Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

§ 26. Сполучені посудини. Манометри

Щоранку, прокидаючись, ми поспішаємо вмитись. А чи знаєте ви, чому з крана біжить вода, коли ми його відкриваємо? А чому виливається вода з носика чайника, якщо його нахилити? А як «працює» артезіанський колодязь? Напевне, дехто з вас уже знає, що всі ці пристрої є сполученими посудинами. Саме про сполучені посудини, їхні властивості та застосування йтиметься в цьому параграфі.

1. Досліджуємо сполучені посудини

Сполучені посудини — це посудини, з’єднані між собою так, що між ними може перетікати рідина.

Найпростіші сполучені посудини — це дві з’єднані між собою трубки. Якщо в одну із трубок наливати воду, то вода перетікатиме в другу. Коли рух води припиниться, вода в обох трубках (обох колінах сполучених посудин) установиться на одному рівні (рис. 26.1, а). Якщо нахиляти або піднімати одне з колін, то вода перетікатиме з коліна, розташованого вище, доти, доки рівні води в обох колінах не зрівняються (рис. 26.1, б).

Отже, ми виявили основну властивість сполучених посудин:

У відкритих сполучених посудинах вільні поверхні однорідної нерухомої рідини встановлюються на одному рівні.

Зверніть увагу! Вільні поверхні рідини встановлюються на одному рівні не лише у двох, але й у будь-якій кількості сполучених посудин — незалежно від того, яку форму вони мають і як розташовані в просторі (рис. 26.2).

А от якщо в праве і ліве коліна сполучених посудин налити рідини, які не змішуються і мають різні густини, наприклад гас і воду, результат буде іншим. Розглянемо рис. 26.3. На рівні CD тиск стовпчиків рідин у посудинах є однаковим:

PC = PD , або p1gh1 = p2gh2.

Рис. 26.1. У відкритих сполучених посудинах однорідна рідина встановлюється на одному рівні

Рис. 26.2. Незалежно від форми відкритих сполучених посудин рівень рідини в них є однаковим

Рис. 26.3. У відкритих сполучених посудинах рівень рідини меншої густини встановлюється на більшій висоті (p1 < p2, h1 > h2)

Після скорочення на g отримуємо: p1h1 = p2h2. Отже, якщо p1 < p2, то h1 > h2.

Звідси маємо ще одну властивість сполучених посудин:

У відкритих сполучених посудинах стовпчик нерухомої рідини з меншою густиною буде вищим, ніж стовпчик нерухомої рідини з більшою густиною. Для двох відкритих сполучених посудин співвідношення висот стовпчиків рідин і густин цих рідин має вигляд:

Сполучені посудини широко застосовують у побуті, медицині, техніці, будівництві. Шлюзи на каналах і річках, водогони, водомірні трубки на парових котлах, артезіанські колодязі, фонтани, чайники, лійки, крапельниці — все це приклади сполучених посудин.

Розгляньте рис. 26.4 і спробуйте пояснити принцип дії деяких із цих пристроїв.

Рис. 26.4. Застосування сполучених посудин у побуті: а — лійка; б — водогін; в — водяний затвор у зливі мийки

2. Виготовляємо відкритий рідинний манометр

На праве коліно U-подібної трубки, в яку налито однорідну рідину, надінемо гумову грушу і злегка її стиснемо. Рідина в трубці встановиться таким чином, що висота стовпчика рідини в правому коліні трубки буде меншою, ніж у лівому, на h (рис. 26.5).

Рис. 26.5. Різниця атмосферного тиску рарм і тиску повітря рп компенсується тиском стовпчика рідини висотою h

Визначимо тиск повітря рп у правому коліні трубки. На рівні АВ тиск у рідині однаковий (рА = рВ). У точці В це буде тиск рп — тиск повітря в груші, у точці А — атмосферний тиск рарм плюс гідростатичний тиск стовпчика рідини висотою h. Отже, отримуємо:

pп = рарм + pgh.

Таким чином, за допомогою U-подібної трубки, заповненої однорідною рідиною (відомої густини p), і лінійки, що дозволяє виміряти різницю рівнів рідини в колінах трубки (h), можна визначити, на скільки тиск газу в груші відрізняється від атмосферного. Відповідний прилад має назву відкритий рідинний манометр (рис. 26.6).

Рис. 26.6. U-подібна трубка, яка наповнена рідиною і має шкалу, — відкритий рідинний манометр: а — будова; б — вимірювання тиску газу в ємності (колбі 5)

Манометр — це прилад для вимірювання тиску рідин і газів.

Відкритий рідинний манометр (рис. 26.6, а) складається з лінійки 1, до якої приєднана U-подібна трубка 2. Трубка заповнена підфарбованою рідиною 3 так, що рівень рідини розташований на позначці 0.

Під час вимірювань (рис. 26.6, б) одне коліно трубки відкрите в атмосферу, а друге за допомогою шланга 4 сполучене з ємністю, в якій необхідно виміряти тиск газу (з колбою 5).

Наприклад, на рис. 26.6, б різниця рівнів підфарбованої рідини у сполучених посудинах становить 10 см (h = 0,1 м). Якщо в трубці міститься підфарбована вода, то тиск газу в колбі 5 менший від атмосферного тиску на 980 Па:

3. Замінюємо рідинний манометр металевим

Рідинний манометр не завжди є зручним у використанні: необхідно готувати його до вимірювань (наливати рідину до потрібного рівня), здійснювати додаткові обчислення. Тому в техніці використовують металеві деформаційні манометри (рис. 26.7).

Основний елемент металевого деформаційного манометра — гнучка дугоподібна трубка 1, один кінець якої (А) є запаяним. Другий кінець трубки (В) сполучають з резервуаром, де потрібно виміряти тиск. Принцип дії цих манометрів такий. Якщо тиск газу всередині трубки більший за атмосферний, то гнучка трубка розпрямляється і її рух передається через механізм 2 до стрілки 3, що рухається вздовж шкали 4 приладу. Після зменшення тиску газу до атмосферного трубка повертається в початкове (недеформоване) положення, а стрілка зупиняється на позначці 0. Шкала металевого манометра проградуйована в атмосферах або паскалях.

Рис. 26.7. Металевий деформаційний манометр: а — загальний вигляд; б — будова: трубку 1 за допомогою передавального механізму 2 з’єднано зі стрілкою 3. Тиск визначають за шкалою 4

Зверніть увагу! Металевий деформаційний манометр показує, на скільки вимірюваний тиск більший або менший, ніж атмосферний.

4. Учимося розв’язувати задачі

Задача. У праве коліно відкритої U-подібної трубки, яка містила воду, налили шар гасу висотою 12,5 см (див. рисунок). Визначте різницю рівнів води і гасу в правому і лівому колінах U-подібної трубки. Гас і вода не змішуються.

Аналіз фізичної проблеми. В однорідній рідині тиск на одному горизонтальному рівні є однаковим. В обох колінах на рівні AB і нижче міститься вода, отже, на рівні AB тиски, створені атмосферою і рідинами, є однаковими.

Для визначення гідростатичних тисків рідин необхідно знати їхні густини. Густини води та гасу дістанемо з таблиці густин (с. 249). Задачу розв’язуватимемо в одиницях CI.

Підбиваємо підсумки

Сполученими посудинами називають посудини, з’єднані між собою так, що між ними може перетікати рідина.

У відкритих сполучених посудинах різних форм і розмірів однорідна нерухома рідина встановлюється на одному рівні; якщо густини рідин у посудинах різні, то стовп рідини з меншою густиною є вищим за стовп рідини з більшою густиною.

Манометри — це прилади для вимірювання тиску рідин і газів. У відкритому рідинному манометрі тиск газу pг у посудині визначається за різницею h рівнів рідини в колінах приладу: якщо pг < pатм, то pг = pатм - pgh; якщо pг > pатм, то pг = pатм + pgh, де pатм — атмосферний тиск.

На практиці широко застосовують металеві деформаційні манометри.

Контрольні запитання

1. Наведіть приклади сполучених посудин. 2. Сформулюйте основну властивість сполучених посудин. 3. Як поводяться рідини різної густини, налиті в сполучені посудини? 4. Що таке манометр? 5. Як працює відкритий рідинний манометр? 6. Опишіть будову та принцип дії металевого деформаційного манометра.

Вправа № 26

1. У рідинному манометрі міститься вода (рис. 1). Ліве коліно манометра відкрите в атмосферу. Який тиск більший — атмосферний чи тиск у балоні?

Рис. 1

2. На скільки відрізняється тиск у балоні (див. завдання 1) від атмосферного?

3. У деяких храмах Стародавньої Греції була розташована так звана «невичерпна чаша» (рис. 2). Поясніть за рисунком, як працювало це «диво».

Рис. 2

4. У рідинному манометрі (рис. 3) міститься ртуть. Ліве коліно манометра відкрите в атмосферу. Який тиск у балоні, якщо атмосферний тиск дорівнює 100 кПа?

Рис. 3

5. Складіть задачу, обернену до задачі, яку розглянуто в § 26, і розв’яжіть її.

6. Яким є тиск газу в колбі В (рис. 4), якщо тиск газу в колбі А дорівнює 100 гПа?

Рис. 4

7. Скористайтесь додатковими джерелами інформації і дізнайтеся про принцип роботи шлюзів. Уявіть, що ви оператор відповідної служби. Складіть систему команд для переведення судна через камери шлюзу (рис. 5). Дозволяється використовувати такі команди: відчинити (зачинити) ворота (1, 2, 3, 4); спустити воду з камери (І, ІІ, ІІІ); запустити воду в камеру (І, ІІ, ІІІ); перейти в камеру (І, ІІ, ІІІ).

Рис. 5

8. У дні річкового судна утворилася пробоїна площею 200 см2. Матрос масою 80 кг зміг перекрити доступ води, накривши отвір пластиною і ставши на неї. Визначте осадку судна (відстань від поверхні води до дна судна). Масу пластини не враховуйте.

Експериментальне завдання

«Манометр власноруч». Скориставшись прозорою еластичною трубкою та лінійкою, виготовте манометр, який вимірюватиме різницю тисків в атмосфері та пляшці (див. рисунок). Простежте зміну різниці тисків протягом тижня; зробіть висновок.

Фізика і техніка в Україні

Дніпрогес по праву можна вважати символом епохи. Завершення будівництва цієї найбільшої на той час (30-ті роки XX ст.) гідроелектростанції забезпечило енергією кілька заводів-гігантів, принесло електричне світло в тисячі будинків Запоріжжя, Кривого Рогу та інших міст України. Після того як дамба заввишки понад 50 м перегородила Дніпро, глибина річки значно збільшилася. Це забезпечило судноплавство в тій частині Дніпра, де були пороги. А щоб судна могли пливти й далі, до Чорного моря, в конструкції греблі інженери передбачили спеціальний вузол — шлюз.

Шлюз являє собою систему послідовно розташованих «кімнат», які називають камерами. У кожній камері з двох боків є «двері», але немає «даху». Розміри камер величезні — кожна з них здатна вмістити водночас кілька теплоходів. Працює шлюз так. Судно входить у першу камеру, її зовнішні двері за ним зачиняються, і відбувається вирівнювання рівня води з другою камерою через систему сполучених труб (за принципом сполучених посудин). Потім відчиняються двері між першою і другою камерами — судно переходить у другу камеру, і т. д.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.