Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

§ 23. Тиск газів і рідин. Закон Паскаля

Чому збільшується об’єм гумової повітряної кульки в ході її надування? Відповідь зрозуміла: в кульку додають повітря. А чи можна збільшити об’єм кульки без того, щоб її надувати? Чому рідина створює тиск не тільки на дно посудини, в яку її налили, а й на бічні стінки? Чому водій, натискаючи на гальма, може зупинити важкий автомобіль?

Ці загадки тиску газів і рідин ми й спробуємо розгадати.

1. З’ясовуємо, чому гази створюють тиск

Покладемо злегка надуту зав’язану повітряну кульку під ковпак повітряного насоса (рис. 23.1, а). Якщо з-під ковпака відкачувати повітря, то об’єм кульки почне збільшуватись (рис. 23.1, б). Чому так відбувається?

І ззовні, і всередині кульки міститься повітря (газ). Газ складається з частинок (атомів і молекул), які весь час рухаються в усіх напрямках і «бомбардують» гумову плівку, створюючи на неї тиск (рис. 23.2). Зрозуміло, що сила удару однієї частинки дуже мала, проте частинок у газі надзвичайно багато і за секунду кількість їхніх ударів по поверхні плівки становить число, яке має 23 нулі! Таким чином, загальна сила, з якою вдаряє така величезна кількість частинок, є значною.

Повітря всередині й зовні кульки створює тиск відповідно на внутрішню і зовнішню поверхні гумової плівки. Якщо ці тиски є однаковими, гумова плівка не розтягується. А от якщо тиск усередині кульки стає більшим від зовнішнього тиску, то кулька збільшує свій об’єм.

Сподіваємося, тепер ви зможете пояснити, чому повітряна кулька роздувається і тоді, коли ми її надуваємо, і тоді, коли відкачуємо повітря ззовні.

Рис. 23.1. Об’єм злегка надутої повітряної кульки (а) збільшується в разі зменшення зовнішнього тиску (б)

Рис. 23.2. Тиск газу на поверхню створюється численними ударами молекул газу

2. Дізнаємося, від чого залежить тиск газів

Тиск газу створюється ударами його частинок, тому збільшення як кількості, так і сили ударів на певну поверхню спричинить збільшення тиску газу. Таким чином, тиск газів можна збільшити двома способами.

Рис. 23.3. Якщо за допомогою поршня зменшити об’єм газу, то збільшиться кількість ударів молекул газу на одиницю площі стінок посудини — тиск газу зросте

Другий спосіб — збільшити температуру газу. Чим більша температура газу, тим більшою буде швидкість руху його частинок. Удари частинок об стінки посудини стануть частішими, сила їхніх ударів зросте, і внаслідок цього тиск газу в посудині збільшиться.

Відповідно зменшення тиску газу буде відбуватися в разі зменшення густини або температури газу.

3. Досліджуємо тиск рідин

На відміну від твердих тіл рідини легко змінюють свою форму — вони набувають форми тієї посудини, в якій містяться, тобто рідини є плинними. Тому рідини створюють тиск як на дно, так і на бічні стінки посудини, в якій містяться (на відміну від твердих тіл, які своєю вагою створюють тиск тільки на поверхню, на якій розміщені). Якщо в бічній поверхні посудини, заповненої рідиною, зробити отвори, то рідина поллється через них (рис. 23.4).

Наслідком плинності рідин є також те, що на будь-яке занурене в рідину тіло рідина тисне з усіх боків.

Рис. 23.4. Рідина створює тиск і на бічні поверхні посудин

4. Відкриваємо закон Паскаля

Через свою плинність рідина здатна передавати тиск по всьому об’єму посудини, в якій міститься. Зробимо голкою в поліетиленовому пакеті невеликі отвори, наберемо в пакет воду і зав’яжемо. Натиснемо на пакет — вода з пакета буде виливатися з усіх отворів (рис. 23.5). Аналогічний експеримент можна провести з повітрям або іншим газом (рис. 23.6). Ґрунтуючись на подібних дослідах, французький фізик Б. Паскаль відкрив закон, який зараз має назву закон Паскаля:

Тиск, створюваний на нерухому рідину, передається рідиною однаково в усіх напрямках.

Те саме можна сказати й про гази.

Рис. 23.5. Вода передає додатковий тиск у всі боки і внаслідок цього виходить із отворів у пакеті в усіх напрямках

Рис. 23.6. Газ, як і рідина, передає додатковий тиск у всі боки

5. Застосовуємо закон Паскаля

Властивість рідин і газів передавати тиск у всіх напрямках ми спостерігаємо в повсякденному житті, її широко використовують у техніці. Завдяки цій властивості ми можемо чути, адже повітря передає звук; працює наша серцево-судинна система, адже незважаючи на те, що кровоносні судини мають велику кількість вигинів, тиск, створюваний серцем, передається в усі частини тіла.

На законі Паскаля ґрунтуються дія системи гальмування багатьох транспортних засобів, дія домкратів, насосів та інших гідравлічних машин.

Розглянемо принцип дії гідравлічних машин на прикладі гідравлічного преса, який застосовують для пресування фанери та картону, віджимання олії, виготовлення деталей машин і механізмів тощо.

Гідравлічний прес — це найпростіша гідравлічна машина, яку використовують для створення великих сил тиску.

Гідравлічний прес складається з двох сполучених між собою циліндрів різного діаметра, які заповнені робочою рідиною (частіше машинним мастилом) і закриті рухомими поршнями (див. рис. 23.7).

Рис. 23.7. Гідравлічний прес дає змогу отримати виграш у силі: діючи на малий поршень із площею S1 меншою силою F1, маємо змогу стискати (пресувати) тіло, розташоване над поршнем із площею S2, більшою силою F2

Сила, що діє з боку рідини на великий поршень, є більшою від сили, що діє на малий поршень, у стільки разів, у скільки разів площа великого поршня більша від площі малого:

Гідравлічний прес дозволяє одержати значний виграш у силі: чим більше різнитимуться між собою площі поршнів, тим більший виграш у силі будемо мати (рис. 23.7).

За таким принципом працюють й інші гідравлічні інструменти та пристрої. Так, гідравлічний підйомник дозволяє, приклавши невелику силу, підняти важкий автомобіль (рис. 23.8), гідравлічне гальмо дозволяє зупинити автомобіль, приклавши незначну силу тиску ноги, тощо.

Спробуйте за рис. 23.8 розібратися, як працює гідравлічний підйомник.

Рис. 23.8. Гідравлічний підйомник — приклад гідравлічної машини

Підбиваємо підсумки

Гази створюють тиск на поверхню внаслідок численних ударів об цю поверхню частинок газу. Тиск газу зростає в разі зростання густини або температури газу і зменшується в разі зменшення густини або температури газу.

Через плинність рідина створює тиск на дно і на бічні стінки посудини та на будь-яке тіло, занурене в цю рідину.

Тиск, створюваний на нерухому рідину, передається рідиною однаково в усіх напрямках (закон Паскаля).

Властивість рідин передавати тиск однаково в усіх напрямках покладена в основу дії гідравлічних машин.

Сила, що діє з боку рідини на великий поршень гідравлічної машини, є більшою від сили, що діє на малий поршень, у стільки разів, у скільки разів площа великого поршня більша від площі малого:

Контрольні запитання

1. Як можна довести на досліді, що гази створюють тиск на стінки посудини, в якій містяться? 2. У чому полягає причина існування тиску в газах? 3. Чому тиск газів зростає зі зростанням їхньої густини? 4. Як змінюється тиск газів у разі збільшення або зменшення їхньої температури? Відповідь поясніть. 5. Чому рідина створює тиск не тільки на дно посудини, але й на її бічні стінки? 6. Сформулюйте закон Паскаля. 7. Доведіть, що властивість рідин і газів передавати тиск у всіх напрямках має неабияке значення в нашому житті. 8. Що таке гідравлічний прес і де його застосовують?

Вправа № 23

1. Як буде змінюватися тиск у повітряній кульці, якщо її спочатку надути, а потім міцно притиснути до твердого предмета? Чи можна передбачити, в якому місці лопне кулька?

2. Чому не можна допускати зайвого нагрівання газових балонів (навіть із газом, який не горить)?

3. Чи зміниться, а якщо зміниться, то як, тиск у шинах велосипеда, якщо ви вирішите покатати свого приятеля (див. рис. 1)?

4. У нафтовій промисловості для піднімання нафти на поверхню землі застосовують стиснене повітря, яке компресори нагнітають у простір над поверхнею нафтоносного шару. На якому законі ґрунтується цей спосіб? Поясніть свою думку.

5. Чому вибух снаряда під водою є згубним для істот, які живуть у воді?

6. Якщо вистрілити з дрібнокаліберної рушниці у варене яйце, то в яйці утвориться отвір. Якщо вистрілити в сире — яйце розлетиться. Поясніть це явище.

7. У циліндрі під поршнем площею 80 см2 міститься вода. Вантаж якої маси потрібно покласти на поршень, щоб тиск води на дно циліндра зріс на 2 кПа?

8. Площа малого поршня гідравлічної машини 15 см2, великого — 3 дм2. Визначте максимальну масу вантажу, який можна підняти за допомогою цієї машини, приклавши до малого поршня силу 200 Н.

9. Які зміни відбудуться з поверхнею рідини в запаяній зверху трубці (рис. 2), якщо трубку охолоджувати? нагрівати?

10. Під дією сили 300 Н малий поршень гідравлічної машини опустився на 4 см, а великий піднявся на 1 см. Визначте силу, що діяла на великий поршень.

11. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся, як працюють деякі гідравлічні пристрої (наприклад, гідравлічна система гальмування автомобіля, гідравлічні ножиці, пневматичні оприскувачі для боротьби із сільськогосподарськими шкідниками). Підготуйте повідомлення про один із пристроїв.

Рис. 1

Рис. 2

Експериментальні завдання

1. «Швидкий ремонт». Візьміть тенісну кульку, поверхня якої має вм’ятину, та випряміть її, зануривши кульку на певний час у гарячу воду. Що витисне вм’ятину зсередини?

2. «Мильні бульбашки». Понадувайте мильні бульбашки. Чому вони мають форму кулі?

Фізика і техніка в Україні

Інститут механіки ім. С. П. Тимошенка НАН України (Київ), заснований у 1918 р., — найпотужніший в Україні та відомий у світі дослідницький центр. Основні напрями наукової діяльності Інституту — механіка неоднорідних середовищ, динаміка та стійкість механічних систем, механіка руйнування та втома матеріалів.

Теоретичні й експериментальні результати науковців Інституту застосовують у ракетно-космічній, авіаційній, суднобудівній та інших галузях промисловості. В Інституті сформувалися визнані у світі школи механіки, зокрема школа Тимошенка, школа Крилова — Боголюбова — Митропольського, школа Гузя.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.