Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар
§ 29. Тиск газів і рідин. Закон Паскаля
Чи можна збільшити об’єм гумової повітряної кульки, не надуваючи її? Чому рідина створює тиск не тільки на дно посудини, а й на бічні стінки? Ці загадки тиску газів і рідин ми й спробуємо розгадати.
1. Чому гази створюють тиск?
Покладемо злегка надуту зав’язану повітряну кульку під ковпак повітряного насоса (рис. 29.1, а). Якщо з-під ковпака відкачувати повітря, то об’єм кульки почне збільшуватися (рис. 29.1, б). Чому так відбувається?
Рис. 29.1. Об'єм злегка надутої повітряної кульки (а) збільшується в разі зменшення зовнішнього тиску (б)
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 за зовнішній тиск, то кулька збільшує свій об’єм.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Стратостати — повітряні кулі для дослідження надвисоких шарів атмосфери. Ліворуч на фотозаставці до параграфа зображений стратостат на початку польоту. Оскільки на великій висоті тиск зовнішнього повітря суттєво знижується, то з «ганчірки» повітроплавний апарат перетворюється на ідеальну кулю (фото праворуч). Розміри цих куль вражають: вони можуть бути завбільшки з 50-поверховий будинок. Саме за допомогою стратостатів людина піднялася на шалену висоту без застосування двигунів. Світовий рекорд, встановлений у 2014 році, — 41 км.
2. 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 (рис. 29.2). Отже, тиск газів можна збільшити двома способами.
Рис. 29.2. Тиск газу на поверхню створюється численними ударами молекул газу
Рис. 29.3. 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 вища температура газу, тим більшою буде швидкість руху його частинок. Удари частинок об стінки посудини стануть частішими, сила їхніх ударів зросте — унаслідок цього тиск газу в посудині збільшиться.
Отже, зменшення тиску газу буде відбуватися в разі зменшення густини або температури газу.
Сподіваємося, тепер ви зможете пояснити, чому повітряна кулька роздувається і тоді, коли ми її надуваємо, і тоді, коли відкачуємо повітря ззовні.
ДОСЛІДЖЕННЯ
Що знадобиться: порожня пластикова пляшка з кришкою, каструля з гарячою водою, морозильна камера, допомога дорослих.
Дослід № 1. Стисніть пляшку, щільно закрутіть кришку, занурте деформовану пляшку в гарячу воду. Почекайте приблизно 0,5 хв.
Дослід № 2. Залиште непошкоджену пляшку зі щільно закрученою кришкою на деякий час у морозильній камері.
Поясніть, чому пляшка в гарячій воді «саморемонтується», а в холодильнику — навпаки.
3. Як тиснуть рідини?
На відміну від твердих тіл рідини легко змінюють свою форму — вони набувають форми тієї посудини, у якій містяться, тобто рідини є плинними. Тому рідини створюють тиск як на дно, так і на бічні стінки посудини, у якій містяться (тоді як тверді тіла тиснуть тільки на поверхню, на якій розміщені). Якщо в стінці посудини, заповненої рідиною, зробити отвори, то рідина поллється через них (рис. 29.4).
Рис. 29.4. Рідина створює тиск і на бічні поверхні посудин
Наслідком плинності рідин є також те, що на будь-яке занурене в рідину тіло рідина тисне з усіх боків.
4. Відкриваємо закон Паскаля
Через свою плинність рідина здатна передавати тиск по всьому об’єму посудини, у якій міститься. Зробимо голкою невеликі отвори в поліетиленовому пакеті, наберемо в пакет воду й зав’яжемо. Натиснемо на пакет — вода буде виливатися з усіх отворів (рис. 29.5). Аналогічний експеримент можна провести з повітрям або іншим газом (рис. 29.6). Ґрунтуючись на подібних дослідах, французький фізик Блез Паскаль відкрив закон, який зараз має назву закон Паскаля:
Тиск, створюваний на нерухому рідину, передається рідиною однаково в усіх напрямках.
Рис. 29.5. Вода передає додатковий тиск у всі боки, унаслідок чого виходить із отворів у пакеті в усіх напрямках
Рис. 29.6. Газ, як і рідина, передає додатковий тиск у всі боки
5. Де застосовують 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.
А ЯК НАСПРАВДІ?
Один із блогерів написав, що виробник сосисок використовує спеціальну пластикову обгортку, склад якої є таємницею. Після 2 хв перебування в киплячій воді обгортка лопається, щоб забезпечити насичення сосиски водою. Ця інновація робить будь-яку сосиску соковитою та покращує смак. Як ви гадаєте, для того щоб обгортка сосиски луснула, потрібен спеціальний пластик чи причина руйнування інша?
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
Гази створюють тиск на поверхню внаслідок численних ударів об цю поверхню частинок газу.
Тиск, створюваний на нерухому рідину, передається однаково в усіх напрямках (закон Паскаля).
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Як довести, що гази створюють тиск на стінки посудини? 2. У чому причина тиску газів? 3. Чому тиск газів зростає зі зростанням їхньої густини? у разі збільшення температури? 4. Чому рідина створює тиск не тільки на дно посудини, а й на її бічні стінки? 5. Сформулюйте закон Паскаля. 6. Доведіть, що властивість рідин і газів передавати тиск у всіх напрямках має неабияке значення в нашому житті.
ВПРАВА № 29
1. Як буде змінюватися тиск у повітряній кульці, якщо її спочатку надути, а потім міцно притиснути до твердого предмета? Чи можна передбачити, у якому місці лусне 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 (рис. 1)?
Рис. 1
4. У нафтовій промисловості для підіймання нафти на поверхню землі застосовують стиснуте 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, а якщо 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. Які зміни відбудуться з поверхнею рідини в запаяній зверху трубці (рис. 2), якщо трубку охолоджувати? нагрівати?
Рис. 2
Ключові терміни
Тиск газів • Тиск рідини • Плинність • Закон Паскаля
ФІЗИКА І ТЕХНІКА В УКРАЇНІ
Інститут механіки ім. С. П. Тимошенка НАН України (Київ), заснований у 1918 р., — відомий у світі та найпотужніший в Україні 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.
