§ 31. Сполучені посудини

1. Що таке сполучені посудини? Наявністю гідростатичного тиску можна пояснити принцип сполучених посудин.

Посудини, з'єднані між собою таким чином, що рідина може вільно переливатися з однієї посудини до іншої, називаються сполученими.

Якщо у сполучені посудини налити рідину (рис. 161), то за умови рівноваги рідини тиск на площину перерізу S в спільному трубопроводі обох стовпів рідини буде однаковим:

p₁ = p₂, тобто pgh = pgh', отже, h = h'.

2. Гідростатичний парадокс. Дослід показує, що у сполучених посудинах різної форми (рис. 162) вільні поверхні рідини також встановлюються на одному рівні.

Описаний дослідний факт має історичну назву «гідростатичний парадокс». Але цей парадокс має очевидне пояснення: він є результатом прояву закону Паскаля.

3. Використання сполучених посудин. Принцип сполучених посудин широко використовується в побуті, а також у техніці та на виробництві.

Зокрема, сполучені посудини представляють собою чайник і носик чайника (рис. 163). Принцип сполучених посудин використовується у артезіанському колодязі (рис. 164) та водомірному склі (рис. 165). Шлюзи річок і каналів теж працюють за принципом сполучених посудин (рис. 166). Кровоносна система людини — також приклад сполучених посудин.

Рис. 161. Схема сполучених посудин

У сполучених посудинах вільні поверхні рідини встановлюються на одному рівні.

Вільними називають поверхні, що відділяють рідину від газу (повітря).

Рис. 162. У сполучених посудинах різної форми вільні поверхні рідини встановлюються на одному рівні

Рис. 163. Прояви принципу сполучених посудин при різних положеннях чайника

Рис. 164. Система артезіанського колодязя

Рис. 165. Водомірне скло

Рис. 166. Принцип будови шлюзів та шлюзування суден

Подумайте і дайте відповідь

1. Які посудини називають сполученими?
2. Як встановлюються вільні поверхні однорідної рідини у сполучених посудинах?
3. Назвіть приклади застосування сполучених посудин у побуті й техніці.

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 31.

1. На рис. 167, запозиченому з книжки нідерландського математика і інженера Симона Стевіна «Начала статики», виданої у 1586 р., зображено людину, яка стоїть на дошці і тисне своєю вагою на міх з водою. Стевіна вразило, що висота стовпа води, який зрівноважує вагу людини, досить незначна. Поясніть цей факт. Спробуйте обчислити висоту стовпа рідини, оцінивши приблизно значення ваги людини і площі опори у реальному експерименті.

Рис. 167. Вагу людини зрівноважує стовп води, який має незначну висоту

2. Поміркуйте, як можна було б найпростішими засобами влаштувати фонтан у парку або у дворі. Накресліть схему такого пристрою та поясніть його дію.
3. У сполучені посудини налито воду. У праве коліно доливають олію. У якому коліні рівень рідини буде вищим? Відповідь обґрунтуйте.
4*. У U-подібній трубці рівень води на 25 см нижчий за краї трубки. В одне коліно трубки потрохи доливають олію. На скільки будуть відрізнятися рівні рідин у колінах, коли в одному з них рідина дійде до краю?

Розширте науковий кругозір

Дослідження морських глибин

Глибина морів і особливо океанів у деяких місцях досягає кількох кілометрів. Тому вода чинить на їх дно величезний тиск. Так, на глибині 10 км тиск сягає 100 000 000 Па (1000 атм). А є й більші глибини, зокрема, глибина Маріанської западини в Тихому океані складає понад 11 км!

Незважаючи на такі величезні тиски, існують риби та інші живі істоти, які живуть на глибині декількох кілометрів і витримують тиск у мільйони паскалів.

Організм людини здатний витримати занурення у воду без спеціального спорядження на глибину до 40 м, а за умови тренування — навіть до 80 м, де тиск води близько 8000 кПа. З кожним роком рекорд глибини занурення збільшується. Але є межа можливостей людини і на великих глибинах, якщо не вжити спеціальних заходів захисту, грудна клітка буде розчавлена тиском води.

На рисунках 168, 169 зображені засоби, які дозволяють людині занурюватись на глибину. Це, зокрема, акваланг з газовими балонами для дихання (рис. 168, а), батискаф (рис. 168, б), водолазний скафандр (рис. 169). Найбільша глибина, якої досягла людина в батискафі, становить 11 км.