Fizika atmosferskog pritiska 7. Atmosferski pritisak. Tema: Pritisak čvrstih materija, tečnosti i gasova
Atmosfera - vazdušna ljuska Zemlje /visoka nekoliko hiljada kilometara/.
Izgubivši atmosferu, Zemlja bi postala mrtva kao i njen pratilac Mjesec, gdje naizmenično vladaju vrelina i ledena hladnoća - + 130 C danju i - 150 C noću.
Ovako izgleda sastav gasova u Zemljinoj atmosferi:
Prema Pascalovim proračunima, Zemljina atmosfera je teška koliko bi bila teška bakarna kugla prečnika 10 km - pet kvadriliona (5000000000000000) tona!
Zemljina površina i sva tijela na njoj doživljavaju pritisak od debljine zraka, tj. iskusiti atmosferski pritisak.
Eksperiment koji dokazuje postojanje atmosferskog pritiska:
Još jedno iskustvo:
Ako stavite čep na kraj šprica umjesto igle /za zatvaranje otvora/, a zatim izvučete klip stvarajući vakuum ispod, onda se nakon otpuštanja klipa čuje oštar puc i klip se povlači. To se događa zbog djelovanja vanjskog atmosferskog pritiska na klip.
KAKO JE OTKREN ATMOSFERSKI PRITISAK?
Zato zapamtite, vazduh ima težinu...
To se može potvrditi iskustvom. Nakon što smo ispumpali dio zraka iz lopte, vidjet ćemo da je postala lakša.
Prvi put je težina zraka zbunila ljude 1638. godine, kada je propala ideja vojvode od Toskane da ukrasi vrtove Firence fontanama - voda se nije podigla iznad 10,3 m.
Potraga za razlozima tvrdoglavosti vode i eksperimenti sa težom tečnošću - živom, preduzeti 1643. godine. Toričelija, doveo je do otkrića atmosferskog pritiska.
Torricelli je otkrio da visina stupca žive u njegovom eksperimentu ne zavisi ni od oblika cijevi ni od njenog nagiba. Na nivou mora, visina živinog stupa je uvijek bila oko 760 mm.
Naučnik je sugerisao da je visina stuba tečnosti uravnotežena vazdušnim pritiskom. Poznavajući visinu stuba i gustinu tečnosti, možete odrediti količinu atmosferskog pritiska.
Ispravnost Torricellijeve pretpostavke potvrđena je 1648. Pascalovo iskustvo na planini Pui de Dome. Pascal je dokazao da manji stup zraka vrši manji pritisak. Zbog Zemljine gravitacije i nedovoljne brzine, molekuli zraka ne mogu napustiti prostor blizu Zemlje. Međutim, oni ne padaju na površinu Zemlje, već lebde iznad nje, jer. su u kontinuiranom termičkom kretanju.
Zbog toplinskog kretanja i privlačenja molekula na Zemlju, njihova distribucija u atmosferi je neujednačena. Sa atmosferskom visinom od 2000-3000 km, 99% njegove mase je koncentrisano u donjem (do 30 km) sloju. Vazduh je, kao i drugi gasovi, visoko kompresibilni. Niži slojevi atmosfere, kao rezultat pritiska na njih iz gornjih slojeva, imaju veću gustinu vazduha.
Normalni atmosferski pritisak na nivou mora je u prosjeku 760 mm Hg = 1013 hPa.
Sa visinom, pritisak i gustina vazduha se smanjuju.
Na malim visinama, svakih 12 m uspona smanjuje se atmosferski pritisak za 1 mm Hg. Na velikim visinama ovaj obrazac je prekinut.
To se dešava zato što se visina vazdušnog stuba koji vrši pritisak opada kako raste. Osim toga, u gornjim slojevima atmosfere zrak je manje gust.
Ovako se mijenja temperatura zraka u Zemljinoj atmosferi:
ZANIMLJIVI FENOMENI
WOW
Ako se Zemljina atmosfera ne bi rotirala sa Zemljom oko svoje ose, tada bi na površini Zemlje nastali jaki uragani.
ŠTA BI SE DESILO NA ZEMLJI kada bi vazdušna atmosfera iznenada nestala?
Temperatura na Zemlji bila bi otprilike -170 °C, sve vodene površine bi se smrzle, a kopno bi bilo prekriveno ledenom korom.
Nastala bi potpuna tišina, jer zvuk ne putuje u praznini; nebo bi postalo crno, jer boja nebeskog svoda zavisi od vazduha; Ne bi bilo sumraka, zore, bijelih noći.
Treperenje zvijezda bi prestalo, a same zvijezde bi bile vidljive ne samo noću, već i danju (danju ih ne vidimo zbog raspršivanja sunčeve svjetlosti česticama zraka).
Životinje i biljke bi umrle.
Neke planete Solarni sistem takođe imaju atmosferu, ali njihov pritisak ne dozvoljava da osoba bude tamo bez svemirskog odela. Na Veneri, na primjer, atmosferski tlak je oko 100 atm, na Marsu - oko 0,006 atm. Zbog atmosferskog pritiska na svaki kvadratni centimetar našeg tijela djeluje sila od 10 N.
KAKO OSOBA NOSI RAZLIČITE VISINE IZNAD MORA?
ŠTA SE DESI SA OSOBAMA ako je izbace bez svemirskog odijela otvoreni prostor?
U američkom filmu Totalni opoziv (sa Arnoldom Švarcenegerom u glavnoj ulozi), kada se glavni likovi nađu izbačeni na površinu Marsa, oči im počnu da iskaču iz duplja, a tela im se nadimaju. Šta će se desiti sa osobom koja se nađe bez skafandera u svemiru bez vazduha (tačnije šta će se desiti sa njegovim telom - na kraju krajeva, ne može da diše). Pritisak gasa unutar tela će težiti da se „uravnoteži” sa spoljnim (nultim) pritiskom. Vrlo jednostavna ilustracija: šolje koje se daju pacijentu. Zrak u njima se zagrijava, što uzrokuje smanjenje gustine plina. Tegla se brzo nanosi na površinu i vidite kako se, kako se tegla i vazduh u njoj hlade, ljudsko telo na ovom mestu uvlači u teglu. Zamislite takvu teglu oko osobe...
Ali ovo nije jedini ``neprijatan'' proces. Kao što znate, osoba se sastoji od najmanje 75% vode. Tačka ključanja vode pri atmosferskom pritisku je 100 C. Tačka ključanja jako zavisi od pritiska: što je pritisak niži, to je niža tačka ključanja. ...Već pri pritisku od 0,4 atm. Tačka ključanja vode je 28,64 C, što je znatno niže od temperature ljudskog tijela. Stoga, na prvi pogled, prilikom ulaska u svemir, osoba će puknuti i "zakuhati" ... ali tijelo ne eksplodira. Činjenica je da ako zrak slobodno napušta pluća (i druge tjelesne šupljine), tada u tijelu postoji samo tekućina koja oslobađa mjehuriće plina, ali ne proključa odmah. Usput, kada dođe do smanjenja tlaka (recimo, na velikoj nadmorskoj visini), osoba umire, ali nije raskomadana. Sjetimo se naših mrtvih kosmonauta: 20 km je otprilike 1/10 atmosfere - praktički vakuum sa tačke gledišta koja nas zanima.
Iako... Prije 15-ak godina, na jednom od instituta u Akademgorodoku, pojavila se ideja da se isproba vakuumsko sušenje mesa. Veliki komad mesa stavljen je u vakuumsku komoru i počelo je oštro pumpanje. Komad je upravo eksplodirao. Nakon ovog eksperimenta, bilo je prilično teško sastrugati njegove rezultate sa zidova vakuumske komore.
Čovek sa i bez skija.
Čovjek s velikim poteškoćama hoda po rastresitom snijegu, duboko tone pri svakom koraku. Ali, nakon što je obukao skije, može hodati a da gotovo ne padne u njih. Zašto? Sa ili bez skija, osoba djeluje na snijeg istom silom koja je jednaka njegovoj težini. Međutim, djelovanje ove sile je u oba slučaja različito, jer je površina na koju osoba pritiska različita, sa skijama i bez skija. Skoro 20 puta veća od površine skija više površine tabani. Dakle, kada stoji na skijama, čovjek djeluje na svaki kvadratni centimetar snježne površine sa silom koja je 20 puta manja nego kada stoji na snijegu bez skija.
Učenik, koji dugmadima zakači novine na ploču, djeluje na svako dugme jednakom snagom. Međutim, dugme sa oštrijim krajem lakše će ući u drvo.
To znači da rezultat sile ne ovisi samo o njenom modulu, smjeru i točki primjene, već i o površini površine na koju se primjenjuje (okomito na koju djeluje).
Ovaj zaključak potvrđuju fizički eksperimenti.
Iskustvo Rezultat djelovanja date sile ovisi o tome koja sila djeluje na jediničnu površinu.
Morate zabiti eksere u uglove male ploče. Prvo postavite eksere zabijene u dasku na pijesak sa vrhovima prema gore i postavite uteg na dasku. U ovom slučaju, glave noktiju su samo malo utisnute u pijesak. Zatim okrenemo dasku i postavimo eksere na ivicu. U ovom slučaju, površina potpore je manja, a pod istom silom nokti zalaze znatno dublje u pijesak.
Iskustvo. Druga ilustracija.
Rezultat djelovanja ove sile ovisi o tome koja sila djeluje na svaku jedinicu površine.
U razmatranim primjerima sile su djelovale okomito na površinu tijela. Čovjekova težina bila je okomita na površinu snijega; sila koja djeluje na dugme je okomita na površinu ploče.
Količina jednaka omjeru sile koja djeluje okomito na površinu i površine ove površine naziva se tlak.
Da bi se odredio pritisak, sila koja djeluje okomito na površinu mora se podijeliti s površinom:
pritisak = sila / površina.
Označimo količine uključene u ovaj izraz: pritisak - str, sila koja djeluje na površinu je F i površina - S.
Tada dobijamo formulu:
p = F/S
Jasno je da će veća sila koja djeluje na istu površinu proizvesti veći pritisak.
Jedinicom pritiska uzima se pritisak koji stvara sila od 1 N koja djeluje na površinu površine 1 m2 okomito na ovu površinu..
Jedinica pritiska - newton per kvadratnom metru (1 N/m2). U čast francuskog naučnika Blaise Pascal zove se pascal ( Pa). dakle,
1 Pa = 1 N/m2.
Koriste se i druge jedinice pritiska: hektopaskal (hPa) I kilopascal (kPa).
1 kPa = 1000 Pa;
1 hPa = 100 Pa;
1 Pa = 0,001 kPa;
1 Pa = 0,01 hPa.
Zapišimo uslove zadatka i riješimo ga.
Dato : m = 45 kg, S = 300 cm 2; p = ?
U SI jedinicama: S = 0,03 m2
Rješenje:
str = F/S,
F = P,
P = g m,
P= 9,8 N · 45 kg ≈ 450 N,
str= 450/0,03 N/m2 = 15000 Pa = 15 kPa
"Odgovor": p = 15000 Pa = 15 kPa
Načini smanjenja i povećanja pritiska.
Teški traktor gusjeničar stvara pritisak na tlo od 40 - 50 kPa, odnosno samo 2 - 3 puta veći od pritiska dječaka od 45 kg. To se objašnjava činjenicom da se težina traktora raspoređuje na veću površinu zahvaljujući pogonu na gusjenici. I mi smo to utvrdili što je veća površina oslonca, manji pritisak stvara ista sila na ovu potporu .
U zavisnosti od toga da li je potreban nizak ili visok pritisak, površina potpore se povećava ili smanjuje. Na primjer, kako bi tlo izdržalo pritisak zgrade koja se podiže, povećava se površina donjeg dijela temelja.
Kamionske gume i šasije aviona napravljene su mnogo šire od putničkih guma. Gume automobila dizajniranih za vožnju po pustinjama su posebno široke.
Teška vozila, poput traktora, tenka ili močvarnog vozila, koja imaju veliku potpornu površinu gusjenica, prolaze kroz močvarna područja koja čovjek ne može proći.
S druge strane, sa malom površinom, može se stvoriti velika količina pritiska uz malu silu. Na primjer, kada pritisnemo dugme u dasku, na nju djelujemo silom od oko 50 N. Budući da je površina vrha gumba približno 1 mm 2, pritisak koji proizvodi jednak je:
p = 50 N / 0.000 001 m 2 = 50.000.000 Pa = 50.000 kPa.
Poređenja radi, ovaj pritisak je 1000 puta veći od pritiska koji vrši traktor gusjeničar na tlo. Možete pronaći još mnogo takvih primjera.
Oštrice reznih instrumenata i vrhovi instrumenata za pirsing (noževi, makaze, sekači, testere, igle itd.) posebno su naoštreni. Naoštrena ivica oštrog sečiva ima malu površinu, pa čak i mala sila stvara veliki pritisak, a ovim alatom je lako raditi.
Uređaji za rezanje i pirsing nalaze se i u živoj prirodi: to su zubi, kandže, kljunovi, šiljci itd. - svi su od tvrdog materijala, glatki i vrlo oštri.
Pritisak
Poznato je da se molekuli gasa kreću nasumično.
Već znamo da su gasovi, za razliku od čvrste materije i tečnosti, pune čitavu posudu u kojoj se nalaze. Na primjer, čelični cilindar za skladištenje plinova, zračnica automobilske gume ili lopta za odbojku. U tom slučaju plin vrši pritisak na stijenke, dno i poklopac cilindra, komore ili bilo kojeg drugog tijela u kojem se nalazi. Pritisak plina nastaje zbog drugih razloga osim pritiska čvrstog tijela na oslonac.
Poznato je da se molekuli gasa kreću nasumično. Dok se kreću, sudaraju se jedni sa drugima, kao i sa zidovima posude u kojoj se nalazi gas. U gasu ima mnogo molekula, pa je broj njihovih uticaja veoma velik. Na primjer, broj udaraca molekula zraka u prostoriji na površinu površine 1 cm 2 u 1 s izražava se kao dvadesettrocifreni broj. Iako je udarna sila pojedinog molekula mala, djelovanje svih molekula na stijenke posude je značajno – stvara pritisak plina.
dakle, pritisak plina na stijenke posude (i na tijelo smješteno u plin) uzrokovan je udarima molekula plina .
Razmotrite sljedeći eksperiment. Stavite gumenu loptu ispod zvona vazdušne pumpe. Sadrži malu količinu zraka i nepravilnog je oblika. Zatim ispumpavamo vazduh ispod zvona. Školjka lopte, oko koje se zrak sve više razrjeđuje, postepeno se naduvava i poprima oblik pravilne lopte.
Kako objasniti ovo iskustvo?
Za skladištenje i transport komprimovanog gasa koriste se specijalni izdržljivi čelični cilindri.
U našem eksperimentu, pokretne molekule plina neprekidno udaraju o zidove lopte iznutra i izvana. Kada se zrak ispumpava, broj molekula u zvonu oko školjke lopte se smanjuje. Ali unutar lopte njihov broj se ne mijenja. Stoga, broj udaraca molekula na vanjske zidove ljuske postaje manji od broja udaraca na unutrašnje zidove. Lopta se naduvava sve dok elastična sila njene gumene školjke ne postane jednaka sili pritiska gasa. Školjka lopte ima oblik lopte. Ovo pokazuje to gas pritiska na njegove zidove u svim pravcima podjednako. Drugim riječima, broj molekularnih udara po kvadratnom centimetru površine je isti u svim smjerovima. Isti pritisak u svim smjerovima karakterističan je za plin i posljedica je nasumičnog kretanja ogromnog broja molekula.
Pokušajmo smanjiti volumen plina, ali tako da njegova masa ostane nepromijenjena. To znači da će u svakom kubnom centimetru plina biti više molekula, gustina plina će se povećati. Tada će se povećati broj udara molekula na zidove, odnosno povećat će se pritisak plina. To se može potvrditi iskustvom.
Na slici A prikazuje staklenu cijev čiji je jedan kraj zatvoren tankim gumenim filmom. U cijev je umetnut klip. Kada se klip uvuče unutra, zapremina vazduha u cevi se smanjuje, odnosno gas se kompresuje. Gumeni film se savija prema van, što ukazuje da je pritisak vazduha u cevi povećan.
Naprotiv, kako se volumen iste mase plina povećava, broj molekula u svakom kubnom centimetru se smanjuje. To će smanjiti broj udaraca na zidove posude - tlak plina će postati manji. Zaista, kada se klip izvuče iz cijevi, volumen zraka se povećava i film se savija unutar posude. To ukazuje na smanjenje tlaka zraka u cijevi. Isti fenomen bi se uočio kada bi umjesto zraka u cijevi bio neki drugi plin.
dakle, kada se zapremina gasa smanjuje, njegov pritisak raste, a kada se povećava zapremina, pritisak se smanjuje, pod uslovom da masa i temperatura gasa ostanu nepromenjene.
Kako će se promijeniti pritisak gasa ako se zagreva konstantnom zapreminom? Poznato je da se brzina molekula gasa povećava kada se zagreju. Krećući se brže, molekuli će češće udarati o zidove posude. Osim toga, svaki udar molekula na zid će biti jači. Kao rezultat toga, zidovi posude će doživjeti veći pritisak.
dakle, Što je temperatura gasa viša, to je veći pritisak gasa u zatvorenoj posudi, pod uslovom da se masa i zapremina gasa ne menjaju.
Iz ovih eksperimenata generalno se može zaključiti da Pritisak plina raste što češće i jače molekuli udaraju o zidove posude .
Za skladištenje i transport plinova, oni su visoko komprimirani. Istovremeno, njihov pritisak raste, plinovi moraju biti zatvoreni u posebne, vrlo izdržljive cilindre. Takvi cilindri, na primjer, sadrže komprimirani zrak u podmornicama i kisik koji se koristi za zavarivanje metala. Naravno, uvijek moramo imati na umu da se plinske boce ne mogu zagrijati, posebno kada su napunjene plinom. Jer, kao što već razumijemo, može doći do eksplozije sa vrlo neugodnim posljedicama.
Pascalov zakon.
Pritisak se prenosi na svaku tačku u tečnosti ili gasu.
Pritisak klipa se prenosi na svaku tačku tečnosti koja ispunjava loptu.
Sada gas.
Za razliku od čvrstih tijela, pojedinačni slojevi i male čestice tekućine i plina mogu se slobodno kretati jedni u odnosu na druge u svim smjerovima. Dovoljno je, na primjer, lagano puhati po površini vode u čaši da se voda pomjeri. Na rijeci ili jezeru i najmanji povjetarac uzrokuje pojavu mreškanja.
Mobilnost čestica plina i tekućine to objašnjava pritisak koji se vrši na njih prenosi se ne samo u pravcu sile, već na svaku tačku. Razmotrimo ovaj fenomen detaljnije.
na slici, A prikazuje posudu koja sadrži gas (ili tečnost). Čestice su ravnomjerno raspoređene po cijeloj posudi. Posuda je zatvorena klipom koji se može kretati gore-dolje.
Primjenom određene sile, natjerat ćemo klip da se malo pomakne prema unutra i komprimirati plin (tečnost) koji se nalazi neposredno ispod njega. Tada će se čestice (molekule) nalaziti na ovom mjestu gušće nego prije (slika, b). Zbog pokretljivosti, čestice plina će se kretati u svim smjerovima. Kao rezultat toga, njihov raspored će ponovo postati ujednačen, ali gušći nego prije (slika c). Zbog toga će se pritisak plina posvuda povećati. To znači da se dodatni pritisak prenosi na sve čestice gasa ili tečnosti. Dakle, ako se pritisak na plin (tečnost) u blizini samog klipa poveća za 1 Pa, tada u svim tačkama unutra gas ili tečnost, pritisak će postati veći nego ranije za istu količinu. Pritisak na zidove posude, dno i klip će se povećati za 1 Pa.
Pritisak koji se vrši na tekućinu ili plin prenosi se na bilo koju tačku podjednako u svim smjerovima .
Ova izjava se zove Pascalov zakon.
Na osnovu Pascalovog zakona, lako je objasniti sljedeće eksperimente.
Na slici je šuplja lopta sa malim rupicama na raznim mjestima. Na kuglu je pričvršćena cijev u koju je umetnut klip. Ako kuglicu napunite vodom i gurnete klip u cijev, voda će iscuriti iz svih rupa na kugli. U ovom eksperimentu, klip pritiska površinu vode u cijevi. Čestice vode koje se nalaze ispod klipa, sabijajući se, prenose svoj pritisak na druge slojeve koji leže dublje. Tako se pritisak klipa prenosi na svaku tačku tečnosti koja ispunjava loptu. Kao rezultat toga, dio vode se istiskuje iz lopte u obliku identičnih potoka koji izlaze iz svih rupa.
Ako je lopta ispunjena dimom, onda kada se klip gurne u cijev, jednaki mlazovi dima će početi izlaziti iz svih rupa na lopti. Ovo potvrđuje to plinovi prenose pritisak koji se na njih vrši u svim smjerovima podjednako.
Pritisak u tečnosti i gasu.
Pod uticajem težine tečnosti, gumeno dno u cevi će se saviti.
Na tečnosti, kao i na sva tela na Zemlji, utiče gravitacija. Dakle, svaki sloj tečnosti uliven u posudu svojom težinom stvara pritisak koji se, prema Pascalovom zakonu, prenosi u svim pravcima. Zbog toga postoji pritisak unutar tečnosti. To se može potvrditi iskustvom.
Ulijte vodu u staklenu cijev, čija je donja rupa zatvorena tankim gumenim filmom. Pod uticajem težine tečnosti, dno cevi će se saviti.
Iskustvo pokazuje da što je veći stup vode iznad gumenog filma, to se više savija. Ali svaki put nakon što se gumeno dno savije, voda u cijevi dolazi u ravnotežu (zaustavlja se), budući da, osim sile gravitacije, na vodu djeluje i elastična sila istegnutog gumenog filma.
Sile koje djeluju na gumeni film su |
isti su sa obe strane. |
Ilustracija.
Dno se odmiče od cilindra zbog pritiska gravitacije na njega.
Cjevčicu sa gumenim dnom, u koju se sipa voda, spustimo u drugu, širu posudu sa vodom. Vidjet ćemo da se kako se cijev spušta, gumeni film postepeno ispravlja. Potpuno ispravljanje filma pokazuje da su sile koje na njega djeluju odozgo i odozdo jednake. Potpuno ispravljanje filma nastaje kada se nivoi vode u cijevi i posudi poklope.
Isti eksperiment se može izvesti s cijevi u kojoj gumeni film prekriva bočni otvor, kao što je prikazano na slici a. Uronimo ovu cev sa vodom u drugu posudu sa vodom, kao što je prikazano na slici, b. Primetićemo da će se film ponovo ispraviti čim se nivoi vode u cevi i posudi izjednače. To znači da su sile koje djeluju na gumeni film jednake sa svih strana.
Uzmimo posudu čije dno može otpasti. Stavimo ga u teglu vode. Dno će biti čvrsto pritisnuto uz ivicu posude i neće otpasti. Pritišće ga sila pritiska vode usmjerenog odozdo prema gore.
Pažljivo ćemo sipati vodu u posudu i paziti na njeno dno. Čim se nivo vode u posudi poklopi sa nivoom vode u tegli, ona će otpasti iz posude.
U trenutku odvajanja, stub tečnosti u posudi pritiska odozgo prema dole, a pritisak iz stuba tečnosti iste visine, ali koji se nalazi u tegli, prenosi se odozdo prema gore. Oba ova pritiska su ista, ali se dno odmiče od cilindra usled dejstva sopstvene gravitacije na njega.
Eksperimenti s vodom su opisani gore, ali ako umjesto vode uzmete bilo koju drugu tekućinu, rezultati eksperimenta će biti isti.
Dakle, eksperimenti to pokazuju Unutar tečnosti postoji pritisak, a na istom nivou je jednak u svim pravcima. Pritisak raste sa dubinom.
Gasovi se u tom pogledu ne razlikuju od tečnosti, jer imaju i težinu. Ali moramo zapamtiti da je gustina gasa stotine puta manja od gustine tečnosti. Težina gasa u posudi je mala, a njegov „težinski” pritisak u mnogim slučajevima se može zanemariti.
Proračun pritiska tečnosti na dnu i zidovima posude.
Proračun pritiska tečnosti na dnu i zidovima posude.
Hajde da razmotrimo kako možete izračunati pritisak tečnosti na dno i zidove posude. Najprije riješimo problem za posudu u obliku pravokutnog paralelepipeda.
Force F, kojom tečnost ulivena u ovu posudu pritiska na njeno dno, jednaka je težini P tečnost u posudi. Težina tečnosti se može odrediti poznavanjem njene mase m. Masa se, kao što znate, može izračunati pomoću formule: m = ρ·V. Količina tečnosti koja se sipa u posudu koju smo odabrali je lako izračunati. Ako je visina stupca tečnosti u posudi označena slovom h, i površina dna posude S, To V = S h.
Tečna masa m = ρ·V, ili m = ρ S h .
Težina ove tečnosti P = g m, ili P = g ρ S h.
Pošto je težina stuba tečnosti jednaka sili kojom tečnost pritiska dno posude, onda dijeljenjem težine P Na trg S, dobijamo pritisak tečnosti str:
p = P/S, ili p = g·ρ·S·h/S,
Dobili smo formulu za izračunavanje pritiska tečnosti na dnu posude. Iz ove formule je jasno da pritisak tečnosti na dnu posude zavisi samo od gustine i visine stuba tečnosti.
Stoga, koristeći izvedenu formulu, možete izračunati pritisak tekućine koja se sipa u posudu bilo kojeg oblika(strogo govoreći, naš proračun je prikladan samo za posude koje imaju oblik ravne prizme i cilindra. Na kursevima fizike za institut je dokazano da formula vrijedi i za posudu proizvoljnog oblika). Osim toga, može se koristiti za izračunavanje pritiska na zidove posude. Pritisak unutar tečnosti, uključujući pritisak odozdo prema gore, takođe se izračunava pomoću ove formule, jer je pritisak na istoj dubini isti u svim pravcima.
Prilikom izračunavanja pritiska koristite formulu p = gρh potrebna vam je gustina ρ izraženo u kilogramima po kubnom metru (kg/m3), i visinu stuba tečnosti h- u metrima (m), g= 9,8 N/kg, tada će pritisak biti izražen u paskalima (Pa).
Primjer. Odredite pritisak ulja na dnu rezervoara ako je visina stuba ulja 10 m, a njegova gustina 800 kg/m3.
Zapišimo stanje problema i zapišemo ga.
Dato :
ρ = 800 kg/m 3
Rješenje :
p = 9,8 N/kg · 800 kg/m 3 · 10 m ≈ 80.000 Pa ≈ 80 kPa.
Odgovori : p ≈ 80 kPa.
Plovila za komunikaciju.
Plovila za komunikaciju.
Na slici su prikazane dvije posude međusobno povezane gumenom cijevi. Takve posude se nazivaju komuniciranje. Kanta za zalijevanje, čajnik, lonac za kafu primjeri su komunikacijskih posuda. Iz iskustva znamo da je voda ulivena, na primjer, u kantu za zalijevanje uvijek na istom nivou u izljevu i unutra.
Često se susrećemo sa komunikacionim plovilima. Na primjer, to može biti čajnik, kantica za zalivanje ili lonac za kafu. |
Površine homogene tekućine postavljene su na istoj razini u spojnim posudama bilo kojeg oblika. |
Tečnosti različite gustine. |
Sljedeći jednostavan eksperiment se može izvesti sa komunikacijskim posudama. Na početku eksperimenta u sredini stegnemo gumenu cijev i sipamo vodu u jednu od cijevi. Zatim otvaramo stezaljku i voda trenutno teče u drugu cijev sve dok površine vode u obje cijevi ne budu na istom nivou. Možete postaviti jednu od slušalica na stativ, a drugu podići, spustiti ili nagnuti različite strane. I u ovom slučaju, čim se tečnost smiri, njeni nivoi u obe epruvete će se izjednačiti.
U spojnim posudama bilo kojeg oblika i poprečnog presjeka, površine homogene tekućine postavljene su na istu razinu(pod uslovom da je pritisak vazduha iznad tečnosti isti) (Sl. 109).
Ovo se može opravdati na sljedeći način. Tečnost miruje bez prelaska iz jedne posude u drugu. To znači da je pritisak u obe posude na bilo kom nivou isti. Tečnost u obe posude je ista, odnosno ima istu gustinu. Stoga njegove visine moraju biti iste. Kada podignemo jednu posudu ili dodamo tečnost u nju, pritisak u njoj se povećava i tečnost prelazi u drugu posudu dok se pritisci ne izjednače.
Ako se tečnost jedne gustine ulije u jednu od komunikacijskih posuda, a tečnost druge gustine ulije u drugu, tada u ravnoteži nivoi ovih tečnosti neće biti isti. I ovo je razumljivo. Znamo da je pritisak tečnosti na dnu posude direktno proporcionalan visini stuba i gustini tečnosti. I u ovom slučaju, gustine tečnosti će biti različite.
Ako su pritisci jednaki, visina stuba tečnosti veće gustine biće manja od visine stuba tečnosti manje gustine (sl.).
Iskustvo. Kako odrediti masu vazduha.
Težina vazduha. Atmosferski pritisak.
Postojanje atmosferskog pritiska.
Atmosferski pritisak je veći od pritiska razrijeđenog zraka u posudi.
Na zrak, kao i na svako tijelo na Zemlji, utječe gravitacija, te stoga zrak ima težinu. Težina zraka je lako izračunati ako znate njegovu masu.
Eksperimentalno ćemo vam pokazati kako izračunati masu zraka. Da biste to učinili, trebate uzeti izdržljivu staklenu kuglu sa čepom i gumenu cijev sa stezaljkom. Ispumpajmo zrak iz njega, stegnimo cijev stezaljkom i izbalansirajmo je na vagi. Zatim, otvarajući stezaljku na gumenoj cijevi, pustite zrak u nju. Ovo će poremetiti ravnotežu vage. Da biste ga obnovili, morat ćete staviti utege na drugu posudu vage, čija će masa biti jednaka masi zraka u volumenu lopte.
Eksperimentima je utvrđeno da je pri temperaturi od 0 °C i normalnom atmosferskom pritisku masa zraka zapremine 1 m 3 jednaka 1,29 kg. Težina ovog zraka je lako izračunati:
P = g m, P = 9,8 N/kg 1,29 kg ≈ 13 N.
Zove se zračna školjka koja okružuje Zemlju atmosfera (iz grčkog atmos- para, vazduh i sfera- lopta).
Atmosfera prikazana posmatranjima leta umjetni sateliti Zemlja se prostire na visini od nekoliko hiljada kilometara.
Zbog gravitacije, gornji slojevi atmosfere, poput okeanske vode, sabijaju donje slojeve. Vazdušni sloj koji se nalazi neposredno uz Zemlju je najviše komprimovan i, prema Pascalovom zakonu, prenosi pritisak koji se na njega vrši u svim pravcima.
Kao rezultat toga, Zemljina površina i tijela koja se na njoj nalaze doživljavaju pritisak iz cijele debljine zraka, ili, kako se obično kaže u takvim slučajevima, doživljavaju Atmosferski pritisak .
Postojanje atmosferskog pritiska može objasniti mnoge pojave sa kojima se susrećemo u životu. Pogledajmo neke od njih.
Na slici je prikazana staklena cijev unutar koje se nalazi klip koji čvrsto prianja uz stijenke cijevi. Kraj cijevi se spušta u vodu. Ako podignete klip, voda će se dići iza njega.
Ovaj fenomen se koristi u pumpama za vodu i nekim drugim uređajima.
Na slici je prikazana cilindrična posuda. Zatvara se čepom u koji je umetnuta cijev sa slavinom. Vazduh se ispumpava iz posude pomoću pumpe. Kraj cijevi se zatim stavlja u vodu. Ako sada otvorite slavinu, voda će prskati poput fontane u unutrašnjost posude. Voda ulazi u posudu jer je atmosferski pritisak veći od pritiska razrijeđenog zraka u posudi.
Zašto postoji Zemljin vazdušni omotač?
Kao i sva tijela, molekuli plina koji čine Zemljin zračni omotač privlače se Zemlji.
Ali zašto onda svi ne padnu na površinu Zemlje? Kako se čuva vazdušni omotač Zemlje i njena atmosfera? Da bismo ovo razumjeli, moramo uzeti u obzir da su molekuli plina u neprekidnom i nasumičnom kretanju. Ali onda se postavlja drugo pitanje: zašto ti molekuli ne odlete u svemir, odnosno u svemir.
Da bi potpuno napustio Zemlju, molekul, kao svemirski brod ili raketa, mora imati vrlo veliku brzinu (ne manje od 11,2 km/s). Ovo je tzv druga brzina bijega. Brzina većine molekula u Zemljinoj zračnoj ljusci je znatno manja od ove brzine bijega. Stoga je većina njih vezana za Zemlju gravitacijom, samo zanemarljiv broj molekula leti izvan Zemlje u svemir.
Nasumično kretanje molekula i djelovanje gravitacije na njih rezultiraju da molekuli plina "lebde" u svemiru u blizini Zemlje, formirajući zračni omotač, odnosno nama poznatu atmosferu.
Mjerenja pokazuju da se gustina zraka brzo smanjuje s visinom. Dakle, na visini od 5,5 km iznad Zemlje, gustina vazduha je 2 puta manja od njegove gustine na površini Zemlje, na visini od 11 km - 4 puta manja, itd. Što je veća, to je ređa zrak. I konačno, u najvišim slojevima (stotine i hiljade kilometara iznad Zemlje), atmosfera se postepeno pretvara u prostor bez vazduha. Zemljin vazdušni omotač nema jasne granice.
Strogo govoreći, zbog djelovanja gravitacije, gustina plina u bilo kojoj zatvorenoj posudi nije ista u cijelom volumenu posude. Na dnu posude je gustina gasa veća nego u njenim gornjim delovima, pa pritisak u posudi nije isti. Veći je na dnu posude nego na vrhu. Međutim, za plin koji se nalazi u posudi, ova razlika u gustoći i tlaku je toliko mala da se u mnogim slučajevima može potpuno zanemariti, samo se zna o njoj. Ali za atmosferu koja se proteže na nekoliko hiljada kilometara, ova razlika je značajna.
Mjerenje atmosferskog pritiska. Torricellijevo iskustvo.
Nemoguće je izračunati atmosferski pritisak koristeći formulu za izračunavanje pritiska stuba tečnosti (§ 38). Za takav proračun morate znati visinu atmosfere i gustinu zraka. Ali atmosfera nema određene granice, a gustoća zraka na različitim visinama je različita. Međutim, atmosferski pritisak se može izmeriti pomoću eksperimenta koji je u 17. veku predložio italijanski naučnik Evangelista Torricelli , Galilejev učenik.
Torricellijev eksperiment se sastoji od sljedećeg: staklena cijev dužine oko 1 m, zatvorena na jednom kraju, napunjena je živom. Zatim se, čvrsto zatvarajući drugi kraj cijevi, okreće i spušta u čašu sa živom, gdje se ovaj kraj cijevi otvara ispod nivoa žive. Kao iu svakom eksperimentu s tekućinom, dio žive se sipa u čašu, a dio ostaje u cijevi. Visina kolone žive koja ostaje u cijevi je približno 760 mm. Iznad žive unutar cevi nema vazduha, postoji prostor bez vazduha, tako da nijedan gas ne vrši pritisak odozgo na stub žive unutar ove cevi i ne utiče na merenja.
Torricelli, koji je predložio gore opisani eksperiment, također je dao svoje objašnjenje. Atmosfera pritišće površinu žive u čaši. Merkur je u ravnoteži. To znači da je pritisak u cijevi na nivou ahh 1 (vidi sliku) je jednako atmosferskom pritisku. Kada se atmosferski tlak promijeni, mijenja se i visina stupca žive u cijevi. Kako pritisak raste, kolona se produžava. Kako pritisak opada, stub žive smanjuje svoju visinu.
Pritisak u cijevi na nivou aa1 stvara se težinom živinog stupca u cijevi, jer iznad žive u gornjem dijelu cijevi nema zraka. Iz toga slijedi atmosferski pritisak je jednak pritisku kolone žive u cevi , tj.
str atm = strživa
Što je veći atmosferski pritisak, to je veći stub žive u Torricellijevom eksperimentu. Stoga se u praksi atmosferski pritisak može mjeriti visinom živinog stupa (u milimetrima ili centimetrima). Ako je, na primjer, atmosferski pritisak 780 mm Hg. Art. (kažu "milimetri žive"), to znači da vazduh proizvodi isti pritisak kao vertikalni stub žive visine 780 mm.
Stoga je u ovom slučaju mjerna jedinica za atmosferski pritisak 1 milimetar žive (1 mm Hg). Hajde da pronađemo odnos između ove jedinice i jedinice koja nam je poznata - pascal(Pa).
Pritisak živinog stuba ρ visine 1 mm jednak je:
str = g·ρ·h, str= 9,8 N/kg · 13,600 kg/m 3 · 0,001 m ≈ 133,3 Pa.
Dakle, 1 mmHg. Art. = 133,3 Pa.
Trenutno se atmosferski pritisak obično mjeri u hektopaskalima (1 hPa = 100 Pa). Na primjer, vremenski izvještaji mogu objaviti da je pritisak 1013 hPa, što je isto kao 760 mmHg. Art.
Posmatrajući svaki dan visinu stuba žive u cijevi, Torricelli je otkrio da se ta visina mijenja, odnosno da atmosferski tlak nije konstantan, može se povećavati i smanjivati. Toričeli je takođe primetio da je atmosferski pritisak povezan sa promenama vremena.
Ako pričvrstite okomitu vagu na cijev sa živom koja je korištena u Torricellijevom eksperimentu, dobit ćete najjednostavniji uređaj - živin barometar (iz grčkog baros- težina, metreo- mjerim). Koristi se za mjerenje atmosferskog tlaka.
Barometar - aneroid.
U praksi se za mjerenje atmosferskog tlaka koristi metalni barometar koji se naziva metalni barometar. aneroid (prevedeno sa grčkog - aneroid). Barometar se tako zove jer ne sadrži živu.
Izgled aneroida je prikazan na slici. Njegov glavni dio je metalna kutija 1 s valovitom (rebrastom) površinom (vidi drugu sliku). Vazduh se ispumpava iz ove kutije, a da bi se sprečilo da atmosferski pritisak zgnječi kutiju, njen poklopac 2 se povlači oprugom prema gore. Kako se atmosferski tlak povećava, poklopac se savija i zateže oprugu. Kako pritisak opada, opruga ispravlja poklopac. Indikatorska strelica 4 je pričvršćena na oprugu pomoću mehanizma prijenosa 3, koji se pomiče udesno ili ulijevo kada se pritisak promijeni. Ispod strelice se nalazi skala čije su podjele označene prema očitanjima živinog barometra. Dakle, broj 750, naspram kojeg stoji aneroidna igla (vidi sliku), pokazuje da je u ovom trenutku u živinom barometru visina živinog stuba 750 mm.
Dakle, atmosferski pritisak je 750 mmHg. Art. ili ≈ 1000 hPa.
Vrijednost atmosferskog tlaka je veoma važna za predviđanje vremena za naredne dane, jer su promjene atmosferskog tlaka povezane s promjenama vremena. Barometar je neophodan instrument za meteorološka posmatranja.
Atmosferski pritisak na različitim visinama.
U tečnosti pritisak, kao što znamo, zavisi od gustine tečnosti i visine njenog stuba. Zbog niske kompresibilnosti, gustina tečnosti na različitim dubinama je skoro ista. Stoga, pri izračunavanju pritiska, smatramo njegovu gustinu konstantnom i uzimamo u obzir samo promjenu visine.
Situacija sa gasovima je komplikovanija. Gasovi su visoko kompresibilni. I što se gas više kompresuje, veća je njegova gustina i veći je pritisak koji proizvodi. Na kraju krajeva, pritisak plina nastaje udarima njegovih molekula na površinu tijela.
Slojevi zraka na površini Zemlje su komprimirani od strane svih gornjih slojeva zraka koji se nalaze iznad njih. Ali što je sloj zraka viši od površine, to je slabiji sabijen, manja je njegova gustina. Dakle, proizvodi manji pritisak. ako npr. balon raste iznad površine Zemlje, pritisak vazduha na loptu postaje manji. To se dešava ne samo zato što se visina vazdušnog stuba iznad njega smanjuje, već i zato što se smanjuje gustina vazduha. Na vrhu je manji nego na dnu. Zbog toga je zavisnost vazdušnog pritiska od nadmorske visine složenija od zavisnosti tečnosti.
Zapažanja pokazuju da je atmosferski pritisak u područjima na nivou mora u prosjeku 760 mm Hg. Art.
Atmosferski pritisak jednak pritisku stuba živine visine 760 mm na temperaturi od 0°C naziva se normalni atmosferski pritisak.
Normalan atmosferski pritisak iznosi 101.300 Pa = 1013 hPa.
Što je veća visina iznad nivoa mora, to je niži pritisak.
Kod malih uspona, u prosjeku, na svakih 12 m uspona, pritisak se smanjuje za 1 mmHg. Art. (ili za 1,33 hPa).
Poznavajući ovisnost tlaka o nadmorskoj visini, možete odrediti nadmorsku visinu promjenom očitavanja barometra. Aneroidi koji imaju skalu pomoću koje se može direktno izmjeriti visina iznad nivoa mora nazivaju se visinomeri . Koriste se u avijaciji i planinarenju.
Manometri.
Već znamo da se barometri koriste za mjerenje atmosferskog tlaka. Za mjerenje pritisaka veći ili manji od atmosferskog pritiska se koristi manometri (iz grčkog manos- rijedak, labav, metreo- mjerim). Postoje manometri tečnost I metal.
|
|
Pogledajmo prvo uređaj i radnju. otvoreni manometar tečnosti. Sastoji se od dvokrake staklene cijevi u koju se ulijeva neka tekućina. Tečnost je ugrađena u oba koljena na istom nivou, jer na njenu površinu u koljenima posuda deluje samo atmosferski pritisak.
Da biste razumjeli kako takav mjerač tlaka radi, može se spojiti gumenom cijevi na okruglu ravnu kutiju, čija je jedna strana prekrivena gumenim filmom. Ako prstom pritisnete film, nivo tekućine u koljenu manometra spojenog na kutiju će se smanjiti, au drugom koljenu će se povećati. Šta ovo objašnjava?
Pritiskom na film povećava se pritisak zraka u kutiji. Prema Pascalovom zakonu, ovo povećanje pritiska prenosi se i na tečnost u koljenu manometra koji je povezan sa kutijom. Zbog toga će pritisak na tečnost u ovom laktu biti veći nego u drugom, gde na tečnost deluje samo atmosferski pritisak. Pod silom ovog viška pritiska, tečnost će početi da se kreće. U laktu sa komprimovanim vazduhom tečnost će pasti, u drugom će se podići. Fluid će doći u ravnotežu (zaustaviti) kada se višak pritiska komprimovanog vazduha izbalansira pritiskom koji proizvodi višak kolone tečnosti u drugoj kraci manometra.
Što jače pritisnete film, što je veći stupac viška tečnosti, to je veći njegov pritisak. dakle, promena pritiska može se proceniti po visini ovog viška stuba.
Slika pokazuje kako takav manometar može mjeriti pritisak unutar tečnosti. Što je cijev dublje uronjena u tečnost, to je veća razlika u visini stubova tečnosti u koljenima merača pritiska., dakle, i tečnost stvara veći pritisak.
Ako ugradite kutiju uređaja na neku dubinu unutar tekućine i okrenete je s folijom prema gore, bočno i dolje, očitanja manometra se neće promijeniti. Tako i treba da bude, jer na istom nivou unutar tečnosti, pritisak je jednak u svim pravcima.
Slika pokazuje metalni manometar . Glavni dio takvog manometra je metalna cijev savijena u cijev 1 , čiji je jedan kraj zatvoren. Drugi kraj cijevi pomoću slavine 4 komunicira sa posudom u kojoj se mjeri pritisak. Kako se pritisak povećava, cijev se savija. Pomicanje njegovog zatvorenog kraja pomoću poluge 5 i nazubljenosti 3 prenosi se na strelicu 2 , krećući se u blizini skale instrumenta. Kada se pritisak smanji, cijev se zbog svoje elastičnosti vraća u prethodni položaj, a strelica se vraća na nultu podelu skale.
Klipna pumpa za tečnost.
U eksperimentu koji smo ranije razmatrali (§ 40) ustanovljeno je da se voda u staklenoj cijevi pod utjecajem atmosferskog tlaka digla naviše iza klipa. Na tome se zasniva akcija. klip pumpe
Pumpa je šematski prikazana na slici. Sastoji se od cilindra unutar kojeg se klip kreće gore-dolje, čvrsto uz zidove posude. 1 . Ventili su ugrađeni na dnu cilindra iu samom klipu 2 , otvaranje samo prema gore. Kada se klip kreće prema gore, voda pod utjecajem atmosferskog tlaka ulazi u cijev, podiže donji ventil i kreće se iza klipa.
Kako se klip kreće prema dolje, voda ispod klipa pritiska donji ventil i on se zatvara. Istovremeno, pod pritiskom vode otvara se ventil unutar klipa i voda teče u prostor iznad klipa. Sljedeći put kada se klip pomakne prema gore, voda iznad njega se također diže i izlijeva se u izlaznu cijev. Istovremeno, iza klipa se diže novi dio vode, koji će se, kada se klip naknadno spusti, pojaviti iznad njega, a cijeli se postupak ponavlja iznova i iznova dok pumpa radi.
Hidraulična presa.
Pascalov zakon objašnjava radnju hidraulična mašina (iz grčkog hidraulika- voda). To su mašine čiji se rad zasniva na zakonima kretanja i ravnoteže fluida.
Glavni dio hidraulične mašine su dva cilindra različitih promjera, opremljena klipovima i spojnom cijevi. Prostor ispod klipova i cijevi ispunjeni su tekućinom (obično mineralnim uljem). Visine stubova tečnosti u oba cilindra su iste sve dok na klipove ne deluju sile.
Pretpostavimo sada da su sile F 1 i F 2 - sile koje djeluju na klipove, S 1 i S 2 - klipna područja. Pritisak ispod prvog (malog) klipa je jednak str 1 = F 1 / S 1, a ispod drugog (veliki) str 2 = F 2 / S 2. Prema Pascalovom zakonu, fluid u mirovanju prenosi pritisak podjednako u svim pravcima, tj. str 1 = str 2 ili F 1 / S 1 = F 2 / S 2, od:
F 2 / F 1 = S 2 / S 1 .
Dakle, snaga F 2 toliko puta više snage F 1 , Koliko je puta površina velikog klipa veća od površine malog klipa?. Na primjer, ako je površina velikog klipa 500 cm2, a malog 5 cm2, a na mali klip djeluje sila od 100 N, tada će sila 100 puta veća, odnosno 10.000 N. djeluje na veći klip.
Tako je uz pomoć hidraulične mašine moguće uravnotežiti veću silu sa malom silom.
Stav F 1 / F 2 pokazuje povećanje snage. Na primjer, u datom primjeru, dobitak u snazi je 10.000 N / 100 N = 100.
Zove se hidraulična mašina koja se koristi za presovanje (stiskanje). hidraulična presa .
Hidraulične prese se koriste tamo gde je potrebna veća sila. Na primjer, za cijeđenje ulja iz sjemena u uljarama, za presovanje šperploče, kartona, sijena. U metalurškim postrojenjima hidraulične prese se koriste za izradu čeličnih osovina mašina, željezničkih kotača i mnogih drugih proizvoda. Moderne hidraulične prese mogu razviti sile od desetina i stotina miliona njutna.
Struktura hidraulične preše je shematski prikazana na slici. Presovano tijelo 1 (A) postavlja se na platformu spojenu na veliki klip 2 (B). Uz pomoć malog klipa 3 (D) stvara se visok pritisak na tečnost. Ovaj pritisak se prenosi na svaku tačku tečnosti koja puni cilindre. Dakle, isti pritisak djeluje i na drugi, veći klip. Ali budući da je površina 2. (velikog) klipa veća od površine malog, sila koja djeluje na njega bit će veća od sile koja djeluje na klip 3 (D). Pod uticajem ove sile klip 2 (B) će se podići. Kada se klip 2 (B) podigne, tijelo (A) se naslanja na stacionarnu gornju platformu i stisnuto je. Manometar 4 (M) mjeri pritisak fluida. Sigurnosni ventil 5 (P) se automatski otvara kada pritisak tečnosti pređe dozvoljenu vrednost.
Iz malog cilindra u veliki, tečnost se pumpa uzastopnim pokretima malog klipa 3 (D). To se radi na sljedeći način. Kada se mali klip (D) podigne, otvara se ventil 6 (K) i tečnost se usisava u prostor ispod klipa. Kada se mali klip spusti pod uticajem pritiska tečnosti, ventil 6 (K) se zatvara, a ventil 7 (K") se otvara i tečnost teče u veliku posudu.
Utjecaj vode i plina na tijelo uronjeno u njih.
Pod vodom lako možemo podići kamen koji je teško podići u zrak. Ako stavite čep pod vodu i pustite ga iz ruku, isplivat će. Kako se ovi fenomeni mogu objasniti?
Znamo (§ 38) da tečnost pritiska dno i zidove posude. A ako se neko čvrsto tijelo stavi u tečnost, ono će takođe biti podvrgnuto pritisku, baš kao i zidovi posude.
Razmotrimo sile koje djeluju iz tekućine na tijelo uronjeno u nju. Da bismo lakše zaključili, izaberimo tijelo koje ima oblik paralelepipeda s osnovama paralelnim s površinom tekućine (Sl.). Sile koje djeluju na bočne strane tijela jednake su u parovima i uravnotežuju jedna drugu. Pod uticajem ovih sila telo se skuplja. Ali sile koje djeluju na gornju i donju ivicu tijela nisu iste. Gornja ivica je pritisnuta silom odozgo F 1 stupac tečnosti visok h 1 . Na nivou donje ivice, pritisak stvara stub tečnosti sa visinom h 2. Ovaj pritisak, kao što znamo (§ 37), prenosi se unutar tečnosti u svim pravcima. Posljedično, na donjem dijelu tijela odozdo prema gore sa silom F 2 visoko pritiska stupac tečnosti h 2. Ali h Još 2 h 1, dakle, modul sile F Još 2 modula napajanja F 1 . Stoga se tijelo silom istiskuje iz tekućine F Vt, jednako razlici sila F 2 - F 1, tj.
|
|
Ali S·h = V, gde je V zapremina paralelepipeda, a ρ f ·V = m f masa tečnosti u zapremini paralelepipeda. dakle, F out = g m w = P w, tj. sila uzgona jednaka je težini tečnosti u zapremini tela uronjenog u nju(sila uzgona jednaka je težini tečnosti iste zapremine kao i zapremina tela uronjenog u nju). Postojanje sile koja gura tijelo iz tekućine lako je eksperimentalno otkriti. Na slici A prikazuje tijelo okačeno na oprugu sa strelicom na kraju. Strelica označava napetost opruge na stativu. Kada se tijelo pusti u vodu, opruga se skuplja (sl. b). Ista kontrakcija opruge će se postići ako na tijelo djelujete odozdo prema gore uz određenu silu, na primjer, pritisnete rukom (podizanje). Dakle, iskustvo to potvrđuje na telo u tečnosti deluje sila koja telo gura iz tečnosti. Kao što znamo, Pascalov zakon važi i za gasove. Zbog toga tijela u plinu podliježu sili koja ih potiskuje iz gasa. Pod uticajem ove sile, baloni se dižu prema gore. Eksperimentalno se može posmatrati i postojanje sile koja gura telo iz gasa. Staklenu kuglu ili veliku tikvicu zatvorenu čepom okačimo na skraćenu posudu za vagu. Vaga je izbalansirana. Zatim se ispod tikvice (ili kugle) stavlja široka posuda tako da okružuje cijelu tikvicu. Posuda je napunjena ugljičnim dioksidom čija je gustina veća od gustine vazduha (dakle ugljen-dioksid pada i ispunjava posudu, istiskujući vazduh iz nje). U tom slučaju je poremećena ravnoteža vage. Čaša sa okačenom tikvicom se diže prema gore (sl.). Boca uronjena u ugljični dioksid doživljava veću silu uzgona od sile koja na nju djeluje u zraku. Sila koja gura tijelo iz tekućine ili plina usmjerena je suprotno sili gravitacije koja se primjenjuje na ovo tijelo. Dakle, prolkosmos). Upravo zbog toga u vodi ponekad lako podižemo tijela koja teško držimo u zraku. Mala kanta i cilindrično tijelo su okačeni na oprugu (sl., a). Strelica na stativu označava istezanje opruge. Pokazuje težinu tijela u zraku. Nakon podizanja tijela, ispod njega se postavlja posuda za livenje napunjena tekućinom do nivoa cijevi za livenje. Nakon čega je tijelo potpuno uronjeno u tekućinu (sl., b). Gde izlije se dio tečnosti, čija je zapremina jednaka zapremini tela iz posude za točenje u čašu. Opruga se skuplja i pokazivač opruge se podiže, što ukazuje na smanjenje tjelesne težine u tekućini. U ovom slučaju, osim gravitacije, na tijelo djeluje još jedna sila koja ga gura iz tekućine. Ako se tečnost iz čaše ulije u gornju kantu (tj. tečnost koju je tijelo istisnulo), pokazivač opruge će se vratiti u početni položaj (sl., c).
Na osnovu ovog iskustva može se zaključiti da sila koja gura tijelo potpuno uronjeno u tečnost jednaka je težini tečnosti u zapremini ovog tela . Isti zaključak smo dobili u § 48. Kada bi se sličan eksperiment izvršio s tijelom uronjenim u neki plin, to bi pokazalo sila koja potiskuje telo iz gasa je takođe jednaka težini gasa uzetog u zapreminu tela . Sila koja gura tijelo iz tečnosti ili gasa naziva se Arhimedova sila, u čast naučnika Arhimed , koji je prvi ukazao na njegovo postojanje i izračunao njegovu vrijednost. Dakle, iskustvo je potvrdilo da je Arhimedova (ili uzgonska) sila jednaka težini tečnosti u zapremini tela, tj. F A = P f = g m i. Masa tečnosti mf koju je istisnulo telo može se izraziti kroz njegovu gustinu ρf i zapreminu tela Vt uronjenog u tečnost (pošto je Vf - zapremina tečnosti koju je istisnulo telo jednaka Vt - zapremina tela uronjenog u tečnosti), tj. m f = ρ f ·V t. F A= g·ρ i · V T Shodno tome, Arhimedova sila zavisi od gustine tečnosti u koju je telo uronjeno i od zapremine ovog tela. Ali to ne ovisi, na primjer, o gustoći tvari tijela uronjenog u tekućinu, jer ta količina nije uključena u rezultirajuću formulu. Odredimo sada težinu tijela uronjenog u tekućinu (ili plin). Kako su dvije sile koje djeluju na tijelo u ovom slučaju usmjerene u suprotnim smjerovima (sila gravitacije je naniže, a Arhimedova sila prema gore), onda će težina tijela u tekućini P 1 biti manja od težine tijela. telo u vakuumu P = g m o Arhimedovoj sili F A = g m w (gde m g - masa tečnosti ili gasa koju istisne telo). dakle, ako je tijelo uronjeno u tekućinu ili plin, onda gubi onoliko težine koliko teži tekućina ili plin koji je istisnuo. Primjer. Odrediti silu uzgona koja djeluje na kamen zapremine 1,6 m 3 u morskoj vodi. Zapišimo uslove zadatka i riješimo ga. Kada plutajuće tijelo dosegne površinu tekućine, tada će se njegovim daljim kretanjem prema gore Arhimedova sila smanjiti. Zašto? Ali zato što će se zapremina dela tela uronjenog u tečnost smanjiti, a Arhimedova sila je jednaka težini tečnosti u zapremini dela tela uronjenog u nju. Kada Arhimedova sila postane jednaka sili gravitacije, tijelo će stati i plutati na površini tekućine, djelomično uronjeno u nju. Rezultirajući zaključak može se lako eksperimentalno provjeriti. Sipajte vodu u drenažnu posudu do nivoa drenažne cijevi. Nakon toga ćemo plutajuće tijelo uroniti u posudu, prethodno izvagavši ga u zrak. Spuštajući se u vodu, tijelo istiskuje zapreminu vode jednaku zapremini dijela tijela uronjenog u nju. Izvagavši ovu vodu, nalazimo da je njena težina (Arhimedova sila) jednaka sili gravitacije koja djeluje na plutajuće tijelo, odnosno težini ovog tijela u zraku. Nakon što ste uradili iste eksperimente sa bilo kojim drugim tijelima koja plutaju u različitim tekućinama - vodi, alkoholu, otopini soli, možete biti sigurni da ako tijelo lebdi u tekućini, tada je težina tekućine koju istisne jednaka težini ovog tijela u zraku. Lako je to dokazati ako je gustina čvrste čvrste materije veća od gustine tečnosti, onda telo tone u takvoj tečnosti. U ovoj tečnosti pluta tijelo manje gustine. Komad željeza, na primjer, tone u vodi, ali pluta u živi. Tijelo čija je gustina jednaka gustini tečnosti ostaje u ravnoteži unutar tečnosti. Led pluta na površini vode jer je njegova gustina manja od gustine vode. Što je gustina tela manja u odnosu na gustinu tečnosti, to je manji deo tela uronjen u tečnost . Pri jednakoj gustini tijela i tečnosti, tijelo pluta unutar tečnosti na bilo kojoj dubini. Dve tečnosti koje se ne mešaju, na primer voda i kerozin, nalaze se u posudi u skladu sa svojom gustinom: u donjem delu posude - gušća voda (ρ = 1000 kg/m3), na vrhu - lakši kerozin (ρ = 800 kg /m3) . Prosječna gustina živih organizama koji nastanjuju vodenu sredinu malo se razlikuje od gustine vode, pa je njihova težina gotovo potpuno uravnotežena Arhimedovom silom. Zahvaljujući tome, vodene životinje ne trebaju tako jake i masivne kosture kao kopnene. Iz istog razloga, debla vodenih biljaka su elastična. Plivački mjehur ribe lako mijenja svoj volumen. Kada se riba uz pomoć mišića spusti na veću dubinu, a pritisak vode na nju raste, mjehur se skupi, volumen tijela ribe se smanjuje i ona se ne gura prema gore, već lebdi u dubini. Tako riba može regulirati dubinu svog ronjenja u određenim granicama. Kitovi reguliraju dubinu svog ronjenja smanjujući i povećavajući kapacitet pluća. Jedrenje brodova.Plovila koja plove rijekama, jezerima, morima i okeanima građena su od različitih materijala različite gustine. Trup brodova je obično izrađen od čeličnih limova. Sva unutrašnja pričvršćenja koja brodovima daju čvrstoću su također izrađena od metala. Za gradnju brodova koriste se različiti materijali koji imaju i veću i manju gustoću u odnosu na vodu. Kako brodovi plutaju, ukrcavaju se i nose veliki teret? Eksperiment sa plutajućim tijelom (§ 50) pokazao je da tijelo svojim podvodnim dijelom istiskuje toliko vode da je težina te vode jednaka težini tijela u zraku. To vrijedi i za bilo koje plovilo. Težina vode koju istiskuje podvodni dio plovila jednaka je težini plovila s teretom u zraku ili sili gravitacije koja djeluje na plovilo s teretom. Dubina do koje je brod uronjen u vodu naziva se nacrt . Najveći dozvoljeni gaz označen je na trupu broda crvenom linijom tzv waterline (iz holandskog. vode- voda). Težina vode koju je istisnuo brod kada je potopljen u vodenu liniju, jednaka sili gravitacije koja djeluje na natovareni brod, naziva se pomakom broda. Trenutno se grade brodovi deplasmana od 5.000.000 kN (5 × 10 6 kN) ili više za transport nafte, odnosno koji zajedno sa teretom imaju masu od 500.000 tona (5 × 10 5 t) ili više. Ako od deplasmana oduzmemo težinu samog plovila, dobijamo nosivost ovog plovila. Nosivost pokazuje težinu tereta koji brod nosi. Brodogradnja je postojala u prošlosti Drevni Egipat, u Fenikiji (smatra se da su Feničani bili jedni od najboljih brodograditelja), drevna Kina. U Rusiji je brodogradnja nastala na prijelazu iz 17. u 18. vijek. Uglavnom su se gradili ratni brodovi, ali je upravo u Rusiji izgrađen prvi ledolomac, brodovi sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem i nuklearni ledolomac Arktika. Aeronautika.
Crtež koji opisuje balon braće Montgolfier iz 1783.: "Pogled i tačne dimenzije 'Balloon Terrestrial', koji je bio prvi." 1786 Od davnina ljudi su sanjali o prilici da lete iznad oblaka, da plivaju u okeanu vazduha, kao što su plivali na moru. Za aeronautiku U početku su koristili balone koji su bili punjeni ili zagrijanim zrakom, vodonikom ili helijumom. Da bi se balon podigao u zrak potrebno je da Arhimedova sila (uzgon) F Djelovanje na loptu bilo je veće od sile gravitacije F teška, tj. F A > F težak Kako se lopta diže prema gore, Arhimedova sila koja djeluje na nju opada ( F A = gρV), budući da je gustina gornjih slojeva atmosfere manja od gustine Zemljine površine. Za podizanje više, poseban balast (teg) se ispušta sa lopte i to olakšava loptu. Na kraju lopta dostigne svoju maksimalnu visinu podizanja. Da bi se lopta oslobodila iz ljuske, dio plina se oslobađa pomoću posebnog ventila. U horizontalnom smjeru, balon se kreće samo pod utjecajem vjetra, zbog čega se i zove balon (iz grčkog aer- zrak, stato- stojeći). Ne tako davno, ogromni baloni su korišteni za proučavanje gornjih slojeva atmosfere i stratosfere - stratosferskih balona . Pre nego što su naučili da prave velike avione za prevoz putnika i tereta vazdušnim putem, koristili su se kontrolisani baloni - airships. Imaju izdužen oblik ispod karoserije koja pokreće propeler. Balon ne samo da se sam diže, već može podići i neki teret: kabinu, ljude, instrumente. Stoga, da biste saznali kakav teret može podići balon, potrebno ga je odrediti lift. Neka se, na primjer, u zrak lansira balon zapremine 40 m 3 napunjen helijumom. Masa helijuma koji ispunjava ljusku lopte bit će jednaka: To znači da ova lopta može podići teret težine 520 N - 71 N = 449 N. To je njena sila dizanja. Balon iste zapremine, ali napunjen vodonikom, može podići teret od 479 N. To znači da je njegova sila podizanja veća od sile dizanja balona ispunjenog helijumom. Ali helijum se još uvijek češće koristi, jer ne gori i stoga je sigurniji. Vodonik je zapaljiv gas. Mnogo je lakše podići i spustiti loptu napunjenu vrućim zrakom. Da biste to učinili, ispod rupe koja se nalazi u donjem dijelu lopte nalazi se plamenik. Pomoću plinskog gorionika možete regulirati temperaturu zraka unutar lopte, a time i njenu gustinu i silu uzgona. Da bi se lopta podigla više, dovoljno je jače zagrijati zrak u njoj povećanjem plamena gorionika. Kako se plamen plamenika smanjuje, temperatura zraka u kugli se smanjuje i lopta se spušta. Možete odabrati temperaturu lopte pri kojoj će težina lopte i kabine biti jednaka sili uzgona. Tada će lopta visjeti u zraku i iz nje će biti lako zapažati. Kako se nauka razvijala, dogodile su se značajne promjene u aeronautičkoj tehnologiji. Postalo je moguće koristiti nove školjke za balone, koje su postale izdržljive, otporne na mraz i lagane. Napredak u oblasti radiotehnike, elektronike i automatizacije omogućio je dizajniranje balona bez posade. Ovi baloni se koriste za proučavanje strujanja zraka, za geografska i biomedicinska istraživanja u nižim slojevima atmosfere.
Slajd 2 Ponavljanje prethodno naučenog
Slajd 3
Slajd 4 Da li vazduh ima težinu?Koliko je težak vazduh? Slajd 5
Slajd 7 Prosječni pritisak na nivou mora pri t 0°C je 760 mm Hg. – normalan atmosferski pritisak. Slajd 8 U 17. veku Robert Hooke je predložio poboljšanje barometraŽivin barometar je nezgodan i nesiguran za upotrebu, pa je izmišljen aneroidni barometar. Slajd 9 Zašto se nivo žive u cevi menja sa visinom?Slajd 10 Slajd 11 Slajd 12 Za 100 m uspona, pritisak pada za 10 mm Hg.
Slajd 14 Tačke na karti s istim atmosferskim tlakom povezane su linijama - izobarama Slajd 15 Cikloni i anticikloni
Slajd 16 Ovako izgledaju ovi vrtlozi iz svemiraSlajd 17 Atmosferski pritisak (rekordi)
Slajd 18 Indijanci Perua žive na nadmorskoj visini od 4000 mSlajd 19 Hajde da rešimo probleme
Slajd 20
Slajd 21
Slajd 22
Pogledajte sve slajdove Fizika, 7. razred. Sažetak lekcije Tema lekcije Atmosferski pritisak.Vrsta lekcije Učenje novog gradiva Klasa 7 Akademski predmet fizika UMK“Fizika” Proširiti definiciju atmosferskog pritiska, proučiti uzroke atmosferskog pritiska; pojave uzrokovane atmosferskim djelovanjem Planirani rezultati Lični: formiranje vještina upravljanja svojim obrazovnim aktivnostima, formiranje interesa za fiziku tokom analize fizičke pojave, formiranje motivacije otkrivanjem veze između teorije i iskustva, razvoj logičkog mišljenja. Predmet: formiranje predstava o atmosferskom pritisku, formiranje veština objašnjavanja uticaja atmosferskog pritiska na žive organizme, kao i korišćenje znanja o atmosferskom pritisku u svakodnevnom životu. metasubjekt: razvijati sposobnost utvrđivanja ciljeva i zadataka aktivnosti, razvijati sposobnost analiziranja činjenica pri posmatranju i objašnjavanju pojava, sprovođenja zapažanja, eksperimenata, uopštavanja i izvođenja zaključaka. Interdisciplinarne veze Geografija, biologija, književnost. Oblici organizacije kognitivne aktivnosti Frontalni, grupni, individualni Nastavne metode Reproduktivno, problematično, heurističko. Didaktička pomagala fizika. 7. razred: udžbenik A.V. Peryshkin, prezentacija za čas, kartice sa zadacima za individualni, par i grupni rad, centralni obrazovni centar „Drofa, 7. razred“. Oprema Udžbenik, kompjuter, projektor, za grupu - čaša vode, pipete, listovi papira. Tokom nastave I. Organizacioni momenat.Učitelj: Zdravo! Sjedni! Drago mi je da poželim dobrodošlicu svima prisutnima! Vjerujem da će čas proći odlično i da će svi biti odlično raspoloženi. II. Ažuriranje znanja Učitelj: Sećate se šta smo učili na prošloj lekciji? Učenici: Komunikacijski brodovi. Učitelj: Koje posude se nazivaju komunikacijskim? Učenici: Dvije posude međusobno povezane gumenom cijevi nazivaju se komunikacionim. Učitelj: Neki od vas su napravili modele fontana i komunikacionih posuda. (učenici pokazuju svoje radove). Učitelj: Na vašim stolovima imate kartice sa zadacima različitih nivoa težine: niski, srednji, visoki. (Dodatak 1) Odaberite nivo težine zadatka i izvršite ga. Po završetku razmijenite sveske i provjerite ispravnost zadatka na ekranu. Dajte svoje ocjene. (Prikupiti selektivno nekoliko radova) III. Postavljanje ciljeva Učitelj: Ljudi, slušajte pažljivo, sad ću vam reći zagonetke, a vi pokušajte da ih pogodite. Ima li ćebe za djecu? Tako da je cijela Zemlja pokrivena? Tako da ima dovoljno za sve, A osim toga, nije bilo vidljivo? Niti sklopi niti rasklopi, Niti dodirnuti ni pogledati? Propuštao bi kišu i svjetlost, Da, ali izgleda da nije? Šta je ovo? Studenti: Atmosfera Učitelj: Dva momka jednake snage Ploče su oborene i rezultat je: Vrh nokta se zabio u šešir, Šešir je ostavio malu udubinu, Zajedno su prijatelji zamahnuli maljem, To je dovelo do pucanja ploča na dva dijela. Oh sta fizička količina pričamo? Učenici: Pritisak. Učitelju. U redu. Koja će biti tema današnje lekcije? Studenti: Atmosferski pritisak. Učitelj: Koja je svrha lekcije? Učenici: Saznajte šta je atmosferski pritisak. Učitelj: Pokušajte da identifikujete nekoliko pitanja na koja ćemo ti i ja morati da odgovorimo tokom lekcije. Učenici: Šta je atmosferski pritisak, zašto postoji, gde deluje atmosferski pritisak itd. Učitelj: Mnogo od onoga što ste rekli je relevantno za našu lekciju danas, mi ćemo pokušati pronaći odgovore na ova pitanja. 1. Voda se sipa u komunikacione posude. Šta se događa i zašto ako dodate malo vode na lijevu stranu cijevi u obliku slova U; dodati vodu u srednju posudu trokrake cijevi? Sipajte vodu u čašu, prekrijte je listom papira i, podupirući list rukom, okrenite čašu naopako. Skinite ruku sa papira. Voda se neće prosuti iz čaše. Objasni zašto? (Pogledajte sl. 133, str. 132) Dodatak 3 Kartica "Kako pijemo"Uvlačenje tečnosti kroz usta uzrokuje širenje grudnog koša i razrjeđivanje zraka kako u plućima tako i u ustima. Vanjski atmosferski tlak postaje veći od unutrašnjeg. I pod njegovim uticajem, tečnost juri u usta. Kartica "Zašto muhe hodaju po plafonu" Muve se penju okomito uz glatko prozorsko staklo i slobodno hodaju po stropu. Kako to rade? Sve im je to dostupno zahvaljujući sićušnim vakuumskim čašicama kojima su opremljene noge muhe. Kako rade ove gumene čašice? U njima se stvara razrijeđeni zračni prostor, a atmosferski pritisak drži usisnu čašu uz površinu na koju je pričvršćen. Kartica “Ko lakše hoda po blatu” Jako je teško konju sa čvrstim kopitom izvući nogu iz dubokog blata. Ispod noge, kada je podigne, stvara se pražnjeni prostor i atmosferski pritisak sprečava da se noga izvuče. U ovom slučaju noga radi kao klip u cilindru. Spoljni atmosferski pritisak, ogroman u poređenju sa pritiskom koji je nastao, ne dozvoljava da se podigne nogu. U tom slučaju sila pritiska na nogu može dostići 1000 N. Kroz takvo blato mnogo je lakše kretati se preživarima, čija se kopita sastoje od više dijelova i, kada se izvuku iz blata, noge se stisnu, propuštajući zrak u nastala depresija. Dodatak 4 Kartica za individualni rad Oko Zemlje postoji _________________, koji zajedno drži ________________. Vazdušni sloj u blizini Zemlje je komprimovan i, prema zakonu, ___________ prenosi ono što je proizvedeno u ___________ u svim pravcima. Kako se visina povećava, atmosferski pritisak _____________________. Kartica za individualni rad za djecu sa smetnjama u razvoju (gravitacija, pritisak, atmosfera, opadanja, Pascal) Preuzmite bilješke sa časova fizike, 7. razred. Atmosferski pritisak § 42. Težina vazduha. Atmosferski pritisak - Fizika 7. razred (Periškin) Kratki opis: Ne primjećujemo zrak jer svi živimo u njemu. Teško je zamisliti, ali vazduh ima težinu kao i sva tela na Zemlji. To je tako jer na njega djeluje sila gravitacije. Zrak se čak može izmjeriti na vagi stavljanjem u staklenu kuglu. Paragraf četrdeset i drugi opisuje kako se to radi. Ne primjećujemo težinu zraka;
Više o temi
|
