Весь курс Физики | Шпаргалки по биологии | Шпаргалки по географии | Шпаргалки по Истории России | Шпаргалки по философии

Разделы Физики
  КИНЕМАТИКА
  ОСНОВЫ ДИНАМИКИ
  СИЛЫ В ПРИРОДЕ
  ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИКИ
   Законы сохранения в механике
  Механические колебания
  Волны
  Молекулярно-кинетическая теория
  Термодинамика
  Электрическое поле
  Постоянный электрический ток
  Магнитное поле
  Электромагнитные колебания и волны
  Геометрическая оптика
  Волновая оптика
  Основы специальной теории относительности
  Квантовая физика
  Физика атома и атомного ядра

Элементы статики
  • 1.14 Условия равновесия тел
  • 1.15 Элементы гидростатики
    		•

    1.15. Элементы гидростатики

    Основным отличием жидкостей от твердых (упругих) тел является способность легко изменять свою форму. Части жидкости могут свободно сдвигаться, скользя друг относительно друга. Поэтому жидкость принимает форму сосуда, в который она налита. В жидкость, как и в газообразную среду, можно погружать твердые тела. В отличие от газов жидкости практически несжимаемы.

    На тело, погруженное в жидкость или газ, действуют силы, распределенные по поверхности тела. Для описания таких распределенных сил вводится новая физическая величина – давление.

    Давление определяется как отношение модуля силы действующей перпендикулярно поверхности, к площади S этой поверхности:

     

    В системе СИ давление измеряется в паскалях (Па):

    1 Па = 1 Н/м2.
     

    Часто используются внесистемные единицы: нормальная атмосфера (атм) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.):

    1 атм = 101325 Па = 760 мм Hg.
     

    Французский ученый Б. Паскаль в середине XVII века эмпирически установил закон, названный законом Паскаля:

     

    Давление в жидкости или газе передается во всех направлениях одинаково и не зависит от ориентации площадки, на которую оно действует.
     

    Для иллюстрации закона Паскаля на рис. 1.15.1 изображена небольшая прямоугольная призма, погруженная в жидкость. Если предположить, что плотность материала призмы равна плотности жидкости, то призма должна находиться в жидкости в состоянии безразличного равновесия. Это означает, что силы давления, действующие на грани призмы, должны быть уравновешены. Это произойдет только в том случае, если давления, то есть силы, действующие на единицу поверхности каждой грани, одинаковы: p1 = p2 = p3 = p.

    Закон Паскаля:
    1
    Рисунок 1.15.1.
    Закон Паскаля: p1 = p2 = p3 = p.
    Давление жидкости на дно или боковые стенки сосуда зависит от высоты столба жидкости. Сила давления на дно цилиндрического сосуда высоты h и площади основания S равна весу столба жидкости mg, где m = ρhS – масса жидкости в сосуде, ρ – плотность жидкости. Следовательно

     

    Такое же давление на глубине h в соответствии с законом Паскаля жидкость оказывает и на боковые стенки сосуда. Давление столба жидкости ρgh называют гидростатическим давлением.

    Если жидкость находится в цилиндре под поршнем (рис. 1.15.2), то действуя на поршень некоторой внешней силой F, можно создавать в жидкости дополнительное давление p0 = F / S, где S – площадь поршня.

    Таким образом, полное давление в жидкости на глубине h можно записать в виде:

    p = p0 + ρgh.
     

    Если на рис. 1.15.2 поршень убрать, то давление на поверхность жидкости будет равно атмосферному давлению: p0 = pатм.

    Зависимость давления от высоты
    2
    Рисунок 1.15.2.
    Зависимость давления от высоты столба жидкости.
    Из-за разности давлений в жидкости на разных уровнях возникает выталкивающая или архимедова сила

    Рис. 1.15.3 поясняет появление архимедовой силы. В жидкость погружено тело в виде прямоугольного параллелепипеда высотой h и площадью основания S. Разность давлений на нижнюю и верхнюю грани есть:

    Δp = p2 – p1 = ρgh.
     

    Поэтому выталкивающая сила будет направлена вверх, и ее модуль равен

    FА = F2 – F1 = SΔp = ρgSh = ρgV,
    где V – объем вытесненной телом жидкости, а ρV – ее масса. 

    Архимедова сила, действующая на погруженное в жидкость (или газ) тело, равна весу жидкости (или газа), вытесненной телом. Это утверждение, называемое законом Архимеда, справедливо для тел любой формы.

    Архимедова сила.
    3
    Рисунок 1.15.3.
    Архимедова сила. FА = F2 – F1 = S(p2 – p1) = ρgSh, F1 = p1S, F2 = p2S.
    Из закона Архимеда вытекает, что если средняя плотность тела ρт больше плотности жидкости (или газа) ρ, тело будет опускаться на дно. Если же ρт < ρ, тело будет плавать на поверхности жидкости. Объем погруженной части тела будет таков, что вес вытесненной жидкости равен весу тела. Для подъема воздушного шара в воздухе его вес должен быть меньше веса вытесненного воздуха. Поэтому воздушные шары заполняют легкими газами (водородом, гелием) или нагретым воздухом.

    Из выражения для полного давления в жидкости p = p0 + ρgh вытекает, что в сообщающихся сосудах любой формы, заполненных однородной жидкостью, давления в любой точке на одном и том же уровне одинаковы (рис. 1.15.4).

    Пример сообщающихся сосудов.
    4
    Рисунок 1.15.4.
    Пример сообщающихся сосудов. В правом сосуде поверхность жидкости свободна. На уровне h давление в обоих сосудах одинаково и равно p0 = F / S = ρgh0 + pатм. Давление на дно сосудов p = p0 + ρgh.
    Если оба вертикально расположенных цилиндра сообщающихся сосудов закрыть поршнями, то с помощью внешних сил, приложенных к поршням, в жидкости можно создать большое давление p, во много раз превышающее гидростатическое давление ρgh в любой точке системы. Тогда можно считать, что во всей системе устанавливается одинаковое давление p. Если поршни имеют разные площади S1 и S2, то на них со стороны жидкости действуют разные силы F1 = pS1 и F2 = pS2. Такие же по модулю, но противоположно направленные внешние силы должны быть приложены к поршням для удержания системы в равновесии. Таким образом,

     

    Если S2 >> S1, то F2 >> F1. Устройства такого рода называют гидравлическими машинами (рис. 1.15.5). Они позволяют получить значительный выигрыш в силе. Если поршень в узком цилиндре переместить вниз под действием внешней силы на расстояние то поршень в широком цилиндре переместится на расстояние поднимая тяжелый груз.

    Таким образом, выигрыш в силе в раз обязательно сопровождается таким же проигрышем в расстоянии. При этом произведение силы на расстояние остается неизменным:

    F1h1 = F2h2.
     

    Это правило выполняется для любых идеальных машин, в которых не действуют силы трения. Оно называется «золотым правилом механики».

    Гидравлическая машина.
    5
    Рисунок 1.15.5.
    Гидравлическая машина.
    Гидравлические машины, используемые для подъема грузов, называются домкратами. Они широко применяются также в качестве гидравлических прессов. В качестве жидкости обычно используются минеральные масла.


    Прикольные сувениры является очень практичным !
    службы мониторинга серверов
    Все права на текстовые материалы и графику принадлежат их законным владельцам (авторам или правообладателям).
    Все материалы на сайте представлены исключительно для личного ознакомления.