§ 24. Тиск твердих тіл на поверхню. Сила тиску

Про атмосферний тиск часто повідомляють синоптики в прогнозах погоди, артеріальний тиск вимірює лікар. У фізиці тиском називають фізичну величину, яка чисельно дорівнює силі тиску на одиницю площі поверхні (мал. 24.1). Тиск позначають літерою «Р» (від англ. pressure - тиск).

Мал. 24.1. Тиск чисельно дорівнює силі, яка діє на одиницю площі

ОБЧИСЛЕННЯ ТИСКУ

Щоб обчислити тиск, потрібно перпендикулярну до поверхні величину сили тиску F_N розділити на площу цієї поверхні S:

Сила тиску величиною в 1 Н, яка діє на площу в 1 м², створює тиск величиною в 1 Паскаль, тобто Па = Н/м². Одиниця тиску названа на честь французького фізика й математика, винахідника першої механічної обчислювальної машини, гідравлічного преса та медичного шприца, філософа і письменника Блеза Паскаля.

Один Паскаль - дуже маленький тиск (порівняємо з нормальним атмосферним тиском 760 мм рт. ст., який становить 101 325 Па або приблизно 100 000 Па = 10⁵ Па).

У техніці часто застосовують більш зручну одиницю тиску: одна фізична атмосфера (атм); 1 атм дорівнює 101 325 Па (точно) або приблизно 100 000 Па. Наприклад, тиск у камері автомобільного колеса становить приблизно 2 атм.

ВІД ЧОГО ЗАЛЕЖИТЬ ТИСК

Якщо йти пішки по глибокому снігу, то ноги провалюються, а якщо на лижах - то ні. Сила тиску на сніг одна й та сама. У чому ж різниця? А в тому, що тиск, який створюють на сніг лижі, набагато менший, оскільки їхня площа значно більша за площу підошов. Отже, величина тиску в даному випадку краще пояснює явище, ніж сила тиску.

Збільшити тиск, як видно із формули (24.1), можна або збільшуючи силу тиску, або зменшуючи площу поверхні, на яку діє сила. Наприклад, бджола, жалячи (мал. 24.2), створює великий тиск, оскільки площа жала дуже маленька. Трактор (мал. 24.3) або навіть танк через велику площу гусениць тиснуть на поверхню слабше, ніж коли ми ходимо.

Мал. 24.2. Тонке жало бджоли протинає шкіру

Мал. 24.3. Трактор чинить менший тиск, ніж нога людини

ПРИКЛАД 24.1

Порівняємо тиск, який створюють підбори туфель дівчини та нога слона (мал. 24.4).

g ≈ 10 Н/кг	Дівчина	Слон
Маса (m)	50 кг	4 000 кг
Сила тяжіння (mg)	500 Н	40 000 Н
Сила тиску (F_N)	500 Н	40 000 Н
Площа опори (S)	2 см²	1 000 см²
Тиск(р = F_N/S)	250 Н/см²	40 Н/см²

Маси дівчини і слона, площі каблучка й ступні ноги слона взяті приблизно (як це роблять в оціночних задачах).

Мал. 24.4. Хто «сильніший»?

ПРИКЛАД 24.2

Нехай гострий кінець голки має лінійні розміри 0,1 мм (не дуже гостра голка). Тоді площа вістря становитиме приблизно 0,01 мм². Якщо голку придавити гирею 10 кг, то тиск, із яким вона давитиме на стіл, буде в 100 000 разів більший за атмосферний. Під таким тиском і за температури 2 300 °С у 1955 році вперше отримали штучні алмази.

ЦЕ ЦІКАВО

Дуже великий тиск - 400 000 атм. - за допомогою гідравлічного преса вперше отримав американський інженер Бріджмен. Надсильні тиски на великих площах отримують за допомогою вибухів. Так, під час розриву атомної бомби створюється тиск 10 000 мільярдів атм.

Мал. 24.5. Персі Бріджмен

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЗАДАЧА 24.1

Оцініть ваш тиск на підлогу. Нагадаємо, що площу підошви, отримавши її відбиток на аркуші паперу в клітинку, можна підрахувати способом, вказаним на мал. 24.6. Для цього потрібно до числа цілих клітинок додати половину числа нецілих клітинок, а отримане число помножити на площу однієї клітинки (сторона клітинки становить 0,5 см).

Мал. 24.6. Спосіб приблизного обчислення площі підошви

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Тиск чисельно дорівнює силі тиску на одиницю площі поверхні.

Нормальний атмосферний тиск становить 760 мм рт. ст., який дорівнює 101 325 Па, тобто приблизно 100 000 Па (10⁵ Па).
Одна фізична атмосфера (атм): 1 атм = 101 325 Па.

ВПРАВА 24

1. Як обчислюють тиск?
2. Яка одиниця вимірювання тиску в СІ?
3. В якому напрямку діє сила тиску?
4. Чому лижі менше провалюються в сніг, ніж ноги пішохода?
5. Наведіть приклади, коли тиск краще пояснює явище, ніж сила тиску.
6. Чому площу фундаменту для будівлі намагаються зробити якомога більшою?
7. Як можна швидко змінити свій тиск на поверхню?
8. Навіщо ножі, голки та цвяхи роблять гострими?
9. Яким чином маленькому комарові вдається проколоти шкіру людини?
10. Як можна визначити площу поверхні неправильної форми?
11. Чому перед поїздкою по м'якій ґрунтовій дорозі водій всюдихода зменшує тиск у шинах автомобіля?
12. Як потрібно розташувати на столі сірникову коробку, щоб створений тиск був: а) найменшим; б) найбільшим? Зробіть малюнок.
13. Розрахуйте тиск (у Па), який створює на дорогу одне колесо чотириколісного вантажного автомобіля масою 8 тонн. Площа дотику колеса з дорогою 400 см². g = 10 Н/кг.
14. Який тиск здійснює учень, маса якого 60 кг, на підлогу? Загальна площа підошов взуття учня дорівнює 300 см². Вважайте, що g = 10 Н/кг.
15. На яку площу повинна діяти сила 600 Н, щоб створити тиск 2 400 Па?
16. Площа гострого кінця голки дорівнює 0,01 мм². Який тиск створює голка під час шиття, якщо на неї діє сила 5 Н?
* 17. У скільки разів збільшиться а) сила тиску; б) тиск суцільного кубика на підставку, якщо його лінійні розміри збільшити вдвічі, не змінюючи густину кубика?

Зміст