Atmosfäärirõhu füüsika 7. Atmosfäärirõhk. Teema: Tahkete ainete, vedelike ja gaaside rõhk
Atmosfäär - Maa õhukest / mitu tuhat kilomeetrit kõrge /.
Atmosfääri kaotanud Maa muutuks sama surnuks kui tema kaaslane Kuu, kus valitsevad vaheldumisi särisev kuumus ja jääkülm - päeval + 130 C ja öösel - 150 C.
Maa atmosfääri gaaside koostis näeb välja selline:
Pascali arvutuste kohaselt kaalub Maa atmosfäär sama palju, kui kaaluks 10 km läbimõõduga vaskkuul – viis kvadriljonit (5000000000000000) tonni!
Maa pind ja kõik sellel asuvad kehad kogevad õhu paksusest tulenevat survet, s.o. kogeda atmosfäärirõhku.
Katse, mis tõestab atmosfäärirõhu olemasolu:
Teine kogemus:
Kui panna süstla otsa nõela asemel kork /augu sulgemiseks/ ja seejärel tõmmata kolb välja, tekitades alla vaakumi, siis peale kolvi vabastamist on kuulda järsku plõksumist ja kolb tõmbub tagasi. See on tingitud välise atmosfäärirõhu mõjust kolvile.
KUIDAS Avastati ATMOSFERIRÕHK?
Nii et pidage meeles, õhul on kaal...
Seda saab kogemustega kontrollida. Olles pallist osa õhust välja pumbanud, näeme, et see on muutunud kergemaks.
Esimest korda ajas õhuraskus inimesed segadusse 1638. aastal, kui Toscana hertsogi idee kaunistada Firenze aiad purskkaevudega luhtus – vesi ei tõusnud üle 10,3 m
Vee kangekaelsuse põhjuste otsimine ja katsetused raskema vedelikuga - elavhõbedaga, mis võeti ette 1643. aastal. Torricelli, viis atmosfäärirõhu avastamiseni.
Torricelli avastas, et tema katses tehtud elavhõbedasamba kõrgus ei sõltunud ei toru kujust ega selle kaldest. Merepinnal on elavhõbedasamba kõrgus alati olnud umbes 760 mm.
Teadlane pakkus välja, et vedelikusamba kõrgust tasakaalustab õhurõhk. Teades kolonni kõrgust ja vedeliku tihedust, saate määrata atmosfäärirõhu suuruse.
Torricelli oletuse õigsust kinnitati 1648. aastal. Pascali kogemus Pui de Dome'i mäel. Pascal tõestas, et väiksem õhusammas avaldab vähem survet. Maa gravitatsiooni ja ebapiisava kiiruse tõttu ei saa õhumolekulid Maa-lähedasest ruumist lahkuda. Need aga ei lange Maa pinnale, vaid hõljuvad selle kohal, sest. on pidevas soojusliikumises.
Tänu soojusliikumisele ja molekulide külgetõmbele Maale on nende jaotumine atmosfääris ebaühtlane. Atmosfääri kõrgusel 2000–3000 km on 99% selle massist koondunud alumisse (kuni 30 km) kihti. Õhk, nagu ka teised gaasid, on tugevalt kokkusurutav. Atmosfääri alumised kihid on ülemistest kihtidest neile avaldatava rõhu tõttu suurema õhutihedusega.
Normaalne atmosfäärirõhk merepinnal on keskmiselt 760 mm Hg = 1013 hPa.
Kõrguse tõustes õhurõhk ja tihedus vähenevad.
Madalatel kõrgustel vähendab iga 12 m tõus atmosfäärirõhku 1 mm Hg võrra. Suurtel kõrgustel on see muster katki.
See juhtub seetõttu, et survet avaldava õhusamba kõrgus väheneb selle tõustes. Lisaks on atmosfääri ülemistes kihtides õhk vähem tihe.
Nii muutub õhutemperatuur Maa atmosfääris:
HUVITAVAD NÄHTUSED
WOW
Kui Maa atmosfäär ei pöörleks koos Maaga ümber oma telje, tekiksid Maa pinnal tugevad orkaanid.
MIS SAAKS MAAL, kui õhuatmosfäär äkki kaoks?
Temperatuur Maal oleks ligikaudu -170 °C, kõik veealad jäätuksid ja maad kataks jäine koorik.
Oleks täielik vaikus, sest heli ei liigu tühjuses; taevas muutuks mustaks, kuna taevalaotuse värvus sõltub õhust; Poleks hämarat, koitu, valgeid öid.
Tähtede vilkumine lakkaks ja tähed ise oleksid nähtavad mitte ainult öösel, vaid ka päeval (päeval me neid ei näe õhuosakeste poolt päikesevalguse hajumise tõttu).
Loomad ja taimed surevad.
Mõned planeedid Päikesesüsteem on ka atmosfäärid, kuid nende rõhk ei võimalda inimesel ilma skafandrita seal olla. Näiteks Veenusel on õhurõhk umbes 100 atm, Marsil - umbes 0,006 atm. Atmosfäärirõhu mõjul mõjub meie keha igale ruutsentimeetrile jõud 10 N.
KUIDAS INIMENE ERINEVAID KÕRGUSI MERETASTE ÜLUSEL KANSAB?
MIS JUHTUB INIMESEST, kui ta välja visatakse ilma skafandrita avatud ala?
Kui Ameerika filmis Total Recall (peaosas Arnold Schwarzenegger) avastavad peategelased end Marsi pinnale visatuna, hakkavad nende silmad pistikupesast välja hüppama ja keha paisub. Mis saab inimesest, kes satub ilma skafandrita õhuvabasse ruumi (õigemini, mis juhtub tema kehaga - ta ei saa ju hingata). Gaasirõhk keha sees kipub "tasakaalustama" välise (null) rõhuga. Väga lihtne illustratsioon: tassid, mis antakse patsiendile. Õhk neis kuumutatakse, mistõttu gaasi tihedus väheneb. Purk kantakse kiiresti pinnale ja näete, kuidas purgi ja selles oleva õhu jahtumisel tõmbub inimkeha selles kohas purki. Kujutage ette sellist purki inimese ümber...
Kuid see pole ainus "ebameeldiv" protsess. Nagu teate, koosneb inimene vähemalt 75% veest. Vee keemistemperatuur atmosfäärirõhul on 100 C. Keemistemperatuur sõltub tugevalt rõhust: mida madalam on rõhk, seda madalam on keemistemperatuur. ...Juba rõhul 0,4 atm. Vee keemistemperatuur on 28,64 C, mis on oluliselt madalam inimese kehatemperatuurist. Seetõttu hakkab inimene esmapilgul avakosmosesse sisenedes lõhkema ja “keema” ... kuid keha ei plahvata. Fakt on see, et kui õhk väljub kopsudest (ja teistest kehaõõnsustest) vabalt, siis on kehas ainult vedelik, mis vabastab gaasimulle, kuid ei lähe kohe keema. Muide, rõhu alandamisel (ütleme suurel kõrgusel) inimene sureb, kuid ei rebi tükkideks. Meenutagem oma surnud kosmonaute: 20 km on ligikaudu 1/10 atmosfäärist – meid huvitavast vaatenurgast vaakum on praktiliselt vaakum.
Kuigi... Umbes 15 aastat tagasi tekkis ühes Akademgorodoki instituudis mõte proovida liha vaakumkuivatamist. Suur tükk liha pandi vaakumkambrisse ja algas järsk pumpamine. Tükk lihtsalt plahvatas. Pärast seda katset oli selle tulemusi vaakumkambri seintelt üsna raske kraapida.
Mees suuskadega ja ilma.
Inimene kõnnib lahtisel lumel suurte raskustega, vajudes igal sammul sügavale. Kuid olles suusad selga pannud, saab ta kõndida, ilma et sinna peaaegu kukkuks. Miks? Suuskadega või ilma, inimene tegutseb lumel tema raskusega võrdse jõuga. Selle jõu mõju on aga mõlemal juhul erinev, sest pind, millele inimene vajutab, on erinev, suuskadega ja suuskadeta. Peaaegu 20 korda suurem kui suuskade pindala rohkem ala tallad. Seetõttu mõjub inimene suuskadel seistes igale lumepinna ruutsentimeetrile jõuga, mis on 20 korda väiksem kui ilma suuskadeta lumel seistes.
Õpilane, kes kinnitab nuppudega ajalehe tahvli külge, mõjub igale nupule võrdse jõuga. Teravama otsaga nupp läheb aga kergemini puitu.
See tähendab, et jõu tulemus ei sõltu mitte ainult selle moodulist, suunast ja rakenduspunktist, vaid ka selle pinna pindalast, millele see rakendub (risti, millega see toimib).
Seda järeldust kinnitavad füüsikalised katsed.
Kogemus.Antud jõu mõju tulemus sõltub sellest, milline jõud mõjub pindalaühikule.
Peate lööma naelad väikese laua nurkadesse. Esmalt aseta laua sisse löödud naelad otstega ülespoole liivale ja aseta lauale raskus. Sellisel juhul surutakse naelapead vaid kergelt liiva sisse. Seejärel keerame plaadi ümber ja asetame naelad servale. Sel juhul on tugipind väiksem ja sama jõu all lähevad naelad oluliselt sügavamale liiva sisse.
Kogemused. Teine illustratsioon.
Selle jõu mõju sõltub sellest, milline jõud mõjub igale pindalaühikule.
Vaadeldavates näidetes mõjusid jõud keha pinnaga risti. Mehe kaal oli lume pinnaga risti; nupule mõjuv jõud on tahvli pinnaga risti.
Suurust, mis võrdub pinnaga risti mõjuva jõu ja selle pinna pindala suhtega, nimetatakse rõhuks.
Rõhu määramiseks tuleb pinnaga risti mõjuv jõud jagada pindalaga:
rõhk = jõud / pindala.
Tähistame selles avaldises sisalduvaid koguseid: rõhk - lk, pinnale mõjuv jõud on F ja pindala - S.
Siis saame valemi:
p = F/S
On selge, et samale alale mõjuv suurem jõud tekitab suurema rõhu.
Rõhuühikuks loetakse rõhku, mis tekib 1 N jõu mõjul pinnale, mille pindala on 1 m2, mis on selle pinnaga risti..
Rõhu ühik - newtoni kohta ruutmeeter (1 N/m2). Prantsuse teadlase auks Blaise Pascal seda nimetatakse pascaliks ( Pa). Seega
1 Pa = 1 N/m2.
Kasutatakse ka teisi rõhuühikuid: hektopaskal (hPa) Ja kilopaskal (kPa).
1 kPa = 1000 Pa;
1 hPa = 100 Pa;
1 Pa = 0,001 kPa;
1 Pa = 0,01 hPa.
Paneme kirja ülesande tingimused ja lahendame selle.
Antud : m = 45 kg, S = 300 cm 2; p = ?
SI ühikutes: S = 0,03 m2
Lahendus:
lk = F/S,
F = P,
P = g m,
P= 9,8 N · 45 kg ≈ 450 N,
lk= 450/0,03 N/m2 = 15000 Pa = 15 kPa
"Vastus": p = 15000 Pa = 15 kPa
Surve vähendamise ja suurendamise viisid.
Raske roomiktraktor tekitab pinnasele survet, mis on võrdne 40–50 kPa, st ainult 2–3 korda rohkem kui 45 kg kaaluva poisi rõhk. Seda seletatakse sellega, et tänu roomikajamile jaotub traktori raskus suuremale alale. Ja me oleme selle kindlaks teinud mida suurem on tugipind, seda vähem survet tekitab sama jõud sellele toele .
Sõltuvalt sellest, kas on vaja madalat või kõrget rõhku, suureneb või väheneb tugipind. Näiteks selleks, et pinnas peaks vastu püstitatava hoone survele, suurendatakse vundamendi alumise osa pindala.
Veoautode rehvid ja lennuki šassii on tehtud palju laiemaks kui reisijate rehvid. Kõrbetes sõitmiseks mõeldud autode rehvid on tehtud eriti laiad.
Raskesõidukid, nagu traktor, tank või rabasõiduk, millel on suur roomikute tugipind, läbivad soiseid alasid, millest inimene ei pääse.
Teisest küljest saab väikese pindalaga väikese jõuga tekitada suure rõhu. Näiteks nuppu tahvlisse vajutades mõjume sellele umbes 50 N suuruse jõuga. Kuna nupu tipu pindala on ligikaudu 1 mm 2, on selle tekitatav rõhk võrdne:
p = 50 N / 0,000 001 m 2 = 50 000 000 Pa = 50 000 kPa.
Võrdluseks, see rõhk on 1000 korda suurem kui roomiktraktori surve pinnasele. Selliseid näiteid leiate veel palju.
Spetsiaalselt teritatud on lõikeriistade terad ja torkimisriistade (noad, käärid, lõikurid, saed, nõelad jne) otsad. Terava tera teritatud serval on väike pindala, nii et isegi väike jõud tekitab suure surve ja selle tööriistaga on lihtne töötada.
Lõike- ja torkeseadmeid leidub ka eluslooduses: need on hambad, küünised, nokad, naelu jne – need on kõik kõvast materjalist, siledad ja väga teravad.
Surve
On teada, et gaasimolekulid liiguvad juhuslikult.
Me juba teame, et erinevalt gaasidest tahked ained ja vedelikud, täitke kogu anum, milles need asuvad. Näiteks terasballoon gaaside hoidmiseks, autorehvi sisekumm või võrkpall. Sel juhul avaldab gaas survet silindri, kambri või mõne muu korpuse seintele, põhjale ja kaanele, milles see asub. Gaasirõhk on tingitud muudest põhjustest kui tahke keha surve alusele.
On teada, et gaasimolekulid liiguvad juhuslikult. Liikudes põrkuvad nad omavahel, aga ka gaasi sisaldava anuma seintega. Gaasis on palju molekule ja seetõttu on nende mõjude arv väga suur. Näiteks õhumolekulide mõju ruumis pinnale, mille pindala on 1 cm 2 1 sekundi jooksul, väljendatakse kahekümne kolmekohalise arvuna. Kuigi üksiku molekuli löögijõud on väike, on kõigi molekulide mõju anuma seintele märkimisväärne – see tekitab gaasirõhu.
Niisiis, gaasi rõhk anuma seintele (ja gaasi sisse asetatud kehale) on põhjustatud gaasimolekulide mõjust .
Mõelge järgmisele katsele. Asetage kummipall õhupumba kella alla. See sisaldab vähesel määral õhku ja on ebakorrapärase kujuga. Seejärel pumpame kellukese alt õhu välja. Palli kest, mille ümber õhk muutub üha harvemaks, paisub järk-järgult täis ja võtab tavalise palli kuju.
Kuidas seda kogemust seletada?
Surugaasi hoidmiseks ja transportimiseks kasutatakse spetsiaalseid vastupidavaid terasballoone.
Meie katses tabasid liikuvad gaasimolekulid pidevalt palli seinu sees ja väljas. Kui õhk pumbatakse välja, väheneb palli kesta ümbritsevas kellas molekulide arv. Kuid palli sees nende arv ei muutu. Seetõttu väheneb molekulide mõjude arv kesta välisseintele väiksemaks kui siseseintele avalduvate löökide arv. Palli pumbatakse täis, kuni selle kummikesta elastsusjõud on võrdne gaasirõhu jõuga. Palli kest võtab palli kuju. See näitab seda gaas surub selle seinu igas suunas võrdselt. Teisisõnu, molekulaarsete löökide arv pindala ruutsentimeetri kohta on kõigis suundades sama. Gaasile on iseloomulik kõigis suundades sama rõhk ja see on tohutu hulga molekulide juhusliku liikumise tagajärg.
Proovime gaasi mahtu vähendada, kuid nii, et selle mass jääks muutumatuks. See tähendab, et igas gaasi kuupsentimeetris on rohkem molekule, gaasi tihedus suureneb. Siis suureneb molekulide mõjude arv seintele, st gaasi rõhk tõuseb. Seda võib kinnitada kogemus.
Pildi peal A kujutab klaastoru, mille üks ots on suletud õhukese kummikilega. Toru sisestatakse kolb. Kui kolb liigub sisse, siis torus oleva õhu maht väheneb, st gaas surutakse kokku. Kummist kile paindub väljapoole, mis näitab, et õhurõhk torus on suurenenud.
Vastupidi, kui sama massi gaasi maht suureneb, väheneb molekulide arv igas kuupsentimeetris. See vähendab anuma seintele avalduvate löökide arvu - gaasirõhk väheneb. Tõepoolest, kui kolb torust välja tõmmata, suureneb õhu maht ja kile paindub anuma sees. See näitab õhurõhu langust torus. Sama nähtust täheldaks ka siis, kui õhu asemel oleks torus mõni muu gaas.
Niisiis, kui gaasi maht väheneb, suureneb selle rõhk ja kui ruumala suureneb, siis rõhk väheneb tingimusel, et gaasi mass ja temperatuur jäävad muutumatuks.
Kuidas muutub gaasi rõhk, kui seda kuumutada konstantsel mahul? Teatavasti suureneb gaasimolekulide kiirus kuumutamisel. Kiiremini liikudes tabavad molekulid sagedamini konteineri seinu. Lisaks on iga molekuli mõju seinale tugevam. Selle tulemusena kogevad anuma seinad suuremat survet.
Seega Mida kõrgem on gaasi temperatuur, seda suurem on gaasirõhk suletud anumas, eeldusel, et gaasi mass ja maht ei muutu.
Nendest katsetest võib üldiselt järeldada, et Gaasi rõhk suureneb, mida sagedamini ja tugevamini molekulid anuma seinu vastu löövad .
Gaaside säilitamiseks ja transportimiseks surutakse need tugevalt kokku. Samal ajal suureneb nende rõhk, gaasid tuleb sulgeda spetsiaalsetesse, väga vastupidavatesse balloonidesse. Sellised silindrid sisaldavad näiteks allveelaevades suruõhku ja metallide keevitamisel kasutatavat hapnikku. Loomulikult peame alati meeles pidama, et gaasiballoone ei saa soojendada, eriti kui need on gaasiga täidetud. Sest nagu me juba aru saame, võib plahvatus toimuda väga ebameeldivate tagajärgedega.
Pascali seadus.
Rõhk edastatakse igasse vedeliku või gaasi punkti.
Kolvi rõhk edastatakse palli täitva vedeliku igasse punkti.
Nüüd gaas.
Erinevalt tahketest ainetest võivad vedeliku ja gaasi üksikud kihid ja väikesed osakesed üksteise suhtes vabalt igas suunas liikuda. Piisab näiteks klaasis kergelt veepinnale puhumisest, et vesi hakkaks liikuma. Jõel või järvel tekitab väikseimgi tuul lainetust.
Seda seletab gaasi- ja vedelikuosakeste liikuvus neile avaldatav rõhk ei kandu üle mitte ainult jõu suunas, vaid igasse punkti. Vaatleme seda nähtust üksikasjalikumalt.
Pildil, A kujutab gaasi (või vedelikku) sisaldavat anumat. Osakesed jaotuvad kogu anumas ühtlaselt. Anum on suletud kolviga, mis võib liikuda üles-alla.
Teatud jõu rakendamisel sunnime kolvi veidi sissepoole liikuma ja surume kokku otse selle all asuva gaasi (vedeliku). Siis paiknevad osakesed (molekulid) selles kohas senisest tihedamalt (joonis b). Liikuvuse tõttu liiguvad gaasiosakesed igas suunas. Selle tulemusena muutub nende paigutus taas ühtlaseks, kuid varasemast tihedamaks (joonis c). Seetõttu tõuseb gaasirõhk kõikjal. See tähendab, et lisarõhk kandub edasi kõikidele gaasi- või vedelikuosakestele. Seega, kui rõhk gaasile (vedelikule) kolvi enda lähedal suureneb 1 Pa võrra, siis kõigis punktides sees gaas või vedelik, muutub rõhk sama palju suuremaks kui varem. Rõhk anuma seintele, põhjale ja kolvile suureneb 1 Pa võrra.
Vedelikule või gaasile avaldatav rõhk kandub igasse punkti võrdselt kõigis suundades .
Seda väidet nimetatakse Pascali seadus.
Lähtudes Pascali seadusest on lihtne selgitada järgmisi katseid.
Pildil on õõnes pall, mille erinevates kohtades on väikesed augud. Kuuli külge on kinnitatud toru, millesse sisestatakse kolb. Kui täidate palli veega ja surute kolvi torusse, voolab vesi välja kõigist kuuli aukudest. Selles katses surub kolb torus oleva vee pinnale. Kolvi all asuvad veeosakesed, tihenedes, kannavad selle rõhu üle teistele sügavamal asuvatele kihtidele. Seega kandub kolvi rõhk palli täitva vedeliku igasse punkti. Selle tulemusena surutakse osa veest pallist välja identsete voogude kujul, mis voolavad kõigist aukudest välja.
Kui pall on suitsuga täidetud, siis kolvi torusse surumisel hakkavad kuuli kõikidest aukudest välja tulema võrdsed suitsujoad. See kinnitab seda gaasid edastavad neile avaldatavat rõhku kõikides suundades võrdselt.
Rõhk vedelikus ja gaasis.
Vedeliku raskuse mõjul paindub toru kummipõhi.
Vedelikke, nagu kõiki kehasid Maal, mõjutab gravitatsioon. Seetõttu tekitab iga anumasse valatud vedelikukiht oma raskusega survet, mis Pascali seaduse kohaselt kandub edasi igas suunas. Seetõttu on vedeliku sees rõhk. Seda saab kogemustega kontrollida.
Valage vesi klaastorusse, mille alumine auk on suletud õhukese kummikilega. Vedeliku raskuse mõjul toru põhi paindub.
Kogemused näitavad, et mida kõrgemal on veesammas kummikile kohal, seda rohkem see paindub. Kuid iga kord pärast kummipõhja paindumist jõuab torus olev vesi tasakaalu (seiskub), kuna lisaks raskusjõule mõjub veele ka venitatud kummikile elastsusjõud.
Kummikilele mõjuvad jõud on |
on mõlemalt poolt ühesugused. |
Illustratsioon.
Põhi liigub silindrist eemale sellele avaldatava raskusjõu mõjul.
Laseme kummipõhjaga toru, millesse vesi valatakse, teise, laiemasse veega anumasse. Näeme, et kui toru langetatakse, sirgub kummikile järk-järgult. Kile täielik sirgendamine näitab, et sellele ülalt ja alt mõjuvad jõud on võrdsed. Kile täielik sirgendamine toimub siis, kui veetase torus ja anumas langeb kokku.
Sama katset saab läbi viia toruga, mille külgmist ava katab kummikile, nagu on näidatud joonisel a. Kastame selle veega toru teise veega anumasse, nagu joonisel näidatud, b. Märkame, et kile sirgub uuesti niipea, kui veetase torus ja anumas on võrdne. See tähendab, et kummikilele mõjuvad jõud on kõikidest külgedest ühesugused.
Võtame anuma, mille põhi võib ära kukkuda. Paneme selle veepurki. Põhi surutakse tihedalt vastu anuma serva ega kuku maha. Seda surub veesurve jõud, mis on suunatud alt üles.
Valame hoolikalt anumasse vett ja jälgime selle põhja. Niipea, kui veetase anumas ühtib veetasemega purgis, kukub see anumast eemale.
Eraldamise hetkel surub anumas olev vedelikusammas ülalt alla ja sama kõrgusega, kuid purgis asuva vedelikusamba rõhk kandub alt üles alla. Mõlemad rõhud on samad, kuid põhi eemaldub silindrist oma gravitatsiooni mõjul sellele.
Eespool kirjeldati katseid veega, kuid kui võtta vee asemel mõni muu vedelik, on katse tulemused samad.
Nii et eksperimendid näitavad seda Vedeliku sees on rõhk ja samal tasemel on see kõigis suundades võrdne. Rõhk suureneb sügavusega.
Gaasid ei erine selle poolest vedelikest, sest neil on ka kaal. Kuid me peame meeles pidama, et gaasi tihedus on sadu kordi väiksem kui vedeliku tihedus. Gaasi kaal anumas on väike ja selle “kaalu” rõhku võib paljudel juhtudel ignoreerida.
Vedeliku rõhu arvutamine anuma põhja ja seintele.
Vedeliku rõhu arvutamine anuma põhja ja seintele.
Mõelgem, kuidas saate arvutada vedeliku survet anuma põhja ja seintele. Esmalt lahendame ristkülikukujulise rööptahuka kujuga veresoone ülesande.
Jõud F, millega sellesse anumasse valatud vedelik selle põhja surub, võrdub kaaluga P vedelik mahutis. Vedeliku massi saab määrata selle massi teades m. Massi, nagu teate, saab arvutada järgmise valemi abil: m = ρ·V. Meie valitud anumasse valatud vedeliku mahtu on lihtne arvutada. Kui vedelikusamba kõrgus anumas on tähistatud tähega h ja laeva põhja pindala S, See V = S h.
Vedel mass m = ρ·V, või m = ρ S h .
Selle vedeliku kaal P = g m, või P = g ρ S h.
Kuna vedelikusamba kaal on võrdne jõuga, millega vedelik surub anuma põhja, siis jagades kaalu P Väljakule S, saame vedeliku rõhu lk:
p = P/S või p = g·ρ·S·h/S,
Oleme saanud valemi anuma põhjas oleva vedeliku rõhu arvutamiseks. Sellest valemist on selge, et vedeliku rõhk anuma põhjas sõltub ainult vedelikusamba tihedusest ja kõrgusest.
Seetõttu saate tuletatud valemi abil arvutada anumasse valatud vedeliku rõhu mis tahes kuju(rangelt võttes sobib meie arvutus ainult anumatele, millel on sirge prisma ja silindri kuju. Instituudi füüsikakursustel tõestati, et valem kehtib ka suvalise kujuga anuma puhul). Lisaks saab seda kasutada anuma seintele avaldatava rõhu arvutamiseks. Selle valemi abil arvutatakse ka rõhk vedeliku sees, sealhulgas rõhk alt üles, kuna rõhk samal sügavusel on kõikides suundades sama.
Rõhu arvutamisel valemi abil p = gρh vajate tihedust ρ väljendatud kilogrammides kuupmeetri kohta (kg/m3) ja vedelikusamba kõrgust h- meetrites (m), g= 9,8 N/kg, siis väljendatakse rõhku paskalites (Pa).
Näide. Määrake õlirõhk paagi põhjas, kui õlisamba kõrgus on 10 m ja tihedus 800 kg/m3.
Kirjutame üles probleemi seisukorra ja paneme kirja.
Antud :
ρ = 800 kg/m 3
Lahendus :
p = 9,8 N/kg · 800 kg/m 3 · 10 m ≈ 80 000 Pa ≈ 80 kPa.
Vastus : p ≈ 80 kPa.
Suhtlevad laevad.
Suhtlevad laevad.
Joonisel on kujutatud kaks anumat, mis on omavahel ühendatud kummitoruga. Selliseid laevu nimetatakse suhtlemine. Kastekann, teekann, kohvikann on näited suhtlevatest anumatest. Kogemusest teame, et näiteks kastekannu valatud vesi on tilas ja sees alati samal tasemel.
Tihti kohtame suhtlevaid laevu. Näiteks võib see olla teekann, kastekann või kohvikann. |
Homogeense vedeliku pinnad paigaldatakse samale tasemele mis tahes kujuga ühendusanumatesse. |
Erineva tihedusega vedelikud. |
Järgmise lihtsa katse saab teha suhtlevate laevadega. Katse alguses kinnitame kummitoru keskele ja valame ühte torusse vett. Seejärel avame klambri ja vesi voolab koheselt teise torusse, kuni mõlema toru veepinnad on samal tasemel. Saate ühe telefonitoru statiivile kinnitada ja teist tõsta, langetada või kallutada erinevad küljed. Ja sel juhul, niipea kui vedelik rahuneb, võrdsustub selle tase mõlemas torus.
Mis tahes kuju ja ristlõikega ühendusanumates on homogeense vedeliku pinnad seatud samale tasemele(eeldusel, et õhurõhk vedeliku kohal on sama) (joonis 109).
Seda saab põhjendada järgmiselt. Vedelik on puhkeolekus, liikumata ühest anumast teise. See tähendab, et rõhk mõlemas anumas igal tasemel on sama. Mõlema anuma vedelik on sama, st sama tihedusega. Seetõttu peavad selle kõrgused olema samad. Kui tõstame ühe anuma või lisame sinna vedelikku, siis rõhk selles tõuseb ja vedelik liigub teise anumasse, kuni rõhud on tasakaalus.
Kui ühte suhtlevasse anumasse valatakse ühe tihedusega vedelik ja teise teise tihedusega vedelikku, ei ole nende vedelike tase tasakaalus sama. Ja see on mõistetav. Teame, et vedeliku rõhk anuma põhjas on otseselt võrdeline kolonni kõrguse ja vedeliku tihedusega. Ja sel juhul on vedelike tihedus erinev.
Kui rõhud on võrdsed, on suurema tihedusega vedelikusamba kõrgus väiksem kui väiksema tihedusega vedelikusamba kõrgus (joonis).
Kogemused. Kuidas määrata õhu massi.
Õhu kaal. Atmosfääri rõhk.
Atmosfäärirõhu olemasolu.
Atmosfäärirõhk on suurem kui anumas oleva õhu rõhk.
Õhku, nagu iga keha Maal, mõjutab gravitatsioon ja seetõttu on õhul kaal. Õhu massi on lihtne arvutada, kui teate selle massi.
Näitame teile eksperimentaalselt, kuidas õhumassi arvutada. Selleks peate võtma vastupidava korgiga klaaskuuli ja klambriga kummitoru. Pumbame sellest õhu välja, kinnitame toru klambriga ja tasakaalustame selle kaalule. Seejärel, avades kummitoru klambri, lase õhk sinna sisse. See rikub kaalude tasakaalu. Selle taastamiseks peate kaalu teisele pannile asetama raskused, mille mass on võrdne palli mahus oleva õhu massiga.
Katsed on näidanud, et temperatuuril 0 °C ja normaalsel atmosfäärirõhul on õhu mass mahuga 1 m 3 võrdne 1,29 kg-ga. Selle õhu massi on lihtne arvutada:
P = g m, P = 9,8 N/kg 1,29 kg ≈ 13 N.
Maad ümbritsevat õhukestat nimetatakse õhkkond (kreeka keelest atmos- aur, õhk ja sfäär- pall).
Atmosfäär, nagu näitavad lennuvaatlused tehissatelliite Maa ulatub mitme tuhande kilomeetri kõrgusele.
Gravitatsiooni mõjul suruvad atmosfääri ülemised kihid sarnaselt ookeaniveega alumisi kihte kokku. Otse Maaga külgnev õhukiht surutakse kõige rohkem kokku ja edastab Pascali seaduse kohaselt sellele avaldatava rõhu igas suunas.
Selle tulemusena avaldab maapind ja sellel paiknevad kehad survet kogu õhu paksusest või, nagu sellistel juhtudel tavaliselt öeldakse, kogevad Atmosfääri rõhk .
Atmosfäärirõhu olemasolu võib seletada paljusid nähtusi, millega elus kokku puutume. Vaatame mõnda neist.
Joonisel on kujutatud klaastoru, mille sees on kolb, mis sobib tihedalt toru seintega. Toru ots lastakse vette. Kui tõstad kolvi üles, tõuseb vesi selle taha.
Seda nähtust kasutatakse veepumpades ja mõnedes muudes seadmetes.
Joonisel on silindriline anum. See on suletud korgiga, millesse on sisestatud kraaniga toru. Õhk pumbatakse anumast välja pumba abil. Seejärel asetatakse toru ots vette. Kui avate nüüd kraani, pritsib vett nagu purskkaev anuma sisemusse. Vesi siseneb anumasse, kuna atmosfäärirõhk on suurem kui anumas oleva õhu rõhk.
Miks on Maa õhuümbris olemas?
Nagu kõik kehad, tõmbuvad Maa õhuümbrise moodustavad gaasimolekulid Maa poole.
Aga miks nad siis kõik Maa pinnale ei kuku? Kuidas säilib Maa õhuümbris ja selle atmosfäär? Selle mõistmiseks peame arvestama, et gaasimolekulid on pidevas ja juhuslikus liikumises. Kuid siis tekib teine küsimus: miks need molekulid ei lenda kosmosesse, see tähendab kosmosesse.
Selleks, et Maalt täielikult lahkuda, on molekul, nagu kosmoselaev või rakett, peab olema väga suure kiirusega (vähemalt 11,2 km/s). See on nn teine põgenemiskiirus. Enamiku molekulide kiirus Maa õhukestas on oluliselt väiksem kui see põgenemiskiirus. Seetõttu on enamik neist Maaga seotud gravitatsiooni abil, Maast kaugemale kosmosesse lendab vaid tühine hulk molekule.
Molekulide juhuslik liikumine ja gravitatsiooni mõju neile toob kaasa gaasimolekulid, mis "hõljuvad" Maa lähedal kosmoses, moodustades õhuümbrise ehk meile tuntud atmosfääri.
Mõõtmised näitavad, et õhu tihedus väheneb kõrgusega kiiresti. Niisiis on 5,5 km kõrgusel Maast õhu tihedus 2 korda väiksem selle tihedusest Maa pinnal, 11 km kõrgusel - 4 korda vähem jne. Mida kõrgem see on, seda haruldasem on õhk. Ja lõpuks, ülemistes kihtides (sadade ja tuhandete kilomeetrite kõrgusel Maast) muutub atmosfäär järk-järgult õhuvabaks ruumiks. Maa õhuümbrisel ei ole selget piiri.
Rangelt võttes ei ole raskusjõu toime tõttu gaasi tihedus üheski suletud anumas ühesugune kogu anuma mahus. Anuma põhjas on gaasi tihedus suurem kui selle ülemistes osades, seetõttu ei ole rõhk anumas sama. See on anuma põhjas suurem kui ülaosas. Anumas sisalduva gaasi puhul on see tiheduse ja rõhu erinevus aga nii väike, et paljudel juhtudel võib seda täiesti ignoreerida, kui see on lihtsalt teada. Kuid üle mitme tuhande kilomeetri ulatuva atmosfääri puhul on see erinevus märkimisväärne.
Atmosfäärirõhu mõõtmine. Torricelli kogemus.
Atmosfäärirõhku on võimatu arvutada vedelikusamba rõhu arvutamise valemiga (§ 38). Selliseks arvutuseks peate teadma atmosfääri kõrgust ja õhutihedust. Kuid atmosfääril pole kindlat piiri ja õhu tihedus erinevatel kõrgustel on erinev. Atmosfäärirõhku saab aga mõõta ühe itaalia teadlase 17. sajandil välja pakutud katse abil Evangelista Torricelli , Galileo õpilane.
Torricelli katse koosneb järgmisest: ühest otsast suletud umbes 1 m pikkune klaastoru täidetakse elavhõbedaga. Seejärel keeratakse toru teine ots tihedalt suletuna ümber ja lastakse elavhõbeda tassi, kus see toru ots avatakse elavhõbeda taseme all. Nagu igas katses vedelikuga, valatakse osa elavhõbedast tassi ja osa sellest jääb torusse. Torusse jäänud elavhõbedasamba kõrgus on ligikaudu 760 mm. Toru sees elavhõbeda kohal ei ole õhku, on õhuvaba ruum, mistõttu ükski gaas ei avalda ülalt survet selle toru sees olevale elavhõbedasambale ega mõjuta mõõtmisi.
Oma selgituse andis ka Torricelli, kes pakkus välja ülalkirjeldatud katse. Atmosfäär surub topsis oleva elavhõbeda pinnale. Elavhõbe on tasakaalus. See tähendab, et rõhk torus on tasemel ahh 1 (vt joonis) on võrdne atmosfäärirõhuga. Atmosfäärirõhu muutumisel muutub ka elavhõbedasamba kõrgus torus. Rõhu tõustes kolonn pikeneb. Rõhu langedes vähendab elavhõbedasammas oma kõrgust.
Rõhu torus tasemel aa1 tekitab torus oleva elavhõbedasamba kaal, kuna toru ülemises osas ei ole elavhõbeda kohal õhku. Sellest järeldub atmosfäärirõhk võrdub elavhõbedasamba rõhuga torus , st.
lk atm = lk elavhõbe
Mida kõrgem on atmosfäärirõhk, seda kõrgem on elavhõbedasammas Torricelli katses. Seetõttu saab praktikas atmosfäärirõhku mõõta elavhõbedasamba kõrgusega (millimeetrites või sentimeetrites). Kui näiteks atmosfäärirõhk on 780 mm Hg. Art. (öeldakse "elavhõbedamillimeetrid"), tähendab see, et õhk tekitab sama rõhu kui 780 mm kõrgune vertikaalne elavhõbedasammas.
Seetõttu on antud juhul atmosfäärirõhu mõõtühikuks 1 millimeeter elavhõbedat (1 mmHg). Leiame selle üksuse ja meile teadaoleva üksuse vahelise seose - pascal(Pa).
1 mm kõrguse elavhõbedasamba ρ rõhk on võrdne:
lk = g·ρ·h, lk= 9,8 N/kg · 13 600 kg/m 3 · 0,001 m ≈ 133,3 Pa.
Niisiis, 1 mmHg. Art. = 133,3 Pa.
Praegu mõõdetakse atmosfäärirõhku tavaliselt hektopaskalites (1 hPa = 100 Pa). Näiteks võivad ilmateated teatada, et rõhk on 1013 hPa, mis on sama, mis 760 mmHg. Art.
Iga päev torus elavhõbedasamba kõrgust jälgides avastas Torricelli, et see kõrgus muutub, st atmosfäärirõhk ei ole konstantne, see võib tõusta ja langeda. Torricelli märkis ka, et atmosfäärirõhk on seotud ilmamuutustega.
Kui kinnitate Torricelli katses kasutatud elavhõbeda toru külge vertikaalse skaala, saate kõige lihtsama seadme - elavhõbeda baromeeter (kreeka keelest baros- raskustunne, metroo- ma mõõdan). Seda kasutatakse atmosfäärirõhu mõõtmiseks.
Baromeeter - aneroid.
Praktikas kasutatakse atmosfäärirõhu mõõtmiseks metallibaromeetrit, mida nimetatakse metallibaromeetriks. aneroid (kreeka keelest tõlgitud - aneroid). Seda nimetatakse baromeetriks, kuna see ei sisalda elavhõbedat.
Aneroidi välimus on näidatud joonisel. Selle põhiosa on lainelise (lainelise) pinnaga metallkarp 1 (vt teist joonist). Sellest kastist pumbatakse õhk välja ja selleks, et atmosfäärirõhk kasti purustada ei saaks, tõmmatakse selle kaas 2 vedru abil ülespoole. Atmosfäärirõhu tõustes paindub kaas alla ja pingutab vedru. Kui rõhk väheneb, ajab vedru korki sirgeks. Vedrule kinnitatakse ülekandemehhanismi 3 abil indikaatornool 4, mis rõhu muutumisel liigub paremale või vasakule. Noole all on skaala, mille jaotused on märgitud elavhõbedabaromeetri näitude järgi. Seega näitab number 750, mille vastu aneroidnõel seisab (vt joonist), et hetkel on elavhõbedabaromeetris elavhõbedasamba kõrgus 750 mm.
Seetõttu on õhurõhk 750 mmHg. Art. või ≈ 1000 hPa.
Atmosfäärirõhu väärtus on lähipäevade ilma ennustamisel väga oluline, kuna õhurõhu muutused on seotud ilmamuutustega. Baromeeter on meteoroloogiliste vaatluste jaoks vajalik instrument.
Atmosfäärirõhk erinevatel kõrgustel.
Vedelikus oleneb rõhk, nagu me teame, vedeliku tihedusest ja selle samba kõrgusest. Madala kokkusurutavuse tõttu on vedeliku tihedus erinevatel sügavustel peaaegu sama. Seetõttu arvestame rõhu arvutamisel selle tihedust konstantseks ja võtame arvesse ainult kõrguse muutust.
Gaasidega on olukord keerulisem. Gaasid on väga kokkusurutavad. Ja mida rohkem gaasi kokku surutakse, seda suurem on selle tihedus ja seda suurem on rõhk. Lõppude lõpuks tekib gaasirõhk selle molekulide mõjul keha pinnale.
Maa pinnal olevad õhukihid suruvad kokku kõik nende kohal asuvad õhukihid. Kuid mida kõrgem on õhukiht pinnast, seda nõrgemalt see kokku surutakse, seda väiksem on selle tihedus. Seega, seda vähem survet see tekitab. Kui näiteks õhupall tõuseb Maa pinnast kõrgemale, muutub õhurõhk pallile väiksemaks. See juhtub mitte ainult seetõttu, et õhusamba kõrgus selle kohal väheneb, vaid ka seetõttu, et õhu tihedus väheneb. Ülevalt on see väiksem kui alt. Seetõttu on õhurõhu sõltuvus kõrgusest keerulisem kui vedelike oma.
Vaatlused näitavad, et õhurõhk merepinnal asuvates piirkondades on keskmiselt 760 mm Hg. Art.
Atmosfäärirõhku, mis on võrdne 760 mm kõrguse elavhõbedasamba rõhuga temperatuuril 0 ° C, nimetatakse normaalseks atmosfäärirõhuks.
Normaalne atmosfäärirõhk võrdub 101 300 Pa = 1013 hPa.
Mida kõrgem on kõrgus merepinnast, seda madalam on rõhk.
Väikeste tõusudega langeb rõhk keskmiselt iga 12 m tõusu kohta 1 mmHg võrra. Art. (ehk 1,33 hPa võrra).
Teades rõhu sõltuvust kõrgusest, saate baromeetri näitu muutes määrata kõrguse merepinnast. Nimetatakse aneroidid, millel on skaala, mille järgi saab kõrgust merepinnast otse mõõta kõrgusmõõturid . Neid kasutatakse lennunduses ja mägironimises.
Rõhumõõturid.
Teame juba, et õhurõhu mõõtmiseks kasutatakse baromeetreid. Seda kasutatakse atmosfäärirõhust suurema või väiksema rõhu mõõtmiseks manomeetrid (kreeka keelest manos- haruldane, lahtine, metroo- ma mõõdan). Seal on manomeetrid vedel Ja metallist.
|
|
Vaatame kõigepealt seadet ja tegevust. avatud vedeliku rõhumõõtur. See koosneb kahe jalaga klaastorust, millesse valatakse veidi vedelikku. Vedelik paigaldatakse mõlemasse põlve samale tasemele, kuna anuma põlvedes mõjub selle pinnale ainult atmosfäärirõhk.
Et mõista, kuidas selline manomeeter töötab, saab selle ühendada kummitoru abil ümmarguse lameda karbiga, mille üks külg on kaetud kummikilega. Kui vajutate näpuga kilele, siis kastiga ühendatud manomeetri küünarnukis vedeliku tase langeb ja teises küünarnukis tõuseb. Mis seda seletab?
Kile peale vajutades õhurõhk karbis tõuseb. Pascali seaduse kohaselt kandub see rõhu tõus üle ka kastiga ühendatud manomeetri põlves olevale vedelikule. Seetõttu on rõhk vedelikule selles küünarnukis suurem kui teises, kus vedelikku mõjutab ainult atmosfäärirõhk. Selle ülerõhu jõul hakkab vedelik liikuma. Suruõhuga küünarnukis vedelik langeb, teises tõuseb. Vedelik jõuab tasakaalu (seiskub), kui suruõhu liigrõhk on tasakaalustatud rõhuga, mille tekitab manomeetri teises jalas oleva üleliigse vedelikusamba rõhk.
Mida tugevamini kile vajutada, seda suurem on liigne vedelikusammas, seda suurem on selle rõhk. Seega rõhu muutust saab hinnata selle üleliigse samba kõrguse järgi.
Joonis näitab, kuidas selline manomeeter suudab mõõta rõhku vedeliku sees. Mida sügavamale toru vedelikku kastetakse, seda suuremaks muutub vedelikusammaste kõrguste vahe manomeetri põlvedes., seega ja vedelik tekitab rohkem survet.
Kui paigaldate seadme kasti mingile sügavusele vedeliku sisse ja keerate seda kilega üles, külili ja alla, siis manomeetri näidud ei muutu. Nii see peakski olema, sest samal tasemel vedeliku sees on rõhk kõigis suundades võrdne.
Pilt näitab metallist manomeeter . Sellise manomeetri põhiosa moodustab toruks painutatud metalltoru 1 , mille üks ots on suletud. Toru teine ots kraani abil 4 suhtleb anumaga, milles rõhku mõõdetakse. Rõhu suurenedes paindub toru lahti. Selle suletud otsa liigutamine kangi abil 5 ja hammastused 3 edastatakse noolele 2 , liikudes instrumendi skaala lähedal. Kui rõhk langeb, naaseb toru oma elastsuse tõttu oma eelmisse asendisse ja nool naaseb skaala nulljaotusse.
Kolb vedelikupump.
Varem käsitletud katses (§ 40) tuvastati, et vesi klaastorus tõusis atmosfäärirõhu mõjul kolvi taha ülespoole. Sellel tegevus põhinebki. kolb pumbad
Pump on skemaatiliselt näidatud joonisel. See koosneb silindrist, mille sees liigub kolb tihedalt anuma seintega üles ja alla. 1 . Klapid on paigaldatud silindri põhja ja kolvi endasse 2 , avaneb ainult ülespoole. Kui kolb liigub ülespoole, siseneb atmosfäärirõhu mõjul vesi torusse, tõstab alumise klapi üles ja liigub kolvi taha.
Kui kolb liigub allapoole, surub kolvi all olev vesi põhjaventiilile ja see sulgub. Samal ajal avaneb veesurve all kolvi sees olev klapp ja vesi voolab kolvi kohal olevasse ruumi. Järgmine kord, kui kolb liigub ülespoole, tõuseb ka selle kohal olev vesi üles ja valatakse väljalasketorusse. Samal ajal tõuseb kolvi taha uus osa vett, mis kolvi järgneval langetamisel ilmub selle kohale ja kogu seda protseduuri korratakse pumba töötamise ajal ikka ja jälle.
Hüdrauliline press.
Pascali seadus selgitab tegevust hüdrauliline masin (kreeka keelest hüdraulika- vesi). Need on masinad, mille töö põhineb vedelike liikumis- ja tasakaaluseadustel.
Hüdraulilise masina põhiosa moodustab kaks erineva läbimõõduga silindrit, mis on varustatud kolbide ja ühendustoruga. Kolbide ja toru alune ruum on täidetud vedelikuga (tavaliselt mineraalõliga). Vedelikukolbide kõrgused mõlemas silindris on samad seni, kuni kolbidele ei mõju jõud.
Oletame nüüd, et jõud F 1 ja F 2 - kolbidele mõjuvad jõud, S 1 ja S 2 - kolvipiirkonnad. Rõhk esimese (väikese) kolvi all on võrdne lk 1 = F 1 / S 1 ja teise all (suur) lk 2 = F 2 / S 2. Pascali seaduse kohaselt kandub rõhk puhkeseisundis oleva vedeliku kaudu kõikidesse suundadesse võrdselt, s.t. lk 1 = lk 2 või F 1 / S 1 = F 2 / S 2, alates:
F 2 / F 1 = S 2 / S 1 .
Seetõttu tugevus F 2 nii mitu korda rohkem jõudu F 1 , Mitu korda on suure kolvi pindala suurem kui väikese kolvi pindala?. Näiteks kui suure kolvi pindala on 500 cm2 ja väikese 5 cm2 ning väikesele kolvile mõjub jõud 100 N, siis mõjub 100 korda suurem jõud ehk 10 000 N. toimida suuremale kolvile.
Seega on hüdromasina abil võimalik tasakaalustada suuremat jõudu väikese jõuga.
Suhtumine F 1 / F 2 näitab tugevuse suurenemist. Näiteks antud näites on tugevuse suurenemine 10 000 N / 100 N = 100.
Pressimiseks (pigistamiseks) kasutatavat hüdromasinat nimetatakse hüdrauliline press .
Hüdraulilisi presse kasutatakse seal, kus on vaja suuremat jõudu. Näiteks seemnetest õli pressimiseks õliveskites, vineeri, papi, heina pressimiseks. Metallurgiatehastes kasutatakse hüdraulilisi presse terasmasinate võllide, raudteerataste ja paljude muude toodete valmistamiseks. Kaasaegsed hüdraulilised pressid suudavad arendada kümnete ja sadade miljonite njuutonite suurust jõudu.
Hüdraulilise pressi struktuur on skemaatiliselt näidatud joonisel. Pressitud korpus 1 (A) asetatakse platvormile, mis on ühendatud suure kolviga 2 (B). Väikese kolvi 3 (D) abil tekitatakse vedelikule kõrge rõhk. See rõhk edastatakse silindreid täitva vedeliku igasse punkti. Seetõttu mõjub sama rõhk ka teisele, suuremale kolvile. Kuid kuna 2. (suure) kolvi pindala on suurem kui väikese kolvi pindala, on sellele mõjuv jõud suurem kui kolvile 3 (D) mõjuv jõud. Selle jõu mõjul tõuseb kolb 2 (B). Kui kolb 2 (B) tõuseb, toetub kere (A) vastu statsionaarset ülemist platvormi ja surutakse kokku. Manomeeter 4 (M) mõõdab vedeliku rõhku. Kaitseklapp 5 (P) avaneb automaatselt, kui vedeliku rõhk ületab lubatud väärtuse.
Väikesest silindrist suuresse pumbatakse vedelikku väikese kolvi 3 (D) korduvate liigutustega. Seda tehakse järgmiselt. Kui väike kolb (D) tõuseb, avaneb ventiil 6 (K) ja vedelik imetakse kolvi all olevasse ruumi. Kui väike kolb langetatakse vedeliku rõhu mõjul, sulgub klapp 6 (K) ja klapp 7 (K") avaneb ning vedelik voolab suurde anumasse.
Vee ja gaasi mõju neisse sukeldatud kehale.
Vee all saame kergesti õhku tõsta kivi, mida on raske tõsta. Kui paned korgi vee alla ja vabastad selle käest, ujub see üles. Kuidas neid nähtusi seletada?
Teame (§ 38), et vedelik surub anuma põhja ja seintele. Ja kui vedeliku sisse asetatakse mõni tahke keha, allub see samuti survele, nagu anuma seinad.
Vaatleme jõude, mis mõjuvad vedelikust sellesse sukeldatud kehale. Arutlemise hõlbustamiseks valime rööptahuka kujuga keha, mille alused on paralleelsed vedeliku pinnaga (joonis). Keha külgpindadele mõjuvad jõud on paarikaupa võrdsed ja tasakaalustavad üksteist. Nende jõudude mõjul tõmbub keha kokku. Kuid keha ülemisele ja alumisele servale mõjuvad jõud ei ole samad. Ülemine serv surutakse jõuga ülalt F 1 veesammas kõrge h 1 . Alumise serva tasemel tekitab rõhk vedelikusamba kõrgusega h 2. See rõhk, nagu me teame (§ 37), kandub vedeliku sees edasi igas suunas. Järelikult keha alumisel küljel alt üles jõuga F 2 vajutab kõrgele vedelikusamba h 2. Aga h 2 veel h 1, seega jõumoodul F Veel 2 toitemoodulit F 1 . Seetõttu surutakse keha jõuga vedelikust välja F Vt, võrdne jõudude vahega F 2 - F 1, st.
|
|
Kuid S·h = V, kus V on rööptahuka ruumala ja ρ f ·V = m f on vedeliku mass rööptahuka ruumalas. Seega F out = g m w = P w, st. üleslükkejõud võrdub vedeliku massiga sellesse sukeldatud keha mahus(üleslükkejõud võrdub sellesse sukeldatud keha mahuga sama mahuga vedeliku massiga). Keha vedelikust välja suruva jõu olemasolu on katseliselt lihtne tuvastada. Pildi peal A kujutab vedru küljes riputatud keha, mille otsas on nooleosuti. Nool tähistab statiivi vedru pinget. Kui keha vette lastakse, tõmbub vedru kokku (joon. b). Samasugune vedru kokkutõmbumine saavutatakse, kui mõne jõuga kehale alt ülespoole mõjuda, näiteks käega vajutada (tõste). Seetõttu kinnitab kogemus seda vedelikus olevale kehale mõjub jõud, mis surub keha vedelikust välja. Nagu me teame, kehtib Pascali seadus ka gaaside kohta. Sellepärast gaasis olevatele kehadele mõjub jõud, mis surub need gaasist välja. Selle jõu mõjul tõusevad õhupallid ülespoole. Keha gaasist välja suruva jõu olemasolu saab jälgida ka katseliselt. Lühendatud katlakivi pannile riputame korgiga suletud klaaskuuli või suure kolvi. Kaalud on tasakaalus. Seejärel asetatakse kolvi (või palli) alla lai anum, nii et see ümbritseb kogu kolbi. Anum on täidetud süsihappegaasiga, mille tihedus on suurem kui õhu tihedus (seetõttu süsinikdioksiid kukub maha ja täidab anuma, tõrjudes sellest õhku). Sel juhul on kaalude tasakaal häiritud. Rippkolviga tass tõuseb ülespoole (joonis). Süsinikdioksiidi sukeldatud kolb kogeb suuremat üleslükkejõudu kui sellele õhus mõjuv jõud. Jõud, mis tõukab keha vedelikust või gaasist välja, on suunatud sellele kehale rakenduva gravitatsioonijõu vastassuunas. Seetõttu prolkosmos). Just seetõttu tõstame mõnikord kergesti vees kehasid, mida meil on raske õhus hoida. Vedru küljes on riputatud väike kopp ja silindriline korpus (joonis a). Nool statiivil tähistab vedru venitust. See näitab keha kaalu õhus. Pärast kere tõstmist asetatakse selle alla valutoru tasemele vedelikuga täidetud valuanum. Pärast seda kastetakse keha täielikult vedelikku (joonis, b). Kus osa vedelikust, mille maht võrdub keha mahuga, valatakse välja valamisnõust klaasi. Vedru tõmbub kokku ja vedru osuti tõuseb, mis näitab kehamassi vähenemist vedelikus. Sel juhul mõjub kehale lisaks raskusjõule veel üks jõud, mis surub selle vedelikust välja. Kui ülemisse ämbrisse valatakse klaasist vedelik (st keha poolt välja tõrjutud vedelik), naaseb vedru osuti algasendisse (joonis, c).
Selle kogemuse põhjal võib järeldada, et jõud, mis surub täielikult vedelikku sukeldatud keha välja, on võrdne vedeliku massiga selle keha mahus . Sama järelduse saime ka §-s 48. Kui sarnane katse tehtaks mingisse gaasi sukeldatud kehaga, näitaks see seda keha gaasist välja suruv jõud on samuti võrdne kehamahus võetud gaasi massiga . Jõudu, mis surub keha vedelikust või gaasist välja, nimetatakse Archimedese jõud, teadlase auks Archimedes , kes juhtis kõigepealt tähelepanu selle olemasolule ja arvutas välja selle väärtuse. Niisiis, kogemus on kinnitanud, et Archimedese (või üleslükkejõu) jõud on võrdne vedeliku massiga kehamahus, s.o. F A = P f = g m ja. Keha poolt väljatõrjutud vedeliku massi mf saab väljendada selle tiheduse ρf ja vedelikku sukeldatud keha mahu Vt kaudu (kuna Vf - keha poolt väljatõrjutud vedeliku maht on võrdne Vt - sukeldatud keha ruumalaga vedelikus), st m f = ρ f · V t. Siis saame: F A= g·ρ ja · V T Järelikult sõltub Archimedese jõud vedeliku tihedusest, millesse keha on sukeldatud, ja selle keha mahust. Kuid see ei sõltu näiteks vedelikku sukeldatud keha aine tihedusest, kuna see kogus ei sisaldu saadud valemis. Määrame nüüd vedelikku (või gaasi) sukeldatud keha massi. Kuna sel juhul on kehale mõjuvad kaks jõudu suunatud vastassuunas (raskusjõud on allapoole ja Archimedese jõud ülespoole), siis on keha kaal vedelikus P 1 väiksem kui keha kaal. keha vaakumis P = g m Archimedese jõu kohta F A = g m w (kus m g – keha poolt väljatõrjutud vedeliku või gaasi mass). Seega kui keha on sukeldatud vedelikku või gaasi, kaotab see sama palju kaalu kui tema väljatõrjutud vedelik või gaas kaalub. Näide. Määrata merevees 1,6 m 3 mahuga kivile mõjuv üleslükkejõud. Paneme kirja ülesande tingimused ja lahendame selle. Kui ujuvkeha jõuab vedeliku pinnale, siis tema edasise ülespoole liikumisega Archimedese jõud väheneb. Miks? Aga sellepärast, et vedelikku sukeldatud kehaosa maht väheneb ja Archimedese jõud võrdub vedeliku massiga sellesse sukeldatud kehaosa mahus. Kui Archimedese jõud võrdub gravitatsioonijõuga, peatub keha ja hõljub vedeliku pinnal, mis on osaliselt sellesse sukeldatud. Saadud järeldust saab hõlpsasti katseliselt kontrollida. Valage äravooluanumasse vett drenaažitoru tasemeni. Pärast seda sukeldame ujuvkeha anumasse, olles eelnevalt õhus kaalunud. Pärast vette laskumist tõrjub keha välja veemahu, mis on võrdne sellesse sukeldatud kehaosa mahuga. Pärast selle vee kaalumist leiame, et selle kaal (Archimedese jõud) on võrdne ujuvale kehale mõjuva gravitatsioonijõuga või selle keha kaaluga õhus. Olles teinud samu katseid teiste kehadega, mis hõljuvad erinevates vedelikes - vees, alkoholis, soolalahuses, võite olla kindel, et kui keha hõljub vedelikus, siis tema poolt välja tõrjutud vedeliku kaal on võrdne selle keha massiga õhus. Seda on lihtne tõestada kui tahke aine tihedus on suurem kui vedeliku tihedus, siis keha vajub sellisesse vedelikku. Selles vedelikus hõljub väiksema tihedusega keha. Rauatükk näiteks vajub vette, aga hõljub elavhõbedas. Keha, mille tihedus on võrdne vedeliku tihedusega, jääb vedeliku sees tasakaalu. Jää hõljub veepinnal, kuna selle tihedus on väiksem kui vee tihedus. Mida väiksem on keha tihedus võrreldes vedeliku tihedusega, seda vähem on kehaosa vedelikku sukeldatud . Keha ja vedeliku võrdse tiheduse korral hõljub keha vedeliku sees mis tahes sügavusel. Kaks segunematut vedelikku, näiteks vesi ja petrooleum, paiknevad anumas vastavalt nende tihedusele: anuma alumises osas - tihedam vesi (ρ = 1000 kg/m3), peal - kergem petrooleum (ρ = 800 kg). /m3) . Veekeskkonnas asustavate elusorganismide keskmine tihedus erineb vee tihedusest vähe, mistõttu nende kaalu tasakaalustab peaaegu täielikult Archimedese jõud. Tänu sellele ei vaja veeloomad nii tugevaid ja massiivseid skelette kui maismaaloomad. Samal põhjusel on veetaimede tüved elastsed. Kala ujupõis muudab kergesti oma mahtu. Kui kala laskub lihaste abil suuremale sügavusele ja sellele avalduv veesurve suureneb, siis mull tõmbub kokku, kala keha maht väheneb ja seda ei lükata üles, vaid hõljub sügavuses. Seega saab kala oma sukeldumise sügavust teatud piirides reguleerida. Vaalad reguleerivad oma sukeldumise sügavust, vähendades ja suurendades oma kopsumahtu. Laevade purjetamine.Laevad, mis sõidavad jõgedel, järvedel, meredel ja ookeanidel, on ehitatud erinevatest materjalidest ja erineva tihedusega. Laevade kere on tavaliselt valmistatud teraslehtedest. Kõik sisemised kinnitused, mis annavad laevadele tugevust, on samuti metallist. Laevade ehitamiseks kasutatakse erinevaid materjale, millel on võrreldes veega nii suurem kui ka väiksem tihedus. Kuidas laevad hõljuvad, pardale võtavad ja suuri lasti veavad? Katse ujuvkehaga (§ 50) näitas, et keha tõrjub oma veealuse osaga välja nii palju vett, et selle vee kaal võrdub keha massiga õhus. See kehtib ka iga laeva kohta. Laeva veealuse osa poolt väljatõrjutud vee kaal on võrdne aluse kaaluga õhus oleva lastiga või laevale koos lastiga mõjuva raskusjõuga. Sügavust, milleni laev vette kastetakse, nimetatakse mustand . Suurim lubatud süvis on märgitud laeva kerele punase joonega nimega veeliin (hollandi keelest. vesi- vesi). Laeva veeväljasurve vee massi, mis on võrdne lastitud laevale mõjuva raskusjõuga, nimetatakse laeva veeväljasurveks.. Praegu ehitatakse nafta transportimiseks laevu, mille veeväljasurve on 5 000 000 kN (5 × 10 6 kN) või rohkem, st mille mass on koos lastiga 500 000 tonni (5 × 10 5 t) või rohkem. Kui veeväljasurvest lahutada laeva enda kaal, saame selle laeva kandevõime. Kandevõime näitab laeva veetava lasti kaalu. Laevaehitus eksisteeris juba aastal Iidne Egiptus, Foiniikias (arvatakse, et foiniiklased olid ühed parimad laevaehitajad), Vana-Hiina. Venemaal sai laevaehitus alguse 17. ja 18. sajandi vahetusel. Enamasti ehitati sõjalaevu, kuid just Venemaal ehitati esimene jäämurdja, sisepõlemismootoriga laevad ja tuumajäämurdja Arktika. Lennundus.
Joonis, mis kirjeldab vendade Montgolfieri õhupalli aastast 1783: "Esimese õhupalli maapealse õhupalli vaade ja täpsed mõõtmed." 1786 Iidsetest aegadest on inimesed unistanud võimalusest lennata pilvede kohal, ujuda õhuookeanis, nagu nad ujusid merel. Lennunduse jaoks Alguses kasutasid nad õhupalle, mis olid täidetud kas kuumutatud õhu, vesiniku või heeliumiga. Selleks, et õhupall õhku tõuseks, on vajalik, et Archimedese jõud (ujuvus) F Pallile mõjuv mõju oli suurem kui gravitatsioonijõud F raske, s.t. F A > F raske Kui pall tõuseb üles, väheneb sellele mõjuv Archimedese jõud ( F A = gρV), kuna atmosfääri ülemiste kihtide tihedus on väiksem kui Maa pinna tihedus. Kõrgemale tõusmiseks lastakse pallilt maha spetsiaalne ballast (raskus) ja see kergendab palli. Lõpuks saavutab pall oma maksimaalse tõstekõrguse. Palli kestast vabastamiseks vabastatakse osa gaasist spetsiaalse klapi abil. Horisontaalses suunas liigub õhupall ainult tuule mõjul, mistõttu seda nimetatakse õhupall (kreeka keelest aer- õhk, stato- seistes). Mitte nii kaua aega tagasi kasutati atmosfääri ja stratosfääri ülemiste kihtide uurimiseks tohutuid õhupalle - stratosfääri õhupallid . Enne kui nad õppisid ehitama suuri lennukeid reisijate ja lasti õhutranspordiks, kasutati juhitavaid õhupalle - õhulaevad. Neil on piklik kuju, kere all on riputatud mootoriga gondel, mis juhib propellerit. Õhupall mitte ainult ei tõuse ise üles, vaid suudab tõsta ka mõnda lasti: salongi, inimesi, instrumente. Seega selleks, et teada saada, millist koormust õhupall tõsta suudab, tuleb see kindlaks teha tõstke. Laske näiteks õhku lasta heeliumiga täidetud õhupall mahuga 40 m 3. Kuuli kesta täitva heeliumi mass on võrdne: See tähendab, et see pall suudab tõsta koormat, mis kaalub 520 N – 71 N = 449 N. See on selle tõstejõud. Sama mahuga, kuid vesinikuga täidetud õhupall suudab tõsta 479 N suurust koormust. See tähendab, et selle tõstejõud on suurem kui heeliumiga täidetud õhupallil. Kuid heeliumi kasutatakse siiski sagedamini, kuna see ei põle ja on seetõttu ohutum. Vesinik on tuleohtlik gaas. Kuuma õhuga täidetud palli on palju lihtsam tõsta ja langetada. Selleks asub palli alumises osas asuva augu all põleti. Gaasipõleti abil saate reguleerida palli sees oleva õhu temperatuuri ja seega ka selle tihedust ja üleslükkejõudu. Selleks, et pall kõrgemale tõuseks, piisab, kui kuumutada selles olevat õhku tugevamalt, suurendades põleti leeki. Põleti leegi vähenedes langeb õhutemperatuur kuulis ja pall läheb alla. Saate valida palli temperatuuri, mille juures palli ja kabiini kaal on võrdne üleslükkejõuga. Siis jääb pall õhus rippuma ja sellest on lihtne vaatlusi teha. Teaduse arenedes toimusid lennutehnoloogias olulised muutused. Õhupallide jaoks sai võimalikuks kasutada uusi kestasid, mis muutusid vastupidavaks, külmakindlaks ja kergeks. Edusammud raadiotehnika, elektroonika ja automaatika vallas on võimaldanud projekteerida mehitamata õhupalle. Neid õhupalle kasutatakse õhuvoolude uurimiseks, geograafilisteks ja biomeditsiinilisteks uuringuteks atmosfääri madalamates kihtides.
Slaid 2 Varem õpitu kordamine
Slaid 3
Slaid 4 Kas õhul on kaal?Kui palju õhk kaalub? Slaid 5
Slaid 7 Keskmine rõhk merepinnal temperatuuril t 0°C on 760 mm Hg. - normaalne atmosfäärirõhk. Slaid 8 17. sajandil tegi Robert Hooke ettepaneku baromeetri täiustamiseksElavhõbedabaromeetrit on ebamugav ja ohtlik kasutada, mistõttu leiutati aneroidbaromeeter. Slaid 9 Miks muutub elavhõbeda tase torus kõrgusega?Slaid 10 Slaid 11 Slaid 12 100 m tõusu korral langeb rõhk 10 mm Hg.
Slaid 14 Sama atmosfäärirõhuga punktid kaardil on ühendatud joontega – isobaaridega Slaid 15 Tsüklonid ja antitsüklonid
Slaid 16 Sellised näevad need keerised kosmosest väljaSlaid 17 Atmosfäärirõhk (rekordid)
Slaid 18 Peruu indiaanlased elavad 4000 m kõrguselSlaid 19 Lahendame probleeme
Slaid 20
Slaid 21
Slaid 22
Vaadake kõiki slaide Füüsika, 7. klass. Tunni kokkuvõte Tunni teema Atmosfääri rõhk.Tunni tüüp Uue materjali õppimine Klass 7 Akadeemiline aine Füüsika UMK“Füüsika” Laiendage atmosfäärirõhu mõistet, uurige atmosfäärirõhu põhjuseid; atmosfääri mõjudest põhjustatud nähtused Planeeritud tulemused Isiklik:õppetegevuse juhtimise oskuste kujundamine, füüsikahuvi kujundamine analüüsi käigus füüsikalised nähtused, motivatsiooni kujundamine teooria ja kogemuse seose paljastamise kaudu, loogilise mõtlemise arendamine. Teema:õhurõhualaste ideede kujunemine, atmosfäärirõhu mõju elusorganismidele selgitamise oskuste kujundamine ning õhurõhualaste teadmiste kasutamine igapäevaelus. Metasubjekt: arendada oskust määrata tegevuse eesmärke ja eesmärke, arendada oskust nähtuste vaatlemisel ja seletamisel fakte analüüsida, vaatlusi, katseid teha, üldistada ja järeldusi teha. Interdistsiplinaarsed seosed Geograafia, bioloogia, kirjandus. Kognitiivse tegevuse organiseerimise vormid Frontaalne, rühm, individuaalne Õppemeetodid Reproduktiivne, problemaatiline, heuristiline. Didaktilised abivahendid Füüsika. 7. klass: õpik A.V. Perõškin, esitlus tunni jaoks, kaardid ülesannetega individuaalseks, paaris- ja rühmatööks, keskne hariduskeskus “Bustard, 7. klass”. VarustusÕpik, arvuti, projektor, rühmale - klaas vett, pipetid, paberilehed. Tundide ajal I. Organisatsioonimoment.Õpetaja: Tere! Istu maha! Mul on hea meel kõiki kohalviibijaid tervitada! Usun, et tund läheb suurepäraselt ja kõigil on tuju suurepärane. II. Teadmiste värskendamine Õpetaja: Kas mäletate, mida me viimases tunnis õppisime? Õpilased: Suhtlusanumad. Õpetaja: Milliseid laevu nimetatakse suhtlemiseks? Õpilased: kahte kummitoruga omavahel ühendatud anumat nimetatakse suhtlemiseks. Õpetaja: Mõned teist on teinud purskkaevude ja sideanumate makette. (õpilased näitavad oma töid). Õpetaja: Teie laudadel on kaardid erineva raskusastmega ülesannetega: madal, keskmine, kõrge. (Lisa 1) Vali ülesande raskusaste ja täida see. Pärast täitmist vahetage märkmikud ja kontrollige ekraanilt ülesande õigsust. Andke oma hinnangud. (Koguge valikuliselt mitu teost) III. Eesmärkide seadmine Õpetaja: Poisid, kuulake tähelepanelikult, nüüd ütlen teile mõistatusi ja proovite neid ära arvata. Kas lastele on olemas tekk? Et kogu Maa oleks kaetud? Et seda jätkuks kõigile, Ja pealegi polnud seda näha? Ei kokku ega lahti, Ei puuduta ega vaata? See laseks vihma ja valgust sisse, Jah, aga tundub, et mitte? Mis see on? Õpilased: Atmosfäär Õpetaja: Kaks võrdse jõuga meest Lauad löödi maha ja tulemus on järgmine: Küünte ots vajus mütsi sisse, Müts jättis väikese mõlgi, Sõbrad õõtsutasid üheskoos kelku, Selle tõttu purunesid lauad kaheks. Oh mida füüsiline kogus räägime? Õpilased: Surve. Õpetaja. Õige. Mis saab olema tänase tunni teemaks? Õpilased: Atmosfäärirõhk. Õpetaja: Mis on tunni eesmärk? Õpilased: saate teada, mis on atmosfäärirõhk. Õpetaja: Proovige leida mitmeid küsimusi, millele teie ja mina peame tunni jooksul vastama. Õpilased: Mis on atmosfäärirõhk, miks see eksisteerib, kus atmosfäärirõhk töötab jne. Õpetaja: Suur osa teie öeldust on meie tänase tunni jaoks asjakohane, proovime neile küsimustele vastuseid leida. 1. Vesi valatakse suhtlevatesse anumatesse. Mis juhtub ja miks, kui lisate U-kujulise toru vasakule küljele veidi vett; lisada kolme jalaga toru keskmisesse anumasse vett? Vala klaasi vesi, kata see paberilehega ja käega lehte toetades keera klaas tagurpidi. Eemaldage käsi paberilt. Vesi ei valgu klaasist välja. Selgita miks? (Vaata joonist 133, lk 132) 3. lisa Kaart "Kuidas me joome"Suu kaudu vedeliku sisse tõmbamine põhjustab rindkere laienemist ja õhu hõrenemist nii kopsudes kui ka suus. Väline atmosfäärirõhk muutub kõrgemaks kui sisemine. Ja selle mõjul tormab vedelik suhu. Kaart "Miks kärbsed laes kõnnivad" Kärbsed ronivad vertikaalselt mööda siledat aknaklaasi ja kõnnivad vabalt mööda lage. Kuidas nad seda teevad? Kõik see on neile kättesaadav tänu pisikestele iminappadele, millega kärbse jalad on varustatud. Kuidas need iminapad töötavad? Neisse tekib haruldane õhuruum ja atmosfäärirõhk hoiab iminappa vastu pinda, mille külge see on kinnitatud. Kaart "Kellel on mudas lihtsam kõndida" Tugeva kabjaga hobusel on väga raske oma jalga sügavast mudast välja tõmmata. Jala alla, kui ta seda tõstab, tekib tühjendusruum ja atmosfäärirõhk ei lase jalga välja tõmmata. Sel juhul töötab jalg nagu kolb silindris. Väline atmosfäärirõhk, mis on tekkinud rõhuga võrreldes tohutu, ei võimalda jalga tõsta. Sel juhul võib jalale avaldatav survejõud ulatuda 1000 N-ni. Palju lihtsam on sellisest mudast läbi liikuda mäletsejalistel, kelle kabjad koosnevad mitmest osast ja mudast välja tõmmates suruvad jalad kokku, lastes õhku sisse tekkiv depressioon. 4. lisa Kaart individuaalseks tööks Ümber Maa on _________________, mida hoiab koos ________________. Maaga külgnev õhukiht surutakse kokku ja vastavalt seadusele kannab ___________ toodetavat talle _______________ igas suunas. Kõrguse kasvades atmosfäärirõhk _________________________. Individuaalse töö kaart puuetega lastele (gravitatsioon, rõhk, atmosfäär, langus, Pascal) Laadige alla füüsika tunni märkmed, klass 7. Atmosfääri rõhk § 42. Õhu kaal. Atmosfäärirõhk – füüsika 7. klass (Perõškin) Lühike kirjeldus: Me ei märka õhku, sest me kõik elame selles. Seda on raske ette kujutada, kuid õhul on kaal nagu kõigil kehadel Maal. Seda seetõttu, et sellele mõjub gravitatsioonijõud. Õhku saab isegi kaalul kaaluda, asetades selle klaaskuuli sisse. Lõige nelikümmend kaks kirjeldab, kuidas seda teha. Me ei märka õhu raskust, loodus on selle nii kujundanud.
Teemast lähemalt
|
