Изучаем давление жидкости. Делаем выводы

Чтобы разобраться с вопросом «Давление жидкости», начнём с классических примеров и постепенно перейдём к рассмотрению более сложных и запутанных вариантов. Для сосуда цилиндрической формы, у которого стенки строго вертикальные, а дно горизонтальное, гидростатическое давление жидкости, налитой на высоту h, для каждой точки дна будет неизменной. Формула для расчёта этой величины будет выглядеть как p=rgh, где r - плотность жидкости; g – ускорение свободного падения; h - высота столбика жидкости. Величина p для всех точек дна одинакова.

Вводя в формулу площадь дна сосуда S, можно рассчитывать силу давления F. Учитывая, что давление жидкости на дно сосуда в каждой точке одинаково, то логическим выводом приходим к формуле F=rghS.

Несложно заметить, что в данном случае сила давления на дно равна весу жидкости, налитой в цилиндрический сосуд правильной формы. Выглядит парадоксально, но имеет научное и логическое объяснение высказывание, что формула F=rghS работает и для сосудов самой различной формы. Другими словами, при одинаковых величинах S - площади дна и h - высоты уровня жидкости давление жидкости на дно одинаково для всех сосудов вне зависимости от того, какой объём вмещает каждый отдельный сосуд. При этом вес реально залитой жидкости в сосуды произвольной формы может быть и меньше, и больше силы давления на дно, но всегда будет удовлетворять вышеописанному правилу.


Следуя основному принципу физики проверять теоретические выводы на практике, Паскаль предложил воспользоваться прибором, названным его же именем. Изюминкой этого прибора является специальная подставка, позволяющая закреплять сосуды различной формы, у которых отсутствует дно. Дно сосудов выполняет плотно прижатая снизу пластина, которая находится на одном плече коромысла весов.

Устанавливаем гирьку на чашку другого коромысла и начинаем наполнять сосуд водой. Когда давление жидкости создаст силу, превышающую вес гирьки, жидкость откроет пластину, и избыток её выльется. Измеряя высоту водяного столба, можно вычислить численное значение силы его давления на дно и сравнить с весом гири.

Принимая во внимание возможность добиться большей силы давления малым количеством воды, лишь увеличивая высоту уровня водяного столба, можно дать объяснение ещё одному интересному опыту, также описанному Паскалем.

К верхней крышке новой тщательно законопаченной бочки, до краёв наполненной водой, была прикреплена длинная трубка, по которой заливали воду. Трубка имела небольшое сечение, пары кружек воды оказалось достаточно, чтобы водяной столб поднять на значительную высоту. В определённый момент новая добротная бочка не выдержала и разорвалась по швам. Вне зависимости от количества залитой жидкости, именно высота водяного столба привела к увеличению давления на дно бочки. В итоге была создана критическая величина силы, которая и привела к разрыву емкости.

Разница реального веса жидкости и силы давления на дно сосуда компенсируется за счёт силы, которую вызывает давление жидкости на стенки сосуда. Именно наклон стенок сосуда приводит к тому, что это давление либо направлено вверх, либо вниз, соответственно, приводя систему в равновесие.

Сосуд, имеющий сужение кверху, испытывает давление жидкости, направленное вверх. Интересный опыт можно провести, подготовив несложную установку. Необходимо на неподвижно закреплённый поршень надеть цилиндр, который переходит в трубку, установленную вертикально. Заливая воду через трубку, наблюдаем, как заполнение пространства над поршнем приводит к поднятию цилиндра вверх.

Подводя итог, понятие «давление» можем определить как отношение силы, которая действует перпендикулярно в отношении поверхности, к её площади. Единичным давлением является величина, равная одному Паскалю (1 Па) и соответствующая действию силы в один Ньютон (1 Н) на один квадратный метр (1 кв.м).

Согласно Закону Паскаля, давление, которое испытывает жидкость (газ), передаётся без изменений к каждой точке объёма жидкости (газа). Собственное давление жидкости (газа) одинаково на конкретной высоте. С глубиной оно увеличивается.

Материалы по теме: