Чем больше плотность тем больше давление

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: P_c = 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 + P_с) / 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.

Давление столба жидкости

p = ρgh

ρ — плотность [кг/м 3 ]

h — высота столба жидкости [м]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На Земле g = 9,8 м/с 2

Формула давления столба жидкости часто требуется в задачах.

Задачка раз

На горизонтальном столе стоят два цилиндрических сосуда — узкий и широкий (см. рисунок). В узкий сосуд налита вода, в широкий — керосин. Уровень жидкости в сосудах одинаковый. Сравните давления p жидкостей в точках A, B, C, D и выберите правильную пару утверждений.

Решение

Давление столба жидкости прямо пропорционально ее плотности и высоте столба. Плотность воды больше плотности керосина, следовательно, давление в точке A больше давления в точке C. Давления в точках B и D равны.

Правильный ответ указан под номером 4.

Задачка два

Решение

Поскольку вода не вытекает из пробирки, давление столба высотой h₂ на жидкость в сосуде высотой h₁ уравновешено давлением, которое оказывает вода в сосуде на столб воды в пробирке. Сосуд открытый, поэтому на него действует внешнее давление, которое и передается столбу воды. В результате столб воды в пробирке не оказывает дополнительного давления на точку А, поэтому давление, оказываемое водой на дно сосуда в точке А, равно p = ρgh1. Тогда:

p = ρgh₁ = 998 × 10 × 0,3 = 2 994 Па

Источник

Плотность вещества

Масса

Начнем с самого сложного — с массы. Казалось бы, это понятие мы слышим с самого детства, примерно знаем, сколько в нас килограмм, и ничего сложного здесь быть не может. На самом деле, все сложнее.

В Международном бюро мер и весов в Париже есть цилиндр массой один килограмм. Материал этого цилиндра — сплав иридия и платины. Его масса равна одному килограмму, и этот цилиндр — эталон для всего мира.

Высота этого цилиндра приблизительно равна 4 см, но чтобы его поднять, нужно приложить немалую силу. Необходимость эту силу прикладывать обуславливается инерцией тел и математически записывается через второй закон Ньютона.

Второй закон Ньютона

F = ma

В этом законе массу можно считать неким коэффициентом, который связывает ускорение и силу. Также масса важна при расчете силы тяготения. Она является мерой гравитации: именно благодаря ей тела притягиваются друг к другу.

Закон Всемирного тяготения

F = GMm/R2

M — масса первого тела (часто планеты) [кг]

m — масса второго тела [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

G = 6.67 × 10-11 м3 кг-1 с-2

Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз. Когда думаешь об этом, хочется взвешиваться исключительно на Луне🙃

Откуда берется масса

Физики убеждены, что у элементарных частиц должна быть масса. Доказано, что у электрона, например, масса есть. В противном случае они не могли бы образовать атомы и всю видимую материю.

Вселенная без массы представляла бы собой хаос из различных излучений, двигающихся со скоростью света. Не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни планет. Здорово, что это не так, и у элементарных частиц есть масса. Только вот пока непонятно, откуда эта масса у них берется.

Мужчину на этой фотографии зовут Питер Хиггс. Ему мы обязаны за предположение, экспериментально доказанное в 2012 году, что массу всех частиц создает некий бозон.

Бозон Хиггса невозможно представить. Это точно не частица в форме шарика, как обычно рисуют электрон в учебнике. Представьте, что вы бежите по песку. Бежать ощутимо сложно, как будто бы увеличилась масса. Частицы пробираются в поле Хиггса и получают таким образом массу.

Объем тела

Объем — это физическая величина, которая показывает, сколько пространства занимает тело. Это важный навык — уметь объемы соотносить. Например, чтобы посчитать, сколько пластиковых шариков помещается в гигантский бассейн.

Например, чтобы рассчитать объем прямоугольного параллелепипеда, нам нужно перемножить три его параметра.

Формула объема параллелепипеда

V = a*b*c

А для цилиндра будет справедлива такая формула:

Формула объема цилиндра

V = S*h

S — площадь основания [м^2]

Плотность вещества

Плотность — скалярная физическая величина. Определяется как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму.

Формула плотности вещества

р — плотность вещества [кг/м^3]

m — масса вещества [кг]

V — объем вещества [м^3]

Плотность зависит от температуры, агрегатного состояния вещества и внешнего давления. Обычно если давление увеличивается, то молекулы вещества утрамбовываются плотнее — следовательно, плотность больше. А рост температуры, как правило, приводит к увеличению расстояний между молекулами вещества — плотность понижается.

Ниже представлены значения плотностей для разных веществ. В дальнейшем это поможет при решении задач.

Источник

dmitrij_an

АД ТР

Актуализирующаяся данность текучего реализьма

Понемногу в голове ломаются все устоявшиеся представления о смысле физических терминов.

Вот что такое плотность?

Вики гласит:

Пло́тность — скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму
Плотность (плотность однородного тела или средняя плотность неоднородного) находится по формуле:

где m — масса тела, V — его объём; формула является просто математической записью определения термина «плотность», данного выше.
При вычислении плотности газов при нормальных условиях эта формула может быть записана и в виде:

где М — молярная масса газа, — молярный объём (при нормальных условиях приближённо равен 22,4 л/моль).
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C

А раз плотность газов зависит от молярной массы, то есть, от количества молекул в объеме, то, казалось бы, плотность – это количество молекул в определенном объеме? И чем «тяжелее» молекула, тем больше плотность?

Смотрим:
Жидкий водород – плотность 70 кг/м.куб.
Жидкий гелий – плотность 130 кг/м.куб.
жидкий азот – плотность 808 кг/м.куб.,
жидкий кислород – 1140 кг/м.куб.
жидкий фтор – 1500 кг/м.куб

Казалось бы, все правильно?

Однако с металлами уже не все так однозначно. В ряду от калия до меди плотность увеличивается от 0,86 до 8,9 г/см.куб, а потом опа! – плотность цинка 7,14, плотность галлия – 5,9, германия – 5,4. Аналогичная картина в следующем периоде с серебром-кадмием-индием.
Что это значит? Что расстояние между атомами увеличивается? Если и так, то объяснения такой закономерности нет.

Есть еще и осмотическое давление – когда молекулы в растворе рвутся туда, где их мало, даже преодолевая препятствия.

http://www.myshared.ru/slide/165133/

Например, если молекул соли снаружи живой клетки много, то они будут всеми силами прорываться внутрь клетки, и сил этих так много, что они способны смять мембрану клетки, несмотря на то, что клетка вполне наполнена. Почему лекарства растворяют в физрастворе перед инъекцией? Потому, что простая вода или более концентрированный раствор вызовут у пациента болезненный ощущения. Именно из-за осмотической деформации окружающих клеток.

«Плотность» начинает означать лишь свойства притягивания или выталкивания.

Однако закон Бернулли гласит: чем больше скорость, тем меньше давление! Скоростной поток затягивает в себя материю, ведет себя так, словно у него меньше плотность и отрицательное давление! Если считать скоростной поток совокупностью частиц, то непонятно, куда втягиваются поступающие частицы (в трубе с водой, например)? Ну, пусть даже частицы двигаются быстрее, но ведь расстояния между ними не увеличиваются? Или все-таки увеличиваются? Откуда втягивающий эффект, где место для втягиваемых молекул?

Источник

Давление и его влияние на вещество

на страницах сайта

www.electrosad.ru

Вещество́ — форма материи, в отличие от поля, обладающая массой покоя. Вещество состоит из частиц, среди которых чаще всего встречаются электроны, протоны и нейтроны. Последние два образуют атомные ядра, а все вместе — атомы, молекулы, кристаллы и т.д.
Каждому веществу присущ набор специфических свойств – объективных характеристик, которые определяют индивидуальность конкретного вещества и тем самым позволяют отличить его от всех других веществ.

Поле, в отличие от веществ, характеризуется непрерывностью, известны электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля различных элементарных частиц.

Многие просто не задумываются, другие что-то слышали про то, что воздух (газы) сжимаются, что жидкости не сжимаются, а твердое — на то оно и твердое чтобы не сжиматься.

Так вот сжимается все!

Дело только в давлении которое прикладывается к веществу.

Что мы знаем о веществе и как оно ведет себя под давлением?

Из раздела физики «МЕХАНИКА» известно понятие сжимаемость вещества.

З нак минус говорит об уменьшении объема.

На первый взгляд, физика не отрицает возможности сжатия вещества.

Данное явление изучено в отношении газов в пределах технически освоенных давлений, но пока мало изучено для твердых тел и жидкостей. Проблема в величине используемых для сжатия давлений.

Любознательные слышали, что в 60 годах прошлого века Российские ученые синтезировали алмазы из графита. Правда алмазы технические — мелкие, но по своими физическим свойствам это именно алмазы. Эти алмазы применяются в промышленности для изготовления алмазного инструмента.

После синтеза кристаллическая решетка перестраивается и графит превращается в алмаз, каждый атом углерода которого имеет связи с тремя соседними атомами, а сами атомы

« С (углерода) расположены по вершинам куба, в центрах граней и в центрах 4 несмежных октантов ». Алмаз можно представить как одну гигантскую молекулу.

При этом физические свойства ГРАФИТА существенно отличаются от АЛМАЗА, получается совершенно новый материал.

Сейчас существует еще несколько способов синтеза.

Один из них состоит в подготовке высоко углеродистого сплава никель-марганец и его охлаждении под давлением в формах из твердого сплава (типа ВК). Выкристаллизовавшиеся мелкие алмазы отделяют после растворения металлической матрицы в смеси кислот.

Специалисты высказывают предположение, что при высоких давлениях (более 10 6 кг/см 2 ) существуют более плотные (может быть — металлические) модификации С.

Рассказанное выше это наглядный пример действия давления на вещество, известное уже сейчас. Под действием сверхвысоких давлений в веществе перестраиваются молекулярные и межатомные связи, в результате вещество уплотняется (графит 2,23 г/см 3 — алмаз 3,51 г/см 3 ) и приобретает новые физико-химические свойства. Оставаясь по сути тем же исходным химическим веществом.

Имеется информация, что при высоком давлении такие газы как кислород и водород переходят в твердую фазу с образованием кристаллической решетки. При этом плотность металлического водорода превышает плотность твердого молекулярного (0,59 г/см 3 против 0,089 г/см 3 ). А водород приобретает свойства металла. Аналогично может вести себя и кислород. Это происходит при давлениях превышающих (2-4) 10 6 кг/см 2 при температуре 0 град. К (близких к абсолютному нулю). Есть вероятность, что сжатые до появления электропроводности газы могут быть устойчивыми в условиях нашей окружающей среды.

Сейчас известно, что металлы уже в доступном нам диапазоне давлений уменьшаются в объеме. Растет их плотность. Налицо признаки их сжатия. Правда, насколько мне известно, это уменьшение объема незначительно, но достаточно чтобы его измерить.

Химические элементы могут образовывать устойчивые (устойчивые при определенных физических условиях) комбинации — химические соединения.

Как исходные химические элементы, так и результирующие соединения могут быть газообразными, жидкими и твердыми — так мы их ощущаем своими органами чувств.

Известно, что газы обладают хорошей сжимаемостью. В нижней части применяемом в современной технике диапазоне давлений они сжимаются без изменения своего состояния.

Можно представить следующую картину влияния высоких давлений на вещество.

С ростом давления при сжатии вещества происходит:

Для газов это происходит пропорционально до давлений при которых молекулы газов не исчерпывают межмолекулярные зазоры, газы при этом нагреваются.
Пример: водород — газ, жидкость, твердый. Последние могут существовать если сжатый водород охладить.

Для твердых материалов с кристаллической структурой с ростом давления до величин соизмеримых с силами связей в кристаллической решетке, состояние материала не изменяется. Но при превышении этого давления * происходит разрушение связей в кристалле и атомы сближаются. Причем возможны более плотные устойчивые кристаллические образования для данного материала, как например у углерода (графит — алмаз). При этом энергия кристаллических связей перераспределяется в объеме вещества. В этом диапазоне давлений возможен синтез новых материалов, устойчивых при нормальных условиях, с новыми свойствами.

В обоих рассмотренных выше случаях, и далее, для изменения структуры вещества при сжатии должно выполняться условие — прикладываемое к нему сила должна превышать силы межатомных связей молекул или кристаллической решетки. Эти силы для различных веществ различны и их диапазон достаточно широк. Поэтому в реальных смесях процесс происходит в достаточно широком диапазоне давлений. Процесс захватывает сначала вещества с малыми энергиями связи и далее до самых высоких. В пределах этого диапазона возможны образования новых межатомных структур (более плотные кристаллы, молекулы), в том числе стабильных.

При дальнейшем росте давления и достижении некоторой его величины продолжается дальнейшее сжатие вещества разрушение молекулярных и кристаллических связей. Результатом является полное разрушение кристаллических решеток, межатомных связей и переход его в аморфное состояние, когда вещество состоит из смесей отдельных атомов.

Продолжая повышать давление и сжимая, уже вещества состоящие из отдельных атомов, приходим к некоторому состоянию, когда межатомное пространство сократится до минимума, вплоть до соприкосновения их электронных оболочек. Электроны внешних оболочек могут отрываться под действием температуры, перемещаться в межатомном пространстве и вещество становится электропроводным превращаясь в тяжелую плазму. Температура вещества повышается. Плотность вещества растет.

Здесь и далее не говорим о величине давления и совершаемой работе. Поскольку в масштабах космоса существуют давления практически любой величины, и нас интересует принцип воздействие давления на вещество. В принципе могут посчитать давления, по крайней мере на начальном участке, на порядок — два превышающих давления применяемые при синтезе алмазов. Эти сверхвысокие давления по силам современной технике, их исследования принесут новые открытия и конструкционные материалы.

Чтобы представить, каков хотя бы порядок величины давления может существовать в природе, посмотрите рисунок 1:

На Рис.1 условно показано какое давление может создать столб четырех веществ (взятых для примера) высотой h км.
Так мог выглядеть график если бы вещество не сжималось.

Продолжим рассматривать, как влияет дальнейший рост давления на вещество.

Дальнейший рост давления приводит к полному разрушению ядер. Тяжелые частицы содержащиеся в ядрах вытесняют электроны за пределы их сосредоточения. Этим самым как бы происходит сепарация (разделение) вещества на тяжелые и более легкие и подвижные фракции. Электроны и протоны, нейтроны. Энергия связи, ранее удерживающая частицы в ядре, передаются им и в результате температура среды повышается.

Общая тенденция показана на рис.2

И так можно продолжать до бесконечности (где конец этому процессу покажет далекое будущее).

Процесс сжатия с ростом давления происходит циклически, что определяет слоевую структуру и обеспечивает устойчивое состояние вещества в слое.

С учетом сжимаемости вещества и рисунок 1 будет выглядеть несколько иначе (он будет подобен рис.2), да и величина давления будет существенно выше.

Поясню график показанный на рис.2.

Следует отметить, что участок I имеет наибольшую протяженность по шкале давлений ( Δ P ), и каждый последующий укорачивается.

Дополнительным подтверждением сжимаемости вещества является его плотность.

Ее оценки, по разным источникам, приведены в Таблице 1.

Конец этому процессу там, где кончается вещество и остается только более широкое понятие материя.

Известным нам примером конечного (или близкого к нему) состояния является космический объект под названием «черная дыра», плотность вещества в которой по некоторым оценкам больше 1*10 19 см. Таб.1.

Но железо не самое тяжелое вещество, а нейтроны не самое плотное.

Мир бесконечен и кто знает где предел плотности вещества?

Источник