Чем больше площадь тем давление
Закон Паскаля. В чём же заключается основной закон гидростатики?
Нам известно, что тела, из-за действия на них силы тяжести, способны создавать ДАВЛЕНИЕ. Известно также, что давление возникает, как результат действия некоторой силы на некоторую поверхность и поэтому, чем больше действующая сила, тем больше и этот результат, но чем больше площадь поверхности, на которую действует сила, тем меньше результат воздействия. То есть давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади поверхности. Нам также известно, что давление принято измерять в паскалях в честь французского учёного Блеза Паскаля. Но почему именно в честь него? Какое открытие было им сделано или какое изобретение создано? Об этом и пойдёт речь далее.
2. Блез Паскаль
Французский учёный Блез Паскаль прожил очень короткую, но невероятно насыщенную открытиями и изобретениями жизнь. Например, именно им была создана первая вычислительная машина на основе связанных шестерёнок — «паскалина». Им был проведён эксперимент, доказывающий существование атмосферного давления и подтверждающий результаты опыта по измерению этого давления, который впервые был проведён учеником Галилео Галилея — Эванджелистой Торричелли. Паскаль предложил основную идею гидравлического пресса или домкрата, которая и сейчас применяется во всех гидравлических подъёмных или прессовальных устройствах. Как видим, тот факт, что его именем названа единица измерения давления вовсе не случаен. И самое главное — именно им был открыт ОСНОВНОЙ ЗАКОН ГИДРОСТАТИКИ, называемый также ЗАКОНОМ ПАСКАЛЯ.
3. Закон Паскаля
В чём же заключается основной закон гидростатики? Попробуем в этом разобраться. Известно, что если некоторое твёрдое тело оказывает на некоторую поверхность давление, то при воздействии на это тело с какой-либо силой, тело передаёт это воздействие в виде давления ровно в направлении этого воздействия. То есть, если нажать на стол сверху вниз в том месте, где находится одна из его ножек, то его давление на пол усилится строго в направлении воздействия и только в том месте, где эта самая ножка касается пола. Давление на пол со стороны остальных ножек не изменится. Совсем не так, как оказалось, передаётся давление в жидкостях (и газах). Все мы знаем и легко можем проверить, что если воздействовать на жидкость (или газ) в какой-либо точке, то это воздействие будет передано одинаково во всех направлениях. В этом и заключается основной закон гидростатики — жидкость (или газ) передаёт оказываемое на неё давление одинаково во всех направлениях. Пожалуй, самой зрелищной демонстрацией этого закона является эксперимент, в котором из пневматического ружья стреляют в куриное яйцо — сначала в варёное, в котором нет жидкости, а затем в сырое. Результат выстрела в варёное яйцо — два маленьких отверстия в скорлупке в направлении движения пули. Результат выстрела в сырое яйцо — его разрывание на множество осколков, разлетающихся во всех направлениях. Почему так происходит? В полном соответствии с законом Паскаля. В твёрдом варёном яйце давление передаётся только в направлении движения пули и яйцо остаётся целым и с двумя отверстиями, а в сыром яйце жидкость передаёт давление, создаваемое пулей, во всех направлениях одинаково и скорлупа разлетается на осколки.
4. Применение закона Паскаля
Основной закон гидростатики применяется во всех видах гидравлической техники — домкраты, прессовальные машины, поднимающиеся кузова самосвалов, жидкостные тормоза в автомобилях, а также в различных пневматических (использующих не жидкость, а воздух) системах — пневматическая почта, стоп-краны в поездах и многое другое. Применяя закон, открытый Паскалем в 17 веке, мы сегодня создаём огромное разнообразие устройств, в которых вода, масло, воздух или какой-либо газ передают давление в тех направлениях, в которых нам необходимо.
5. Методические указания для учителей
1) Перед рассказом о законе Паскаля необходимо напомнить учащимся, что такое давление само по себе, как возникает и от чего оно зависит.
2) История жизни Блеза Паскаля и его открытия и изобретения — неотъемлемая часть урока по данной теме.
3) Хорошо, если для демонстрации закона Паскаля используется «шар Паскаля», но в случае отсутствия этого оборудования можно изготовить его самостоятельно из шприца и шарика для настольного тенниса.
4) Эксперимент по демонстрации закона Паскаля с варёным и сырым яйцом проводился в программе «Галилео», видео этого эксперимента находится в свободном доступе на канале Ютуб, желательно, чтобы дети его посмотрели — на уроке или дома.
Давление твердых тел
Твердое агрегатное состояние
В природе есть три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное Их характеристики — в таблице:
| Агрегатные состояния | Свойства | Расположение молекул | Транскрипция | Русский аналог |
|---|---|---|---|---|
| Твердое | сохраняет форму и объем | в кристаллической решетке | соотносится с размером молекул | колеблется около своего положения в кристаллической решетке |
| Жидкое | сохраняет объем | хаотично | близко друг к другу | малоподвижны, при нагревании |
| Газы | занимают предоставленный объем | хаотично | больше размеров молекул | хаотичное и непрерывное |
Твердое состояние очень легко представить — это любой предмет, который мы встречаем в жизни. В этом состоянии тело сохраняет форму и объем. Расстояние между молекулами, приблизительно равно размеру самих молекул, которые, в свою очередь, расположены очень структурированно.
Такая структура называется кристаллической решеткой — из-за четкой структуры молекулам сложно двигаться, и они просто колеблются около своих положений.
Агрегатных состояния точно три?
На самом деле, есть еще четвертое — плазма. Звучит, как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.
Давление твердого тела
Идущий по рыхлому снегу человек будет в него постоянно проваливаться. Но, надев лыжи, он может передвигаться по снегу спокойно. Казалось бы, сила и масса человека не меняется — он воздействует на снег с одинаковой силой и на лыжах, и без них.
Дело в том, что «проваливание» в снег характеризуется не только силой — оно также зависит от площади, на которую эта сила воздействует. Площадь поверхности лыжи в 20 раз больше площади поверхности подошвы, поэтому человек, стоя на лыжах, действует на каждый квадратный сантиметр с силой в 20 раз меньшей, чем без них.
Или, например, если втыкать кнопки в пробковую доску, и действовать на них с одинаковой силой — легче войдет та кнопка, у которой более заостренный конец, так как у него площадь меньше.
А теперь подтвердим этот вывод опытами, как настоящие физики.
А теперь подтвердим этот вывод опытами, как настоящие физики
Возьмем небольшую доску и вобьем гвозди в ее углы. Также возьмем емкость с песком и поставим конструкцию из доски и гвоздей в эту емкость. Сначала расположим конструкцию так, как показано на рисунке — «шляпками» вниз — и поставим на нее гирю. Конструкция не потонет в песке, а только чуть-чуть углубится.
Затем перевернем конструкцию так, чтобы «шляпки» гвоздей оказались сверху и также поставим на доску гирю. Теперь конструкция потонет в песке.
От того, какая сила действует на каждую единицу площади поверхности, зависит результат действия силы
Во всех примерах мы говорили о действии силы, перпендикулярной поверхности. Чтобы охарактеризовать это действие, вводят величину «давление».
Давление
p = F/S
Как уменьшить или увеличить давление
Тяжелый гусеничный трактор производит давление на почву, равное 40 — 50 кПа. Мальчик массой 45 кг производит давление всего лишь в 3 раза меньше, чем такой трактор. Это связано как раз с тем, что площадь гусениц больше.
В зависимости от того, какое давление хотят получить, площадь опор уменьшают или увеличивают. Например, чтобы уменьшить давление здания на грунт, в процессе строительства увеличивают площадь нижней части фундамента.
Шины грузовых автомобилей делают значительно шире легковых автомобилей (обратите внимание на колеса какой-нибудь большой фуры). Самые широкие шины можно увидеть на автомобилях, предназначенных для передвижения в пустыне. Тот же самый «лайфхак» используется в шасси самолетов.
Обратная зависимость тоже используется, например, при создании лезвий колющих и режущих инструментов. Острое лезвие имеет малую площадь, поэтому даже при небольшом нажатии создается большое давление.
Задачка раз
Книга лежит на столе. Масса книги равна 0,6 кг. Площадь ее соприкосновения со столом равна 0,08 м2. Определите давление книги на стол.
Решение:
На стол будет давить сила, равная весу книги. Так как она покоится, ее вес будет равен силе тяжести. Следовательно:
p = mg/S = 0,6*10/0,08 = 75 Па
Ответ: давление книги на стол будет равно 75 Па
Задачка два
Гусеничный трактор ДТ-75М массой 6610 кг имеет опорную площадь обеих гусениц 1,4 м2. Определите давление этого трактора на почву.
Решение:
Возьмем небольшую доску и вобьем гвозди в ее углы. Также возьмем емкость с песком и поставим конструкцию из доски и гвоздей в эту емкость. Сначала расположим конструкцию так, как показано на рисунке — «шляпками» вниз — и поставим на нее гирю. Конструкция не потонет в песке, а только чуть-чуть углубится.
p=m⋅g/S = 6610⋅10/1,4 = 47 214Па = 47,2 кПа.
Ответ: давление трактора на почву составляет 47,2 кПа
Задачка три
Человек массой 80 кг с сумкой весом 100 Н стоит неподвижно на полу. Сила давления подошв его ботинок на пол равномерно распределена по площади 600 см2. Какое давление человек оказывает на пол?
Решение:
Масса человека: m = 80 кг.
Вес сумки, которую держит человек: Pc = 100 Н.
Площадь соприкосновения подошвы ботинок с полом: S = 600 кв. см.
600 кв. см = 600/10000 кв. м = 0,06 кв. м
Давление — это отношение силы к площади, на которую она действует. В данном случае на площадь действует сила, равная сумме силы тяжести человека и веса сумки:
Поэтому давление, оказываемое человеком с сумкой на пол, равно
p = (mg + Pc)/S = (80*10 + 100)/0,06 = 15 000 Па = 15 кПа
Ответ: давление человека, держащего сумку, на пол равно 15 кПа
Давление в динамике.
Давление – физическая величина, характеризующая интенсивность перпендикулярных к поверхности сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого. Силой давления на поверхность называют силу, прикладываемую перпендикулярно этой поверхности.
Для определения давления, надо силу давления, приложенную к поверхности, разделить на площадь данной поверхности:
,
где ρ – давление, F – сила давления, S – площадь.
Давление тем больше, чем меньше площадь поверхности при одинаковой силе давления.
Если силой давления является вес тела, находящегося на этой поверхности (F = P = mg), то оказываемое телом давление можно найти по формуле
Если давление и площадь известны, то силу давления можно найти по формуле:
Единица измерения давлени в СИ – паскаль (Па) в честь французского ученого Блеза Паскаля.
Паскаль – давление, которое производит сила давления в 1 Н, приложенная к поверхности площадью в 1 м 2 :
Одна и та же сила давления, приложенная к разным площадям, приводит к разным результатам. Зависимостью давления от площади опоры пользуются в технике для увеличения или уменьшения давления. Так, например, небольшая сила давления, приложенная человеком к кнопке на пульте управления, приводит к давлению в тысячу раз большему, чем давление, производимое гусеничным трактором.
Давление твердых тел
1. Понятие давления
Ребята почему в нашем городе строят не высотные дома, а дома мало этажные, но большой площадью? Верно. Так как в нашем городе под землей шахта, поэтому, чтобы дома не провалились, необходимо строить здания большей площади. Александр Васильевич Суворов, чтобы выиграть бой, решил провести свое войско через болото. Но чтобы не провалиться и провести весь груз, они построили плоты. Как вы считаете почему? Действительно построив плоты большой площади, уменьшив силу давления на поверхность воды, войска благополучно вышли на то место, где находился враг, который их не ожидал. Поэтому русские войска одержали победу.
Давлением называют физическую величину, численно равную отношению действующей силы перпендикулярно к площади поверхности.
Давление зависит не только от площади поверхности, но и от высоты предмета и от плотности этого предмета.
2. Опыты, показывающие, что давление зависит от площади поверхности
Опыт 1 : Возьмем дощечку, в которую вбиты гвозди с разными размерами шляпок и чашу заполненную песком. Если опустить дощечку стороной со шляпками, она погружается в песок меньше, чем другой стороной.
Примеры: Человек идет по снегу в сапогах или по снегу на лыжах. Протыкать ткань легче острой иголкой, чем тупой.
Вывод: Чем меньше площадь поверхности, тем давление больше.
3. Примеры применения давления в технике
Давление учитывается при строительстве зданий, строительстве железных дорог, при изготовлении слесарных инструментов, колес для автомобилей, транспорта в сельском хозяйстве и в военном деле.
Закон Паскаля
Давление
Идущий по рыхлому снегу человек будет в него постоянно проваливаться. А вот на лыжах он сможет передвигаться по тому же самому снегу спокойно. Казалось бы, ничего не меняется — человек воздействует на снег с одинаковой силой и на лыжах, и без них.
Дело в том, что «проваливание» в снег характеризуется не только силой — оно также зависит от площади, на которую эта сила воздействует. Площадь поверхности лыжи в 20 раз больше площади поверхности подошвы, поэтому человек, стоя на лыжах, действует на каждый квадратный сантиметр с силой в 20 раз меньшей, чем без них.
Или, например, если вы будете с одинаковой силой втыкать кнопки в пробковую доску, легче войдет та кнопка, у которой более заостренный конец, так как его площадь меньше.
Резюмируем: результат действия силы зависит не только от ее модуля, направления и точки приложения, но и от площади поверхности, к которой эта сила приложена.
А теперь подтвердим этот вывод опытами, как настоящие физики.
Возьмем небольшую доску и вобьем гвозди в ее углы. Также возьмем емкость с песком и поставим конструкцию из доски и гвоздей в эту емкость. Сначала расположим конструкцию шляпками вниз и поставим на нее гирю. Конструкция не утонет в песке, а только чуть-чуть углубится в него.
Затем перевернем конструкцию так, чтобы шляпки гвоздей оказались сверху и также поставим на доску гирю. Теперь конструкция утонет в песке.
От того, какая сила действует на каждую единицу площади поверхности, зависит результат действия силы.
Во всех примерах мы говорили о действии силы, перпендикулярной поверхности. Чтобы охарактеризовать это действие, используется величина давление.
Давление
p = F/S
p — давление [Па]
F — сила [Н]
S — площадь [м 2 ]
Как уменьшить или увеличить давление
Тяжелый гусеничный трактор производит давление на почву, равное 40–50 кПа. Мальчик массой 45 кг производит давление всего лишь в 3 раза меньше, чем такой трактор. Это связано с большой площадью гусениц трактора.
В зависимости от того, какое давление хотят получить, площадь опор уменьшают или увеличивают. Например, чтобы уменьшить давление здания на грунт, в процессе строительства увеличивают площадь нижней части фундамента.
Шины грузовых автомобилей делают значительно шире легковых автомобилей. Чтобы убедиться в этом, обратите внимание на колеса какой-нибудь большой фуры. Самые широкие шины можно увидеть на автомобилях, предназначенных для передвижения в пустыне. Тот же лайфхак используется в шасси самолетов.
Обратную зависимость тоже применяют, например, при создании лезвий колющих и режущих инструментов. Острое лезвие имеет малую площадь, поэтому даже при небольшом нажатии создается большое давление.
Задачка раз
Книга лежит на столе. Масса книги равна 0,6 кг. Площадь ее соприкосновения со столом равна 0,08 м2. Определите давление книги на стол.
Решение
На стол будет давить сила, равная весу книги. Так как она покоится, ее вес будет равен силе тяжести. Следовательно:
p = mg/S = 0,6 × 10 / 0,08 = 75 Па
Ответ: давление книги на стол будет равно 75 Па.
Задачка два
Решение:
p = mg/S = 6 610 × 10 / 1,4 = 47 214 Па = 47,2 кПа
Ответ: давление трактора на почву составляет 47,2 кПа.
Задачка три
Человек массой 80 кг с сумкой весом 100 Н стоит неподвижно на полу. Сила давления подошв его ботинок на пол равномерно распределена по площади 600 см2. Какое давление человек оказывает на пол?
Решение
Масса человека: m = 80 кг.
Вес сумки, которую держит человек: Pc = 100 Н.
600 см 2 = 600 / 10 000 м 2 = 0,06 м 2
Давление — это отношение силы к площади, на которую она действует. В данном случае на площадь действует сила, равная сумме силы тяжести человека и веса сумки:
Поэтому давление, оказываемое человеком с сумкой на пол, равно:
p = (mg + Pс) / S = (80 × 10 + 100) / 0,06 = 15 000 Па = 15 кПа
Ответ: давление человека с сумкой на пол равно 15 кПа.
Определение закона Паскаля
Итак, мы подошли к формулировке закона Паскаля, и звучит она так:
Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку одинаково во всех направлениях.
Обратите внимание — закон работает только с жидкостями и газами. Дело в том, что молекулы жидких и газообразных веществ под давлением ведут себя совсем не так, как молекулы твердых тел. Если молекулы жидкости и газа движутся почти свободно, то молекулы твердых тел так не умеют. Они могут лишь колебаться, немного отклоняясь от исходного положения. Именно благодаря свободному передвижению молекулы газа и жидкости оказывают давление во всех направлениях.
Рассмотрим опыт с шаром Паскаля, чтобы стало понятнее.
Присоединим к трубе с поршнем полый шар со множеством небольших отверстий. Зальем в шар воду и будем давить на поршень. Давление в трубе вырастет и вода будет выливаться через отверстия, причем напор всех струй будет одинаковым. Такой же результат получится, если вместо воды в шарике будет газ.
Давление жидкости
Из закона Паскаля следует, что раз давление передается одинаково во всех направлениях, то верхние слои жидкости давят на средние, средние — на нижние, нижние — на дно сосуда.
Давление внутри жидкости на одном и том же уровне одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается.
Это утверждение проверяется с помощью манометра — прибора для измерения давления. Чем глубже мы измеряем давление, тем больше показания.
