Фізика. 7 клас. Максимович

§ 23. Сполучені посудини. Манометри. Гідравлічний прес

У 2007 році національний дендрологічний парк «Софіївка» (м. Умань Черкаської області) Національної академії наук України визнано одним із Семи чудес України. Він є шедевром світового садово-паркового мистецтва кінця XVIII — початку XIX ст. Це зразок пейзажного паркового мистецтва — композиції води, землі, каменів, рослин, архітектурних споруд і скульптур. І серед Нижнього ставу Софіївського парку стоїть кам’яна брила, на якій лежить змія, а вище за цей ставок є інший, з якого вода підземною трубою тече до брили. Тому з порожнини рота змії б’є потужний фонтан на висоту до 20 м. Який фізичний закон тут діє?

Дізнаймося про...

сполучені посудини;
манометри;
гідравлічний прес.

1. Сполучені посудини

Якщо дві або декілька посудин з’єднати між собою так, щоб між ними могла протікати рідина, то вони стануть сполученими посудинами.

З власного досвіду ми знаємо, що

вода в усіх посудинах встановиться на одному рівні (мал. 23.1).

Мал. 23.1. Сполучені посудини

Чому так? У разі наливання рідини в одне з колін сполучених посудин (мал. 23.2) вона перетікає у друге коліно доти, поки тиски рідин в обох колінах не стануть однаковими: p₁ = р₂. Оскільки p = ρgh, а рідина однорідна, то висоти її стовпчиків також однакові: h₁= h₂. В цьому полягає суть закону сполучених посудин для однорідної рідини: у відкритих сполучених посудинах поверхні однорідної рідини встановлюються на одному рівні.

Якщо ж у коліна сполучених посудин налити різні рідини, то їхні поверхні встановляться на різних рівнях (мал. 23.3).

Мал. 23.2. Сполучені посудини з однорідною рідиною

Мал. 23.3. Сполучені посудини з різними рідинами

Поміркуйте і дайте відповідь

Які рідини можуть бути у лівому коліні (мал. 23.3), а які у правому?

Після встановлення рівноваги тиски рідин в обох колінах стануть однаковими. Оскільки нижче рівня АБ в обох колінах та сама рідина, то тиски рідин у лівому і правому колінах на рівні АБ дорівнюють один одному:

p₁ = p₂

p₁ = ρ₁gh₁, p₂= ρ₂gh₂

ρ₁gh₁ = ρ₂gh₂

ρ₁h₁ = ρ₂h₂

З отриманого результату можна зробити висновок: у рідини з меншою густиною висота стовпа є більшою, і навпаки.

Це закон сполучених посудин для різних рідин: у відкритих сполучених посудинах стовпчик нерухомої рідини з меншою густиною є вищим за стовпчик нерухомої рідини з більшою густиною.

Отже, ρ₂ > ρ₁ (мал. 23.3). Чи правильно ви міркували?

Найпростішими прикладами сполучених посудин є чайник, лійка для поливу квітів. Принцип сполучених посудин лежить в основі роботи фонтана, водопроводу, шлюзу.

2. Будова і принцип дії манометрів

Прилади для вимірювання тисків рідин і газів називають манометрами. Манометри є двох видів: рідинні та металеві.

Основою рідинного манометра (мал. 23.4) є U-подібна скляна трубка з прикріпленою до неї шкалою. Прилад заповнюють до половини рідиною. Лівий кінець трубки залишають відкритим, а правий приєднують до посудини, у якій потрібно виміряти тиск. Різниця рівнів рідини (h) в обох колінах дає змогу за формулою р = ρgh розрахувати, наскільки тиск у посудині більший чи менший від атмосферного.

Мал. 23.4. Рідинний манометр

Простішим і зручнішим у користуванні є металевий манометр (мал. 23.5). Він складається з пружної дугоподібної металевої трубки, один кінець якої приєднують до посудини, у якій вимірюють тиск, а другий кінець запаяний і з’єднаний за допомогою передавального механізму зі стрілкою-вказівником (мал. 23.6, а).

Мал. 23.5. Металевий манометр

Якщо тиск зростає, то трубка випрямляється, а якщо зменшується, то трубка ще більше згинається. У разі зміни форми трубки змінюється положення стрілки на шкалі (мал. 23.6, б).

Мал. 23.6. Будова металевого манометра

Застосування манометрів дуже широке: від вимірювання тиску повітря у шинах автомобіля до вимірювання тиску газу, нафти, води у трубопроводах чи мастила в різних гідравлічних машинах і системах.

3. Гідравлічні машини

Пристрої, дія яких ґрунтується на законах руху і рівноваги рідини, називають гідравлічними машинами.

Гідравлічна машина складається з двох циліндрів різного діаметру, з’єднаних між собою, заповнених гідравлічною оливою і закритих поршнями.

Гідравлічними машинами є домкрат, прес, гідравлічне гальмо і гідравлічний підсилювач керма в автомобілі.

Розглянемо фізичні основи гідравлічної машини на принципі роботи преса (мал. 23.7).

Мал. 23.7. Гідравлічний прес

Прес — це гідравлічна машина, призначена для оброблення матеріалів тиском.

З отриманої формули видно, що прес чи будь-яка інша гідравлічна машина дає виграш у силі у стільки разів, у скільки площа Ті великого поршня більша за площу малого поршня.

4. Приклад розв’язування задачі

Задача. У сполучені посудини налито нафту і воду. Висота стовпчика нафти дорівнює 10 см. Якою є висота стовпчика води?

Запам’ятайте

Сполучені посудини — це дві або декілька посудин, з’єднаних між собою так, щоб між ними могла протікати рідина.

Прилади для вимірювання тисків рідин і газів називають манометрами.

Гідравлічна машина — це пристрій, дія якого ґрунтується на законах руху та рівноваги рідини.

Перевірте себе

1. У сполучені посудини налито воду і бензин (мал. 23.3). Наскільки вище розміщена поверхня бензину щодо поверхні води, якщо висота стовпчика бензину 10 см?

2. За показниками ртутного манометра (мал. 23.4) визначте, наскільки тиск повітря в посудині більший від атмосферного.

3. Який виграш у силі дає домкрат, поршні якого мають площі 2 см² і 1 дм²?

Обдумайте, змоделюйте, зробіть...

Створіть модель гідравлічної машини за складеним власним алгоритмом, використовуючи два медичні шприци різного діаметру (без голки), прозору трубку від крапельниці. Розрахуйте, який виграш у силі дає ваша конструкція.

Дотримуйтеся правил безпеки під час роботи!

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)