Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар
§ 32. Сполучені посудини. Манометри
Щоранку, прокидаючись, ми поспішаємо вмитися. 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? Усі ці пристрої є сполученими посудинами. Саме про сполучені посудини 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 трубки. Якщо в одну з трубок наливати воду, то вода перетікатиме в іншу. Коли рух води припиниться, вода в обох трубках (обох колінах сполучених посудин) установиться на одному рівні (рис. 32.1, а). Якщо нахиляти або підіймати одне з колін, то вода перетікатиме доти, доки рівні води в обох колінах не зрівняються (рис. 32.1, б).
Рис. 32.1. У відкритих сполучених посудинах однорідна рідина встановлюється на одному рівні
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. 32.2).
Рис. 32.2. Незалежно від форми відкритих сполучених посудин рівень рідини в них є однаковим
А от якщо в праве й ліве коліна сполучених посудин налити рідини, які не змішуються і мають різні густини, наприклад гас і воду, результат буде іншим.
Розглянемо рис. 32.3. На рівні CD тиск стовпчиків рідин у посудинах є однаковим:
Рис. 32.3. У відкритих сполучених посудинах рівень рідини меншої густини встановлюється на більшій висоті (ρ1 < ρ2, h1 > h2)
Це друга властивість сполучених посудин:
У відкритих сполучених посудинах стовпчик нерухомої рідини меншої густини вищий, ніж стовпчик нерухомої рідини більшої густини.
Сполучені посудини широко застосовують у побуті, медицині, техніці тощо. Шлюзи, водогони, артезіанські колодязі, лійки, крапельниці — усе це приклади сполучених посудин.
Рис. 32.4. Застосування сполучених посудин у побуті
Розгляньте рис. 32.4 і поясніть принцип дії цих пристроїв.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
На фотозаставці до параграфа зображена найбільша гідроелектростанція у світі, яка має назву «Три ущелини». Для забезпечення судноплавства був створений каскад шлюзів (на фото праворуч). Прохід кораблів через каскад шлюзів — це досить тривалий процес. Щоб його прискорити, інженери впровадили унікальний ліфт, що може переміщати корабель разом із водою, у якій він плаває, усього за 40 хв.
2. Як виготовити відкритий рідинний манометр?
На праве коліно U-подібної трубки, у яку налито рідину, надінемо гумову грушу й злегка її стиснемо. Висота стовпчика рідини в правому коліні трубки буде меншою, ніж у лівому, на h (рис. 32.5).
Рис. 32.5. Різниця атмосферного тиску ратм і тиску повітря рп компенсується тиском стовпчика рідини висотою h
Визначимо тиск повітря рп у правому коліні. На рівні АВ тиск у рідині однаковий (pA = pB). У точці В — це тиск повітря рп в груші, у точці А — атмосферний тиск ратм плюс гідростатичний тиск стовпчика рідини висотою h. Отже, одержуємо:
pп = pатм + ρgh.
Тож за допомогою U-подібної трубки, заповненої рідиною відомої густини ρ, і лінійки можна визначити, на скільки тиск газу в груші відрізняється від атмосферного. Такий прилад має назву відкритий рідинний манометр (рис. 32.6).
Рис. 32.6. U-подібна трубка, яка наповнена рідиною і має шкалу, — відкритий рідинний манометр: а — будова; б — вимірювання тиску газу в колбі
Манометр — це прилад для вимірювання тиску рідин і газів.
Наприклад, на рис. 32.6, б різниця рівнів води в колінах становить 10 см (h = 0,1 м). Отже, тиск газу в колбі менший від атмосферного тиску на 980 Па:
ДОСЛІДЖЕННЯ
Що знадобиться: порожня пластикова пляшка, прозора еластична трубка, лінійка, пластилін.
Розгляньте рисунок і сконструюйте манометр, який вимірюватиме різницю тисків в атмосфері та в пляшці. Запишіть зміни рівня води протягом тижня. Простежте взаємозв’язок одержаних вами даних із погодою.
3. Як манометри використовують у техніці?
Рідинний манометр не завжди зручний у використанні: необхідно готувати його до вимірювань (наливати рідину до потрібного рівня), здійснювати обчислення. Тому в техніці використовують металеві деформаційні манометри (рис. 32.7).
Рис. 32.7. 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
Основний елемент металевого деформаційного манометра — гнучка дугоподібна трубка 1, один кінець якої (А) є запаяним. Інший кінець трубки (В) сполучають із резервуаром, де потрібно виміряти тиск.
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 деформаційного манометра проградуйована в атмосферах або в паскалях.
Зверніть увагу! Металевий деформаційний манометр, як і рідинний, 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 й гасу в правому та лівому колінах U-подібної трубки. Гас і вода не змішуються.
Аналіз фізичної проблеми. В обох колінах на рівні АВ і нижче міститься вода, отже, на рівні АВ тиски рідин є однаковими. Для визначення гідростатичних тисків рідин необхідно знати їхні густини, які дістанемо з таблиці густин. Задачу розв’язуватимемо в одиницях СІ.
А ЯК НАСПРАВДІ?
Усі океани й майже всі моря нашої планети з'єднані між собою. Тож природно розглядати океани як гігантські сполучені посудини та зробити висновок, що рівень води всюди однаковий.
Але що робити з явищем припливів та відливів? Скажімо, в Одесі рівень моря завжди однаковий. А ось в бельгійському містечку Остенде на березі Північного моря вода в певні часи відступає на сотні метрів. Можливо, в Україні та Бельгії діють різні закони фізики? А як насправді?
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Наведіть приклади сполучених посудин. 2. Сформулюйте властивості сполучених посудин. 3. Що таке манометр? 4. Як працює відкритий рідинний манометр? 5. Опишіть будову та принцип дії металевого деформаційного манометра.
ВПРАВА № 32
1. Ліве коліно манометра відкрите в атмосферу (рис. 1). Який тиск більший — атмосферний чи в балоні? На скільки?
Рис. 1
2. У деяких храмах Стародавньої Греції була розташована так звана «невичерпна чаша» (рис. 2). Поясніть за рисунком, як працювало це «диво».
Рис. 2
3. Яким є тиск газу в колбі В (рис. 3), якщо тиск газу в колбі А дорівнює 100 гПа?
Рис. 3
Ключові терміни
Сполучені посудини • Манометр
