Фізичні явища навколо нас. 7 клас. Годована

Тиск. Закон Архімеда

Через сполучені посудини

Ти любиш море? А пригоди? Тоді запрошую тебе до морської подорожі. Стоп. Чи вмієш ти плавати? А пірнати? Якщо ні, то цього нескладно навчитися. Але не все так просто. Людина може пірнути на 2-3 метри без проблем. А от далі...

Отже, під час подорожі в нас буде можливість із цим розібратися.

Є невеличка проблема — ми ще не на морі. Та оскільки вже налаштувалися на подорож, спробуємо дістатися до моря Дніпром. Сідаємо в Києві на теплохід і вирушаємо в путь!

Але Дніпро — зовсім не така «гладенька» ріка, як здається. На ній є гідроелектростанції. Наприклад, у місті Запоріжжя на нас чекає гребля найпотужнішої ГЕС України — Дніпровської. Її висота — 60 метрів, тобто як два дев’ятиповерхових будинки. Як наше судно через неї «перестрибне»?

Доки ми пливемо до першої греблі, маємо із цим розібратися.

Яка пора року подобається тобі найбільше? Улітку можна плавати, засмагати, бігати босоніж по траві. А взимку — кататися на лижах, санчатах і ковзанах. Якщо ставати на той самий сніг на цих знаряддях, то у якому випадку сліди будуть глибшими? Відповідь очевидна. А це ми ще про сноуборд не згадали!

Чому ж одна й та сама людина в ковзанах майже провалиться в сніг, а на лижах спокійно стоятиме на поверхні? Адже вага майже не змінилася.

Ну звісно: вага, тобто сила, з якою людина тисне на сніг, не змінилася, а от площа — так. Чим більша площа поверхні, тим сліди менші. Отже, формула для розрахунку тиску:

де р — тиск, F — сила, a S — площа поверхні.

Одиниця тиску — паскаль, тобто ньютон, поділений на метр квадратний:

1 Па = 1 Н/1 м²

Чому прізвища видатних учених написані з маленької літери? Тому що це повна назва одиниці фізичної величини. А в скороченому вигляді її записують з великої літери, наприклад: Н = ньютон, Па = паскаль.

Одна з величезних почестей для фізика, коли на його честь називають одиницю фізичної величини.

Якщо наступити на цвях, що стирчить із підлоги, буде дуже боляче та навіть потече кров. Це тому, що, хоча твоя вага і не дуже велика, площа поверхні зовсім маленька. Отже, тиск виходить великий. А от на стілець, рясно вкритий цвяхами, людина може сісти спокійно, навіть із комфортом. Площа поверхні збільшилася в багато разів, і в результаті тиск зменшився.

Не віриш, але не хочеш перевіряти на собі? Тоді проведемо дослід із повітряною кулькою.

Дослід 1. «На голках чи на стаканах?»

Візьмемо медичний аплікатор. Це такий невеликий масажний килимок із голочками, на якому людина може лежати й навіть стояти. Ми спеціально сфотографували його поруч із лінійкою і зі звичайною швацькою голкою, щоб можна було порівняти їхні розміри. Усі знають, що звичайна голка робить з повітряною кулькою: досить доторкнутися, як кулька відразу ж лопне. А от якщо голок буде багато, вони просто зроблять кульці легкий «масаж» навіть при натисканні.

В тебе немає такого килимка з голками? Для досліду можна взяти звичайні паперові або пластикові стакани. Що буде, коли ти наступиш на стакан? Здогадатися нескладно: він помнеться і воду тримати вже не буде. Тепер спробуй поставити на підлогу кілька стаканів (від 6 до 10) і накрити їх фанерою чи картонною кришкою від коробки для взуття. Така конструкція може витримати навіть дорослу людину. Але ставати на неї потрібно дуже обережно. Як ти вважаєш чому? І в якому випадку конструкція зможе витримати більшу вагу?

Розбір досліду

Чому кулька не лопається, а стакани можуть витримати людину? Уся справа в тиску, а саме — у збільшенні площі поверхні. Тиск із боку голок на повітряну кульку набагато менший, ніж тиск однієї голки. А от на конструкцію зі стаканів бажано ставати дуже обережно, особливо на картонну кришку. Спочатку, коли ти наступаєш однією ногою, площа поверхні буде вдвічі менша. Тому під час експерименту спочатку потрібно на щось спиратися, щоб перенести на опору частину ваги. Але це стосується лише картону, бо він не дуже жорсткий. Якщо використовувати фанеру, вага розподіляється на всю площу рівномірно.

Задачі

• 1. Площа отвору голки шприца 0,45 мм², а площа його поршня — 2 см². Медсестра тисне на нього з силою 9 Н. Чому дорівнює тиск? Знайдіть силу, з якою виштовхуються ліки з голки. Шприц замінили на інший, з площею поршня 5 см², а голку залишили ту саму. Як медсестра має змінити силу тиску, щоб пацієнт не відчув різниці?

• 2. Який тиск чинить на сніг дівчинка масою 45 кг, що стоїть на лижах? Довжина однієї лижі дорівнює 1,6 м, ширина — 10 см.
• 3. Знайдіть товщину леза ковзанів, якщо їхня довжина дорівнює 20 см, а тиск на лід, який спричиняє в них юний хокеїст масою 40 кг, дорівнює 250 кПа.

А тепер швиденько робимо наступні експерименти! З голками та стаканами ми вже розібралися, тепер черга звичайних пластикових пляшок.

Дослід 2. «Сполучені посудини»

Візьмемо дві пластикові пляшки та пластикову трубку. Зробимо невеликі отвори в нижній частині пляшок. З’єднаємо їх трубкою і за допомогою клейового пістолета зробимо з’єднання герметичним. Ми виготовили сполучені посудини. Тепер наливаємо в одну пляшку воду. Трохи води перетікає в іншу пляшку, але рівні води не стають однаковими! Відкоркуємо другу пляшку. Якщо ми тепер підніматимемо або опускатимемо пляшки по черзі, то вода буде перетікати з однієї пляшки в іншу, щоб рівні води залишалися однаковими.

Розбір досліду

Усе просто: це тиск! Атмосферний та гідростатичний. Умова рівноваги: на тіло мають діяти однакові сили в протилежному напрямку. Оскільки тиск — це сила, що діє на одиницю площі, то на поверхню рідини з обох боків має впливати однаковий тиск. За законом Паскаля тиск рідини або газу однаково передається в будь-яку точку в усіх напрямках. Отже, ззовні тисне атмосфера, а зсередини — рідина, тиск якої залежить лише від висоти стовпа.

Вода перетікає в закриту пляшку, повітря стискається, і його тиск зростає. За умовою рівноваги тиск рідини в закритій пляшці має бути меншим, ніж у відкритій.

Формула гідростатичного тиску:

p = ρgh,

де ρ — густина рідини; g — прискорення вільного падіння поблизу Землі; h — висота стовпа рідини.

Отже, форма посудини значення не мас. Це гідростатичний парадокс.

Цікавий факт

Ми йдемо в гості до Вінні-Пуха й несемо чотири горщики з медом з однаковою площею дна, але різної форми, як на рисунку. Їхня висота однакова, і всі вони заповнені по самі вінця! Тоді сили, з якими мед тисне на денця, однакові. Але ж кількість меду різна! Так, маса різна, а сила і тиск однакові. Такий парадокс!

р₁ = р₂ = р₃ = р₄

Чому так? Справа в тому, що частина ваги розподіляється ще й на бокові стінки горщиків, якщо вони не вертикальні.

Проведемо ще кілька експериментів зі сполученими посудинами.

Дослід 3. «Посудини сполучені й не тільки»

На горлечко однієї з пляшок надягаємо повітряну кульку, а воду наливаємо в іншу пляшку. Вода перетікає через трубку, рівні залишаються різними, а повітряна кулька сама починає надуватися! До речі, якщо відкриту пляшку підняти вище, кулька збільшиться.

Тепер обидві пляшки відкриті і з водою. Надуваємо повітряну кульку й надягаємо її на одну з пляшок. Якщо це складно зробити, то спочатку затиснемо горлечко надутої кульки прищепкою, а після вдягання на пляшку знімемо її. Спостерігаємо, як повітря з кульки витісняє воду в іншу пляшку.

Розбір досліду

Як і в попередньому досліді, повітря під кулькою стискається за рахунок води, його тиск збільшується, і кулька сама «надувається».

Коли на пляшку надягли надуту кульку, тиск повітря виштовхнув воду з пляшки. Якщо рівень води впав нижче трубки, а в кульки ще є «запас» повітря, воно також переходить в іншу пляшку просто через воду. Тоді ми побачимо бульбашки.

Дослід 4. «І знов сполучені посудини»

Для наступного експерименту (і для деяких інших також) нам буде потрібна дуже солона вода, майже як у Мертвому морі. Для цього в літрі води треба розчинити 8 столових ложок солі. Щоб так «круто» посолити воду, її треба спочатку закип’ятити з сіллю, а потім охолодити.

Починаємо новий експеримент.

Одночасно обережно наливаємо: в одну пляшку розчин солі (його краще підфарбувати харчовим барвником), а в другу — прісну воду. Наливати треба так, щоб рідини не дуже змішувались. Для цього слід спочатку налити рідини до рівнів отворів, а після цього уважно слідкувати за кольором. Деякий час рівень солоної води буде нижчим, а потім поступово зрівняється з рівнем води в другій пляшці. До речі, колір також стане більш однорідним.

Такий самий дослід можна провести з водою й соняшниковою олією. Тільки для нього використовуй чисті пляшки та нефарбовану воду! У чому буде різниця?

Розбір досліду

Так, тиск стовпа рідини залежить від її висоти. А від чого ще? За формулою гідростатичного тиску — від густини рідини й прискорення вільного падіння. Оскільки густина розчину солі більша, тому висота стовпа менша. За рахунок дифузії рідини будуть змішуватися, і їх рівні ставатимуть ближчими один до одного.

Олія й вода не змішуються. Густина олії менша, тому її рівень у пляшці буде вищий.

Дослід 5. «І нарешті, просто фонтан»

Візьмемо установку і зробимо в трубці, що з’єднує пляшки, маленький отвір. Це не просто фонтан, це майже артезіанська свердловина!

Або одна відкрита (обрізана) пляшка, тоненька трубка, вода. Знов фонтан! Якщо трубку підняти вище рівня води, фонтана не буде. А от якщо опустити нижче...

Розбір досліду

Ну що тут розбирати? Фонтан — це завжди прекрасно, особливо спекотним літнім днем. Навіть фонтан із пластикової пляшки. А артезіанська свердловина — це джерело чистої смачної води.

Наше судно дісталося першої греблі. А ми розібралися зі сполученими посудинами. Зараз це стане нам у пригоді.

Перед теплоходом — щось схоже на вузький канал, що закінчується стіною. Але раптом у стіні... відчиняються ворота. Перед нами вода, але ні берегів, ні ріки не видно. Це просто камера, хоча й дуже велика. У неї заходить наше судно, і там навіть ще лишається місце. За нами щільно закриваються ворота. Ми бачимо лише стіни та шматок неба. Раптом стіни починають... рости! Ні, це ми опускаємося разом із водою в камері. Що відбувається?

Це — шлюз. У нас є схема шлюзу; тому, доки ми опускаємось, маємо час на те, щоб зрозуміти, як він працює. Виявляється, що герметичні ворота не тільки позаду нас, але й попереду. Там ще одна така сама камера. Під дном ріки ці камери з’єднані трубою, тобто вони і є сполученими посудинами! Коли ми зайшли через ворота, рівень води в нашій камері був високим, таким, як у водосховищі перед греблею, а труба була перекрита. Тепер її відкрили, вода витікає в наступну камеру, і її рівень у нашій камері швидко знижується. Коли рівні води в нашій та наступній камерах стануть однаковими, ворота між ними можна буде відкрити й потрапити в наступну камеру шлюзу. Ми долаємо греблю такими «сходинками». А з останньої камери ворота відкриваються просто у Дніпро нижче греблі.

Отже, коли ми з’єднали трубкою дві пляшки, то фактично побудували шлюз! А прищепка, якою ми перекривали з’єднання, — це перепускний клапан.

Цікаві факти

Для того щоб стіни були перпендикулярними стелі й підлозі, а вікна й двері легко відчинялися й зачинялися, фахівці користуються приладом, який має назву будівельний рівень. Це така рівненька планка, у якій розташована прозора ємність із рідиною, а в рідині — бульбашка повітря. Коли планка розташована горизонтально, бульбашка знаходиться по центру ємності.

Або використовують інший прилад — складний і дорогий лазерний рівень.

А що робити, коли обладнання, яке треба виставити на одному рівні, розташоване далеко одне від одного або взагалі в різних приміщеннях? Лазер через стінку «не бачить». Тут у пригоді стають сполучені посудини. Такий прилад має назву гідрорівень, його часто використовують на будівництві.

У Стародавній Греції розумілися на сполучених посудинах. У деяких храмах вони створювали так звані невичерпні чаші.

Чашу розташовували у відкритому залі, а за стіною було ще два баки. Один із них був з'єднаний із чашею трубою. Для наповнення бака існувала ще одна велика ємність із краном. Це був навіть не кран, а корок, який закривав трубу, коли бак був повним.

Чаша та бак сполучалися, і рівень води в них був однаковий. Коли із чаші брали воду, рівень води знижувався і в баку. Корок відкривав трубу, і вода додавалася в бак до того рівня, коли корок підніметься і закриє трубу.

Першу відому артезіанську свердловину побудували в 1126 році у Франції в містечку Артуа. З того часу глибокі свердловини називають артезіанськими. Їх будують у тих місцях, де поверхня землі знаходиться нижче водоносного горизонту. Під час риття колодязя в Артуа дуже довго не з'являлася вода. Раптом на великій глибині дно колодязя стало підніматися. Через деякий час із нього почав бити фонтан води. Справа в тому, що артезіанські води розташовані між водонепроникними шарами й часто перебувають під тиском вищих водоносних пластів. Вони набагато чистіші, ніж інші води, бо проходять через вапняний фільтр.

Чаша Піфагора, або справедлива чаша (або кружка жадібності), — посмішка генія.

Цей винахід дозволяє людині випити рідини не більше визначеної кількості. Усередині чаша містить зігнуту трубку, довгий кінець якої виходить униз назовні, а короткий залишається в чаші. Якщо рівень напою не досягає камери

у верхній частині трубки, він залишається всередині і напоєм можна поласувати. А коли рівень рідини стає вищим, вона потрапляє в найвищу точку трубки, її тиск «вмикає» сифон, і весь напій виливається назовні.

Цей пристрій нагадує сифон для чищення акваріума. Щоб вода почала переливатися через стінку акваріума, у трубці треба зменшити тиск, тоді вже воду не зупиниш.

Отже, стародавні греки добре розумілися на сполучених посудинах. Принаймні Піфагор так точно!

Відео