46.6

Запитання 46.6. Чи однаковий тиск у точках 2-5 усередині підводної печери Петек (Туреччина) (див. рисунок)?

Запитання 46.7. Для чого, з’їжджаючи автомобілем з дороги на пухкий ґрунт, водії зменшують тиск у шинах?

Запитання 46.8. Що таке гідравлічна машина?

Запитання 46.9. Який виграш у силі дає гідравлічний прес?

3. Домашнє завдання.

Підручник: параграф 23, 24.

Письмове опитування: “Тиск твердих тіл, рідин і газів”.

4. Для допитливих.

1.  Гідростатичний тиск на стінки посудини. Гідростатичний тиск, що діє на стінки посудини лінійно змінюється від 0 (у верхній точці ) до максимального значення (у найнижчій точці).

Тому при розрахунках гідростатичного тиску на стінки посудини слід брати його середнє значення:

Яким повинен бути тиск у шинах автомобіля? Для тривалого терміну служби шин і для оптимальної витрати бензину двигуном дуже важливим фактором є рекомендований тиск в шинах автомобіля. Автомобілем буде складно керувати, якщо він буде підстрибувати на вибоїнах і ямах, а таке буде відбуватися, якщо тиск в шинах автомобіля буде перевищувати необхідні показники. Відбуватиметься це через те, що в колесах з перекачаними шинами покришка стає дуже твердою і через це поверхня зчеплення коліс з дорогою зменшується. На перекачаних колесах швидше стирається малюнок протектора, а також ви можете пошкодити покришки об камінь або вибоїну на дорозі. Але в перекачаних шинах є і плюси, одним з таких плюсів є те, що на таких шинах легше керувати кермом, а також підвищується стійкість автомобіля на поворотах, саме тому в шинах гоночних автомобілів на треку тиск в шинах вище звичайного.

Якщо ж тиск у колесах  автомобіля буде нижчим оптимального, то шини будуть зношуватися також набагато швидше і збільшиться витрата бензину автомобіля. Через те, що в шинах тиск дуже низький вони стають плоскими, зміниться кут нахилу колеса і послабиться внутрішня структура всього колеса. Опір кручення колеса буде збільшено за рахунок того, що низький тиск у шинах викличе підвищення внутрішньої температури коліс. Саме через це знос шин прискориться на 25%, а витрата палива буде збільшено до 5%, у порівнянні з оптимально накоченими шинами. Низький тиск в шинах зробить автомобіль менш стійким на поворотах, колеса його будуть гірше керуватися кермом, а це може привести до занесення на повороті, а також такий автомобіль буде мати більш довгий гальмівний шлях. Статистика показує, що близько 80% автомобілістів їздять на автомобілях з низьким тиском в шинах.

Різні моделі автомобілів мають різні оптимальні показники тиску в шинах. На дверцятах бардачка або на внутрішній стороні дверей автомобіля з боку водія зазвичай кріпиться стікер з рекомендованим тиском в шинах.

2.  Міряйте тиск – бережіть здоров’я! Кров’яний тиск — тиск, який кров надає на стінки кровоносних судин, або, інакше кажучи, перевищення тиску рідини в кровоносній системі над атмосферним тиском. Це один з найважливіших параметрів, що характеризує роботу кровоносної системи людини.

Питання виявлення осіб з підвищеним артеріальним тиском є надзвичайно актуальним. Адже щорічно понад півмільйона українців помирають від хвороб, спричинених артеріальною гіпертензією. Сьогодні це захворювання діагностують у 33% дорослого населення. Тобто, фактично кожна третя доросла людина має підвищений артеріальний тиск.

Артеріальною гіпертензією вважається підвищення артеріального тиску вище 140 мм рт.ст. за верхнім і вище 90 мм рт.cт.  за нижнім артеріальним тиском. На сьогоднішній день про наявність у них підвищеного тиску знають лише 62% населення, однак серед них лікуються лише 23%. Ефективність такого лікування не перевищує 8% серед жителів села і 19% серед жителів міста.

Високий артеріальний тиск був би не таким небезпечним, якби не ускладнення, які його супроводжують. У хворих з підвищеним артеріальним тиском у сім разів вища частота появи інсультів, у шість – серцевої недостатності, у чотири – ішемічної хвороби серця і у два рази частіше вражаються периферійні судини.

Перехід кисню з крові в тканини зумовлюється різницею тисків його в крові і тканинах.

3. Що таке кесонна хвороба? Вона проявляється, якщо швидко піднятися з глибини води. Тиск води різко зменшується і розчинене у крові повітря розширюється. Бульбашки повітря, що утворилися, перекривають кровоносні судини, заважають руху крові, і людина може загинути. Тому аквалангісти і ниряльщики спливають повільно, щоб кров встигала відносити бульбашки повітря до легень.