Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

Частина ІІ. Тиск. Закон Архімеда. Плавання тіл

§ 22. Тиск твердих тіл на поверхню. Сила тиску

Чому мешканці Півночі для пересування по снігу використовують лижі? Чому влітку жінка, взута в туфлі на шпильках, залишає на м’якому асфальті помітні й глибокі сліди? Навіщо леза ножів час від часу нагострюють? Для чого цвях має вістря? Спробуємо отримати відповіді на ці запитання.

1. Спостерігаємо наслідки дії сили

Одним із наслідків дії сили є деформація тіл: чим більша сила діє на тіло, тим більшою буде деформація.

Деформація залежить і від інших чинників, зокрема від площі поверхні, по якій розподіляється сила. У більшості випадків діє правило: чим більшою є площа поверхні, на яку діє певна сила, тим меншою буде деформація.

Проілюструємо це твердження за допомогою простого досліду: поставимо дерев’яний брусок на сніг спочатку на одну грань, а потім на іншу, більшої площі (рис. 22.1). У першому випадку сніг деформується сильніше (брусок більше провалиться в сніг), хоча в обох випадках сила, що діє на сніг з боку бруска (тобто вага бруска), є однаковою.

Рис. 22.1. Дерев’яний брусок провалюється в сніг більше, якщо він поставлений на меншу грань

Можна провести ще один дослід: натисніть з однаковою невеликою силою на поверхню піску спочатку розкритою долонею, а потім пальцем — і ви побачите, в якому випадку глибина сліду буде більшою (рис. 22.2).

Рис. 22.2. Якщо на поверхню піску натиснути рукою, то глибина сліду залежатиме від того, як саме було натиснуто — долонею чи пальцем (за однакової сили тиску)

2. Даємо означення тиску

Для характеристики залежності результату дії сили від площі поверхні, на яку діє ця сила, використовують таке поняття, як тиск.

Тиск — це фізична величина, яка характеризує результат дії сили і дорівнює відношенню сили, яка діє перпендикулярно до поверхні, до площі цієї поверхні:

де p — тиск; F — сила тиску — сила, що діє на поверхню перпендикулярно до неї; S — площа цієї поверхні.

Одиниця тиску в СI — паскаль (Па); названа на честь французького вченого Блеза Паскаля (рис. 22.3):

[p] = Па.

Рис. 22.3. Блез Паскаль (1623-1662) — видатний французький математик, фізик, філософ; класик французької літератури

1 Па — це тиск, який створює сила 1 Н, що діє перпендикулярно до поверхні площею 1 м2:

1 Па — невеликий тиск (приблизно такий тиск чинить на стіл аркуш альбому для малювання), тому частіше використовують кратні одиниці тиску: гектопаскаль (1 гПа = 100 Па), кілопаскаль (1 кПа = 1000 Па), мегапаскаль (1 МПа = 1 000 000 Па).

Розгляньте таблицю та поміркуйте, чому, наприклад, гусениці трактора створюють на ґрунт набагато менший тиск, ніж колеса легкового автомобіля.

3. З’ясовуємо, як можна збільшити або зменшити тиск

З означення тиску

випливає, що тиск твердих тіл можна змінити в два способи.

Перший спосіб: змінити силу, яка діє на поверхню певної площі. Зі збільшенням сили тиск збільшиться; зі зменшенням сили тиск зменшиться.

Другий спосіб: змінити площу поверхні, на яку діє певна сила тиску. Для збільшення тиску площу слід зменшити (саме тому нагострюють інструменти — ножиці, ножі, шила тощо) (рис. 22.4).

Тиск, який створюють деякі тіла

Тіло, що створює тиск

Тиск р, кПа

Людина, що стоїть, на підлогу

20-30

Гусениці трактора на ґрунт

40-50

Колеса легкового автомобіля на ґрунт

200-300

Лезо лопати на ґрунт

1000-2000

Швацька голка на тканину

До 100 000

Колеса залізничного вагона на рейки

300 000

Зуби собаки на кістку

До 150 000

Жало оси на шкіру

33 000 000

Рис. 22.4. Щоб прикладати менше зусиль під час роботи з деякими інструментами, їх нагострюють

Рис. 22.5. Людина провалилася в сніг, а всюдихід залишився на його поверхні

І навпаки, для зменшення тиску площу поверхні збільшують.

Розгляньте рис. 22.5 і поясніть, чому тиск, який створюють ноги людини, є більшим за тиск, що створює важкий всюдихід.

2. Учимося розв’язувати задачі

Задача. Порівняйте тиски, які чинять на поверхню снігу юний турист і юний лижник. Маса кожного хлопця разом зі спорядженням становить 63 кг. Площа підошви черевика туриста дорівнює приблизно 210 см2, площа лижі — приблизно 1800 см2.

Аналіз фізичної проблеми. Тиск, який створює кожен юнак, визначається силою тиску та площею, на яку він спирається. Сила тиску в обох випадках — це вага юнака; вона розподіляється на дві підошви або дві лижі. Вважатимемо, що на обидві підошви (лижі) навантаження розподіляється рівномірно. Задачу розв’язуватимемо в одиницях CI.

Підбиваємо підсумки

Для збільшення тиску слід зменшити площу поверхні, на яку діє сила тиску, або збільшити силу тиску.

Для зменшення тиску слід збільшити площу поверхні, на яку діє сила тиску, або зменшити силу тиску.

Контрольні запитання

1. Від чого залежить результат дії сили? 2. Дайте означення тиску. 3. Назвіть одиницю тиску в CI. 4. Дайте означення одиниці тиску. 5. Як можна збільшити тиск? Як можна зменшити тиск? Наведіть приклади.

Вправа № 22

1. Людина, яка сидить на дивані, створює на його поверхню певний тиск. Як зміниться тиск, якщо людина ляже на диван?

2. Чому оса своїм жалом (рис. 1) може створити тиск набагато більший, ніж тиск, що створює на підлогу людина, коли стоїть?

Рис. 1

3. Площа різального краю лопати становить 70 мм2. Який тиск створює лопата на ґрунт, якщо людина діє на лопату із силою 210 Н?

4. Тиск гусеничного трактора на ґрунт становить 27 кПа. Що це означає? З якою силою трактор тисне на ґрунт, якщо площа, на яку спираються його гусениці, становить 2,9 м2?

5. Подайте зазначений тиск у паскалях: 0,35 кН/м2; 1,5 Н/см2; 36 мН/см2.

6. Хлопчик виїхав на лижах на снігову галявину. Сніговий наст галявини витримує тиск 2 кПа. Ширина кожної лижі — 10 см, довжина — 1,5 м. Якою може бути максимальна маса хлопчика, щоб він не провалювався в сніг?

7. Ніхто не може бути повністю застрахований від нещасного випадку на водоймі, вкритій льодом. Як повинні поводитися рятувальник і сам постраждалий, якщо сталася біда і людина провалилася під лід (рис. 2)? Обґрунтуйте їхні дії.

Рис. 2

8. За незмінної площі поверхні тиск прямо пропорційний силі тиску. Побудуйте графік залежності тиску на поверхню площею 0,25 м2 від сили тиску.

9. Скориставшись додатковими джерелами інформації, обчисліть тиск, який створюють тварини на поверхню. Як цей тиск залежить від умов їхнього життя? (Порівняйте, наприклад тиск, що створюють копита гірського козла та копита північного оленя.) Як тварини збільшують і зменшують створюваний ними тиск?

Експериментальне завдання

«Догори ногами». У скільки разів зміниться тиск, створюваний вашим письмовим столом на підлогу, якщо його перевернути ніжками догори? Відповідь слід знайти, не перевертаючи і не зважуючи стіл!

Фізика і техніка в Україні

Степан Прокопович Тимошенко (1878-1972) — видатний український учений-механік, один із організаторів і перших академіків Української академії наук, засновник Інституту механіки АН України, школи прикладної механіки в США.

Основні напрями наукової роботи С. П. Тимошенка — фундаментальні праці з опору матеріалів, теорії пружності, теорії коливань механічних систем, теорії споруд і будівельної механіки. Особливо великий внесок учений зробив у розвиток прикладної теорії пружності, теорії стійкості пружних, оболонкових і пластинчастих систем. Саме С. П. Тимошенко розробив загальний енергетичний метод розрахунку стійкості механічних систем, широко відомий як метод Тимошенка.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.