Понятие давления: Давление — урок. Физика, 7 класс.

Понятия давления

Давлением р жидкости, газа или твердого тела, т. е. среды или вещества, называют силу, равномерно действующую на площадь поверхности.

В молекулярно-кинетической теории газа давление рассматривается как результат ударов молекул о стенки сосуда и связывает давление р со средней кинетической энергией поступательного движения молекул mv2/2 и их числом N в единице объема следующей известной формулой:

р = Nmv2/(3), (1.1)

 

где m – масса молекулы; v2 – средний квадрат скорости молекулы.

В практике теплотехнических измерений наиболее часто используют следующие понятия давлений: абсолютное рабс, избыточное ризб и вакуумметрическое рв, различие которого состоит в отношении этого давления к атмосферному (барометрическому) ратм, а также дифференциальное рдиф.

Абсолютное давление, под которым подразумевают результирующее давление, воздействующее на вещество, определяется суммой атмосферного (барометрического) и избыточного давления:

 

рабс = ратм + ризб. (1.2)

Соответственно избыточное давление представляет разность между абсолютным и атмосферным

ризб = рабс – ратм. (1.3)

 

Приборы, измеряющие избыточное давление, как следует из выражения (1.3), в действительности являются измерителями разностного (дифференциального) давления. На чувствительный элемент, например трубчатую пружину, точнее на ее внутреннюю полость, воздействует измеряемое давление, что приводит к изменению ее положения. Одновременно снаружи такому сдвигу противодействует атмосферное давление. В результате на шкале прибора отображается разница между измеряемым – абсолютным давлением и давлением внешнего окружения – атмосферным.

Вакуумметрическое давление (вакуум) — давление разряженной среды, определяемое как разность между атмосферным и абсолютным давлением, ниже атмосферного:

 

рв = ратм – рабс. (1.4)

 

Вакуумметрическое давление может быть представлено как избыточное давление с отрицательным знаком.

Численное значение вакуумметрического давления соответственно указывается со знаком «минус».

Термин «давление»* охватывает понятия «напора» и «тяги», используемые только в некоторых странах, включая Россию, Беларусь, Украину и другие страны СНГ. Под этими терминами подразумевается измерение избыточного и вакуумметрического давления малых значений.

Дифференциальное (разностное) давление – это разность между значениями давления в двух точках р1 и р2:

 

рдиф = р1 – р2. (1.5)

 

*У приборостроителей и метрологов нет единой позиции по единственному или множественному числу в определении этого термина. В правописании одинаково применимы «давление» и «давления».

Давление для чайников: определение, объяснение простыми словами

Никому не нравится быть под давлением. И не важно, под каким. Об этом спела еще группа Queen вместе с Дэвидом Боуи в своем знаменитом сингле «Under pressure». Что такое давление? Как понять давление? В чем оно измеряется, какими приборами и методами, куда направлено и на что давит. Ответы на эти и другие вопросы – в нашей статье про давление в физике и не только.

Давление в физике

Если преподаватель давит на вас, задавая каверзные задачки, мы сделаем так, чтобы вы смогли верно на них ответить. Ведь понимание самой сути вещей – ключ к успеху! Итак, что такое давление в физике?

По определению:

Давление – скалярная физическая величина, равная силе, действующей на единицу площади поверхности.

В международной системе СИ измеряется в Паскалях и обозначается буквой p. Единица измерения давления – 1 Паскаль. Русское обозначение – Па, международное – Pa.

Согласно определению, чтобы найти давление, нужно силу разделить на площадь.

Любая жидкость или газ, помещенный в сосуд, оказывает на стенки сосуда давление. Например, борщ в кастрюле действует на ее дно и стены с некоторым давлением. Формула определения давления жидкости:

где g – ускорение свободного падения в гравитационном поле земли, h – высота столба борща в кастрюле, греческая буква «ро» – плотность борща.

Одно из важнейших свойств жидкостей — изотропность. Это значит, что по закону Паскаля во всех направлениях жидкости производимое ею давление передается одинаково. Кстати, подробнее о жидкостях, их свойствах и движении читайте в нашем материале про уравнение Бернулли.

Наиболее распространенный в быту прибор для определения давления – барометр. Но в чем измеряют давление? Кроме паскаля существуют и другие внесистемные единицы измерения:

• атмосфера;
• миллиметр ртутного столба;
• миллиметр водяного столба;
• метр водяного столба;
• килограмм-сила.

В зависимости от контекста применяются разные внесистемные единицы.

Например, когда вы слушаете или читаете прогноз погоды, там и речи не идет о паскалях.  Говорят о миллиметрах ртутного столба. Один миллиметр ртутного столба – это 133 Паскаля. Если вы ездите за рулем, то наверное знаете, что нормальное давление в колесах легкового автомобиля — около двух атмосфер.

 

Давление в шинах — это давление газа. Оно обусловлено столкновениями молекул воздуха с поверхностью шины

 

Атмосферное давление

Атмосфера – это газ, точнее, смесь газов, которая удерживается у Земли благодаря гравитации. Атмосфера переходит в межпланетное пространство постепенно, а ее высота – примерно 100 километров.

Как понимать выражение «атмосферное давление»? Над каждым квадратным метром земной поверхности находится стокилометровый столб газа.  Конечно, воздух прозрачен и приятен, но у него есть масса, которая давит на поверхность земли. Это и есть атмосферное давление.

Нормальное атмосферное давление принято считать равным 101325 Па. Это давление на уровне мирового океана при температуре 0 градусов Цельсия. Такое же давление при этой же температуре оказывает на свое основание столб ртути высотой 766 миллиметров.

Чем больше высота над уровнем моря, тем ниже атмосферное давление. Например, на вершине горы Джомолунгма оно составляет всего одну четвертую от нормального атмосферного давления.

 

Эверест. На его вершине давление в 4 раза меньше, чем у подножия

 

Артериальное давление

Еще один пример, где мы сталкиваемся с давлением в повседневной жизни – это измерение кровяного давления.

Артериальное давление – это кровяное давление, т.е. давление, которое кровь оказывает на стенки сосудов, в данном случае – артерий.

Если вы измерили артериальное давление и оно у вас 120 на 80, то все хорошо. Если 90 на 50 или 240 на 180

, то вам уже точно будет неинтересно разбираться, в чем это давление измеряется и что это вообще значит.

 

Артериальное давление — давление крови на стенки артерий

 

Тем не менее, возникает вопрос:  120 на 80 чего именно? Паскалей, миллиметров ртутного столба, атмосфер или еще каких-то единиц измерения?

Артериальное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба. Оно определяет превышение давления жидкости в кровеносной системе над атмосферным давлением.

Кровь оказывает давление на сосуды и тем самым компенсирует действие атмосферного давления. Будь иначе, нас бы просто раздавило огромной массой воздуха над нами.

Но почему в измерении артериального давления две цифры?

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Дело в том, что кровь движется в сосудах не равномерно, а толчками. Первая цифра (120) называется

систолическим давлением. Это давление на стенки сосудов в момент сокращения сердечной мышцы, его величина – наибольшая. Вторая цифра (80) определяет наименьшее значение и называется диастолическим давлением.

При измерении фиксируются значения систолического и диастолического давлений. Например, для здорового человека типичное значение артериального давления составляет 120 на 80 миллиметров ртутного столба. Это означает, что систолическое давление равно 120 мм. рт. ст., а диастолическое – 80 мм рт. ст. Разница между систолическим и диастолическим давлениями называется пульсовым давлением.

Физический вакуум

Вакуум – это отсутствие давления. Точнее, практически полное его отсутствие. Абсолютный вакуум является приближением, как идеальный газ в термодинамике и материальная точка в механике.

В зависимости от концентрации вещества различают низкий, средний и высокий вакуум.  Наилучшее приближение к физическому вакууму – космическое пространство, в котором концентрация молекул и давление минимальны.

 

В космосе наблюдается почти полное отсутствие давления

 

Давление – основной термодинамический параметр состояния системы. Определить давление воздуха или другого газа можно не только по приборам, но и пользуясь уравнениями, формулами и законами термодинамики. А если у вас нет времени разбираться, студенческий сервис поможет решить любую задачу на определение давления.

Понятие давления — Infinity Learn

Введение:

Понятие давления — это отношение приложенной силы к площади, на которую действует сила. Давление определяется как сила, приложенная перпендикулярно поверхности объекта на единицу площади, вокруг которой эта сила рассеивается. Когда сила «F» Ньютона приложена перпендикулярно к площади поверхности «A», сила оказывает такое же давление на поверхность, как отношение F к A. Формула давления (P) выглядит следующим образом:

Паскаль (Па) — единица измерения давления в системе СИ. Паскаль считается действием силы в один ньютон, воздействующей на площадь поверхности в один квадратный метр.

Зарегистрируйтесь, чтобы получить бесплатный пробный тест и учебные материалы

+91

Подтвердите OTP-код (обязательно)

Я согласен с условиями и политикой конфиденциальности.

Краткое описание:

Факторы, влияющие на артериальное давление:

Поскольку давление пропорционально площади, на которую действует сила, давление можно изменить без изменения силы. Когда приложенная сила остается постоянной, давление увеличивается по мере того, как поверхность становится меньше, и наоборот.

Например, кирпич, лежащий на поверхности, оказывает на предмет, на котором он стоит, силу, равную его весу. Теперь мы знаем, что у прямоугольного кирпича большая лицевая поверхность и тонкая задняя поверхность. Мы можем эффективно изменить давление на поверхность, изменив положение кладки кирпича на поверхности.

Другими словами, когда площадь поверхности уменьшается, давление увеличивается. Из-за этого наши лезвия и гвозди острые как бритва. Усилие распределяется равномерно по всей режущей кромке ножа. Резать острым ножом легче, когда лезвие острее и давление выше. Сила распределяется по большей площади тупой поверхности тупого ножа. В результате нам потребуется больше силы для резки. В результате нож становится самым острым, когда он максимально острый. Хорошо поставленный удар карате значительно более разрушительный и смертельный, чем шлепок открытой ладонью, по той же причине, что уменьшение площади поверхности увеличивает чистое давление.

Однако иногда предпочтительнее большая площадь поверхности. Стандартная чертежная кнопка имеет один плоский круглый конец, который используется для вдавливания острого конца в чертёжный стол. Представьте, как трудно было бы вставить канцелярскую кнопку в доску, если бы обе ее стороны были острыми. Вы можете легко применить соответствующую силу, потому что один конец плоский. Катание на лыжах и серфинг используют схожие стратегии. Мы расширяем область, на которую влияет наш вес, используя доски для серфинга и лыжи, что позволяет нам плавать или скользить по поверхности воды или льда.

Важные понятия:

Как определить давление жидкости?

Давление может оказывать твердая поверхность, а также жидкости (жидкости или газы). Сначала это может показаться необычным, потому что трудно представить, как жидкость забивает гвоздь. Видение погружается в воду на определенную глубину, чтобы понять это. Из-за силы гравитации вода над вами будет давить на вас и оказывать на вас давление. Поскольку по мере того, как вы продвигаетесь глубже, над вами будет больше воды, вес и давление воды также будут увеличиваться.

Вес газов, как и вес жидкостей, может оказывать давление. Вес воздуха в нашей атмосфере, например, значителен, и мы обычно всегда находимся на его дне. Вес атмосферы оказывает значительное давление на ваше тело. Давление воздуха присутствует всегда, поэтому вы его не чувствуете. Для нас заметна только разница в давлении в большую или меньшую сторону от нормального атмосферного давления. Поскольку наши тела способны создавать силу, направленную наружу, чтобы противодействовать давлению воздуха внутри, на нас не влияет высокое атмосферное давление.

Люди редко хотят знать общее давление при измерении давления (включая атмосферное давление). Люди часто хотят знать, насколько давление отличается от атмосферного давления. Причина этого в том, что атмосферное давление относительно постоянно и присутствует почти всегда. В результате добавление его в ваши расчеты иногда может показаться ненужным. Иными словами, знать, что воздух внутри вашей спущенной шины находится под абсолютным давлением 1,01 x 105 Па, не так уж и полезно.

Дополнительное давление в шине выше атмосферного — это то, что позволяет шине правильно накачиваться и работать. В результате манометр P используется в большинстве манометров и контрольного оборудования. Давление, измеряемое в процентах от атмосферного давления, известно как манометрическое давление. Давление выше атмосферного положительно, давление при атмосферном давлении равно нулю, давление ниже атмосферного отрицательно. Абсолютное давление P обычно используется для обозначения общего давления. Абсолютное давление относится к давлению по отношению к вакууму. Таким образом, для всех давлений выше полного вакуума абсолютное давление положительно, ноль для идеального вакуума и никогда не бывает отрицательным.

Давление воды является одним из наиболее распространенных типов давления в повседневной жизни, но оно ведет себя иначе в гидростатической среде (в которой вода не течет), чем в системе водяного отопления.

Значение концепций давления на экзамене NEET:

Из-за точности и достоверности решений Infinity Learn является первым выбором для многих студентов CBSE, когда дело доходит до экзаменов NEET . Мы следим за тем, чтобы решения были правильными и помогали всем учащимся. С помощью решений Infinity Learn учащиеся могут быстро выполнить учебный план по физике для 12 класса, который включает главу о давлении и важные понятия.

Все мы слышали пословицу: «Практика делает совершенным». Это относится и к учащимся 12 класса. Только применяя полученные знания на практике, студенты могут добиться отличных результатов на экзаменах. Это не только позволяет им обнаружить свои сильные и слабые стороны, но и помогает уменьшить волнение перед экзаменом.

Часто задаваемые вопросы:

Вопрос 1. Как отличить тягу от давления?

Ответ: Вся сила, действующая перпендикулярно на данную поверхность, называется тягой, тогда как тяга, действующая на единицу площади, называется давлением. Кроме того, в то время как тяга относится к общей приложенной силе, давление относится к силе, приложенной к единице площади. Метод P=сила/площадь используется для расчета давления, а тяга рассчитывается по формуле тяга = давление/площадь. Если мы рассмотрим разницу между тягой и давлением, мы увидим, что она такая же, как и любая другая сила с давлением, поскольку сила в первую очередь прилагается к телу, тогда как давление прилагается к какой-либо конкретной области.

Вопрос 2. Какая связь между силой и давлением в теле?

Ответ: Термины сила и давление не взаимозаменяемы. Давление определяется как сила, действующая на единицу площади тела. Если площадь поверхности уменьшается, давление автоматически увеличивается, а если площадь поверхности увеличивается, давление автоматически уменьшается. Однако, когда дело доходит до силы и давления, все немного по-другому. Когда давление растет, вместе с ним растет и сила, а когда давление падает, вместе с ним падает и сила.

Вопрос 3. Как бы вы объяснили понятия силы и давления маленькому ребенку?

Ответ: Проще говоря, сила — это либо толчок, либо притяжение. Когда ветер толкает лист бумаги или парусную доску, это происходит из-за давления, оказываемого силой, действующей на парусную лодку. Когда яблоко падает на землю, это происходит из-за силы тяжести, приложенной к яблоку, которая позволяет ему упасть. Силы могут заставить вещи двигаться и выполнять работу. Когда мы говорим о давлении, мы просто имеем в виду силу, приложенную к определенному месту. 9Связанный контент NEET Crash Course 2023 JEE Main 2023 Question Papers with Solutions JEE Main 2024 Syllabus Best Books for JEE Main 2024 JEE Advanced 2024: Exam date, Syllabus, Eligibility Criteria JEE Main 2024: Даты экзамена, Syllabus, Критерии приемлемости JEE 2024: Дата экзамена, Syllabus, Курс Крайта. Encyclopedia.com

ПОНЯТИЕ

Давление — это отношение силы к площади поверхности, на которую она воздействует. Хотя твердые тела оказывают давление, самые интересные примеры давления связаны с жидкостями, то есть газами и жидкостями, и в частности с водой и воздухом. Давление играет ряд важных ролей в повседневной жизни, в том числе его роль в работе насосов и гидравлических прессов. Поддержание обычного атмосферного давления необходимо для здоровья и благополучия человека: тело идеально приспособлено к обычному атмосферному давлению, и если это давление значительно изменится, у человека могут возникнуть вредные или даже фатальные побочные эффекты.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Сила и площадь поверхности

Когда сила приложена перпендикулярно площади поверхности, она оказывает давление на эту поверхность, равное отношению F к A, , где

F — сила и A площадь поверхности. Следовательно, формула для давления ( p ) такова: p = F / A. Одним интересным следствием этого отношения является тот факт, что давление может увеличиваться или уменьшаться без какого-либо изменения силы, другими словами, если поверхность становится меньше, давление становится больше, и наоборот.

Если бы одна чирлидерша держала на плечах другую чирлидершу, а девушка сверху стояла бы на лопатках девушки снизу, то ноги верхней девушки оказывали бы определенное давление на плечи нижней девушки. Это давление будет равно весу верхней девушки ( F, , что в данном случае является ее массой, умноженной на нисходящее ускорение под действием силы тяжести), деленному на площадь поверхности ее ступней. Предположим, что верхняя девушка выполняет сложное акробатическое движение, поднимая левую ногу и упираясь ею в правое колено, так что только ее правая нога оказывает всю силу своего веса. Теперь площадь поверхности, на которую действует сила, уменьшилась вдвое, и, таким образом, давление на нижнее плечо девушки увеличилось в два раза.

По той же причине — а именно, что уменьшение площади поверхности увеличивает чистое давление — хорошо поставленный удар карате намного эффективнее, чем шлепок открытой ладонью. Если бы кто-то ударил ладонью прямо по доске, единственным вероятным результатом была бы сильная жалящая боль в руке. Но если вместо этого нанести удар по доске, держа руку перпендикулярно — при условии, конечно, что вы являетесь знатоком карате, — доска может расколоться надвое. В первом случае площадь приложения силы велика, а чистое давление на доску относительно невелико, тогда как в случае удара карате площадь поверхности намного меньше, а, следовательно, давление намного больше.

Иногда предпочтительна большая площадь поверхности. Таким образом, снегоступы гораздо эффективнее для ходьбы по снегу, чем обычные туфли или ботинки. Обычная обувь ненамного больше поверхности стопы и идеально подходит для ходьбы по тротуару или траве. Но при глубоком снегу эта относительно небольшая площадь поверхности увеличивает давление на снег и заставляет ноги тонуть. Снегоступы, поскольку их площадь поверхности значительно больше, чем у обычной обуви, уменьшают отношение силы к площади поверхности и, следовательно, снижают чистое давление.

Тот же принцип применим к зимним лыжам и водным лыжам. Как и снегоступы, лыжи позволяют лыжнику оставаться на поверхности. снегу, но, в отличие от снегоступов, лыжи длинные и тонкие, что позволяет лыжнику более эффективно скользить по заснеженному склону. Что касается катания на воде, то люди, имеющие опыт в этом виде спорта, могут кататься босиком, но это сложно. Большинству новичков требуются водные лыжи, которые еще раз уменьшают чистое давление, оказываемое весом лыжника на поверхность воды.

Измерение давления

Давление измеряется рядом единиц в английской и метрической, или, как это называется в научном сообществе, системе СИ. Поскольку p = F / A , все единицы давления представляют некоторое отношение силы к площади поверхности. Основная единица СИ называется паскаль (Па) или 1 Н/м ² . Ньютон (Н), единица силы в СИ, равен силе, необходимой для ускорения 1 килограмма массы со скоростью 1 метр в секунду в квадрате. Таким образом, Паскаль равен давлению в 1 ньютон на поверхности площадью 1 квадратный метр.

В английской или британской системе давление измеряется в фунтах на квадратный дюйм, сокращенно lbs./in ² . Это равно 6,89 · 10 ³ Па, или 6890 Па. Ученые — даже в США, где преобладает британская система единиц, — предпочитают пользоваться единицами СИ. Тем не менее, британская единица давления является знакомой частью повседневной жизни американского водителя, потому что давление в шинах в Соединенных Штатах обычно измеряется в фунтах на квадратный дюйм. (Рекомендуемое давление в шинах для автомобиля среднего размера обычно составляет 30–35 фунтов/дюйм 9 ).0186 2 .)

Другой важной мерой давления является атмосфера (атм), представляющая собой среднее давление воздуха на уровне моря. В английских единицах это равно 14,7 фунта/дюйм ² , а в единицах СИ 1,013 · 10 ⁵ Па, т. е. 101 300 Па. В системе СИ есть еще две специализированные единицы измерения давления. : бар, равный 10 ⁵ Па, и торр, равный 133 Па. Метеорологи, ученые, изучающие погодные условия, используют миллибар (мб), который, как следует из его названия, равен 0,001 бар. На уровне моря атмосферное давление составляет примерно 1013 мб.

БАРОМЕТР.

Торр, когда-то известный как «миллиметр ртутного столба», равен давлению, необходимому для поднятия столбика ртути (химический символ ртутного столба) на 1 мм. Он назван в честь итальянского физика Евангелиста Торричелли (1608-1647), который изобрел барометр, прибор для измерения атмосферного давления.

Барометр, сконструированный Торричелли в 1643 году, состоял из длинной стеклянной трубки, наполненной ртутью. Трубка была открыта с одного конца и перевернута вверх дном в чашу, содержащую больше ртути: следовательно, открытый конец был погружен в ртуть, а закрытый конец наверху представлял собой вакуум, т. е. область, в которой давление значительно ниже 1 атм.

Давление окружающего воздуха давило на поверхность ртути в чаше, а вакуум в верхней части трубки создавал область практически без давления, в которую ртуть могла подняться.

Таким образом, высота, на которую поднималась ртуть в стеклянной трубке, представляла собой нормальное давление воздуха (т. е. 1 атм.). Торричелли обнаружил, что при нормальном атмосферном давлении столбик ртути поднимается до 760 миллиметров.

Таким образом, значение 1 атм было установлено равным давлению, оказываемому на столбик ртути высотой 760 мм при температуре 0°C (32°F). Более того, изобретение Торричелли со временем стало неотъемлемой частью обеих научных лабораторий. и домохозяйств. Поскольку изменения атмосферного давления влияют на погодные условия, сегодня многие домашние и наружные термометры также включают барометр.

Давление и жидкости

С точки зрения физики и газы, и жидкости называются жидкостями, то есть веществами, которые соответствуют форме своего сосуда. Таким образом, давление воздуха и давление воды являются особыми предметами под более широким заголовком «давление жидкости». Жидкость реагирует на давление совершенно иначе, чем твердое тело. Плотность твердого тела делает его устойчивым к небольшим приложениям давления, но если давление увеличивается, оно испытывает растяжение и, в конечном счете, деформацию. Однако в случае жидкости напряжение заставляет ее течь, а не деформироваться.

Существуют три важные характеристики давления, оказываемого на жидкости контейнером. Во-первых, жидкость в сосуде, не испытывающая внешнего движения, прикладывает силу, перпендикулярную стенкам сосуда. Точно так же стенки контейнера воздействуют на жидкость, и в обоих случаях сила всегда перпендикулярна стенкам.

В каждой из этих трех характеристик предполагается, что емкость конечна: другими словами, жидкости некуда больше деваться. Отсюда второе утверждение: внешнее давление, действующее на жидкость, передается равномерно. Обратите внимание, что предыдущее утверждение было квалифицировано термином «внешнее»: сама жидкость оказывает давление, составляющая силы которого равна ее весу. Следовательно, жидкость на дне имеет гораздо большее давление, чем жидкость наверху, из-за веса жидкости над ней.

В-третьих, давление на любую маленькую поверхность жидкости одинаково, независимо от ориентации этой поверхности. Другими словами, область жидкости, перпендикулярная стенкам контейнера, испытывает такое же давление, как и область, параллельная или расположенная под углом к ​​стенкам. Может показаться, что это противоречит первому принципу, согласно которому сила перпендикулярна стенкам сосуда. На самом деле сила является векторной величиной, что означает, что она имеет как величину, так и направление, тогда как давление является скаляром, что означает, что оно имеет величину, но не имеет определенного направления.

ПРИМЕНЕНИЕ В РЕАЛЬНОЙ ЖИЗНИ

Принцип Паскаля и гидравлический пресс

Три характеристики давления жидкости, описанные выше, имеют ряд следствий и применений, среди которых так называемый принцип Паскаля. Как и единица давления в системе СИ, принцип Паскаля назван в честь французского математика и физика Блеза Паскаля (1623–1662), сформулировавшего второе из трех утверждений: внешнее давление, приложенное к жидкости, передается равномерно по всему объему тела.

эта жидкость. Принцип Паскаля лег в основу одной из важнейших когда-либо разработанных машин — гидравлического пресса.

Простой гидравлический пресс, используемый для подъема автомобиля в автомастерской, обычно состоит из двух больших цилиндров, расположенных рядом. Каждый цилиндр содержит поршень, и цилиндры соединены в нижней части каналом, содержащим жидкость. Клапаны регулируют поток между двумя цилиндрами. Когда кто-то прикладывает усилие, нажимая на поршень в одном цилиндре (входном цилиндре), это дает равномерное давление, которое вызывает выход в второй цилиндр, толкая вверх поршень, который поднимает автомобиль.

В соответствии с принципом Паскаля давление во всем гидравлическом прессе одинаково и всегда будет равно отношению силы к давлению. Пока это соотношение одинаково, значения F и A могут различаться. В случае автомобильного домкрата входной цилиндр имеет относительно небольшую площадь поверхности, и, следовательно, сила, которая должна быть приложена, также относительно невелика. Выходной цилиндр имеет относительно большую площадь поверхности и, следовательно, прилагает относительно большую силу для подъема автомобиля. Это, в сочетании с разницей в высоте между двумя цилиндрами (обсуждаемой в контексте механических преимуществ в другом месте этой книги), позволяет поднимать тяжелый автомобиль с относительно небольшим усилием.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАНТ.

Автомобильный домкрат представляет собой простую модель гидравлического пресса в действии, но на самом деле принцип Паскаля имеет гораздо больше применений. Среди них гидравлический цилиндр, используемый в различных машинах, от бульдозеров до гидравлических подъемников, используемых пожарными и коммунальными службами для подъема на высоту. Однако в гидроцилиндре характеристики входного и выходного цилиндров противоположны характеристикам автомобильного домкрата.

Входной цилиндр, называемый главным цилиндром, имеет большую площадь поверхности, тогда как выходной цилиндр (называемый рабочим цилиндром) имеет небольшую площадь поверхности. Кроме того, хотя опять же, это фактор, связанный с механическим преимуществом, а не с давлением как таковым, главный цилиндр короткий, а рабочий цилиндр высокий. Из-за большей площади поверхности главного цилиндра по сравнению с рабочим цилиндром гидроцилиндр не считается эффективным с точки зрения механического преимущества: другими словами, входная сила намного больше, чем выходная сила.

Тем не менее, гидравлический домкрат так же хорошо подходит для своей цели, как автомобильный домкрат. В то время как домкрат предназначен для подъема тяжелого автомобиля на небольшое расстояние по вертикали, гидроцилиндр поднимает гораздо более легкий груз (обычно всего одного человека) на гораздо большее расстояние по вертикали — например, на вершину дерева или здания.

Использование разницы давлений

НАСОСЫ.

В насосе используется принцип Паскаля, но вместо того, чтобы удерживать жидкость в одном контейнере, насос позволяет жидкости вытекать. В частности, насос использует разницу давлений, заставляя жидкость перемещаться из области более высокого давления в область более низкого давления. Очень простым примером этого является сифонный шланг, используемый для забора бензина из бензобака автомобиля. Всасывание на одном конце шланга создает область низкого давления по сравнению с областью относительно высокого давления бензобака. В конце концов, бензин выйдет из конца шланга низкого давления. (И, если повезет, человек, перекачивающий воду, сможет это предвидеть, так что он не получит полный рот бензина!)

Поршневой насос, более сложный, но все же достаточно простой, состоит из вертикального цилиндра, по которому поднимается и опускается поршень. Рядом с дном цилиндра расположены два клапана: впускной клапан, через который жидкость поступает в цилиндр, и выпускной клапан, через который жидкость вытекает из него. На такте всасывания, когда поршень движется вверх, впускной клапан открывается и позволяет жидкости поступать в цилиндр. При ходе вниз впускной клапан закрывается, а выпускной клапан открывается, и давление, создаваемое поршнем на жидкость, выталкивает ее через выпускной клапан.

Одним из наиболее очевидных применений поршневого насоса является двигатель автомобиля. В этом случае, конечно, перекачиваемой жидкостью является бензин, который толкает поршни, обеспечивая серию контролируемых взрывов, создаваемых воспламенением газа от свечи зажигания. В другой разновидности поршневых насосов, используемых для накачивания баскетбольных мячей или велосипедных шин, перекачиваемой жидкостью является воздух. Затем есть насос для воды, который качает питьевую воду из-под земли. Его также можно использовать для удаления желаемой воды из места, где она является помехой, например, со дна лодки.

ПРИНЦИП БЕРНУЛЛИ.

Хотя Паскаль дал ценные сведения об использовании давления для выполнения работы, мыслителем, первым сформулировавшим общие принципы взаимосвязи между жидкостями и давлением, был швейцарский математик и физик Даниэль Бернулли (1700–1782). Бернулли считается отцом гидромеханики, изучения поведения газов и жидкостей в состоянии покоя и в движении.

Проводя эксперименты с жидкостями, Бернулли заметил, что при уменьшении диаметра трубы вода течет быстрее. Это навело его на мысль, что какая-то сила должна действовать на воду сила, как он рассуждал, должна возникать из-за разности давлений. В частности, более медленно движущаяся жидкость в более широкой части трубы имеет большее давление, чем часть жидкости, движущейся через более узкую часть трубы. В результате он пришел к выводу, что давление и скорость обратно пропорциональны, другими словами, при увеличении одного уменьшается другое.

Таким образом, он сформулировал принцип Бернулли, который гласит, что при всех изменениях движения сумма статического и динамического давления в жидкости остается неизменной. Жидкость в состоянии покоя оказывает статическое давление, которое обычно подразумевается под «давлением», как и под «давлением воды». Однако, когда жидкость начинает двигаться, часть статического давления, пропорциональная скорости жидкости, преобразуется в так называемое динамическое давление или давление движения. В цилиндрической трубе статическое давление действует перпендикулярно поверхности сосуда, а динамическое давление параллельно ей.

Согласно принципу Бернулли, чем больше скорость потока в жидкости, тем больше динамическое давление и меньше статическое давление: другими словами, более медленно движущаяся жидкость оказывает большее давление, чем более быстро движущаяся. Открытие этого принципа в конечном итоге сделало возможным создание самолета.

При движении жидкости из более широкой трубы в более узкую объем этой жидкости, перемещающейся на заданное расстояние за заданный период времени, не изменяется. Но поскольку ширина более узкой трубы меньше, жидкость должна двигаться быстрее (то есть с большим динамическим давлением), чтобы переместить то же количество жидкости на то же расстояние за то же время. Один из способов проиллюстрировать это — понаблюдать за поведением реки: в широкой, свободной области она течет медленно, но если ее поток сужается стенами каньона, то она резко ускоряется.

Принцип Бернулли в конечном итоге стал основой аэродинамического профиля, конструкции крыла самолета, если смотреть с торца. Аэродинамический профиль имеет форму асимметричной капли, лежащей на боку, «толстым» концом к воздушному потоку. Когда воздух попадает на переднюю часть аэродинамического профиля, воздушный поток разделяется, часть его проходит над крылом, а часть проходит под ним. Однако верхняя поверхность аэродинамического профиля изогнута, тогда как нижняя поверхность намного прямее.

В результате воздух, проходящий через верх, преодолевает большее расстояние, чем воздух, проходящий под крылом. Поскольку жидкости имеют тенденцию компенсировать все объекты, с которыми они вступают в контакт, воздух вверху будет течь быстрее, чтобы встретиться с воздухом внизу в задней части крыла. Более быстрый поток воздуха, как продемонстрировал Бернулли, указывает на более низкое давление, а это означает, что давление на нижнюю часть крыла удерживает самолет в воздухе.

Плавучесть и давление

За сто двадцать лет до первого успешного полета на самолете братьев Райт в 1903 году другая пара братьев — французские гольфисты — разработали еще одно средство полета. Это был воздушный шар, который опирался на совершенно другой принцип отрыва от земли: плавучесть или стремление объекта, погруженного в жидкость, всплывать. Однако, как и в случае с принципом Бернулли, понятие плавучести связано с давлением.

В третьем веке до нашей эры греческий математик, физик и изобретатель Архимед (ок. 287–212 до н. э.) открыл так называемый принцип Архимеда, согласно которому выталкивающая сила тела, погруженного в жидкость, равна вес жидкости, вытесненной телом. Вот почему корабли плавают: потому что их выталкивающая, или подъемная, сила меньше, чем равна весу вытесняемой ими воды.

Корпус корабля предназначен для вытеснения или перемещения количества воды, вес которого превышает вес самого судна. Вес вытесненной воды, то есть ее масса, умноженная на нисходящее ускорение, вызванное силой тяжести, равна выталкивающей силе, действующей на корабль со стороны океана. Если корабль весит меньше, чем вытесняемая им вода, он будет плавать; но если он будет весить больше, он утонет.

Факторы, связанные с принципом Архимеда, зависят от плотности, гравитации и глубины, а не от давления. Однако чем больше глубина внутри жидкости, тем больше давление, которое давит на объект, погруженный в жидкость. Более того, общее давление жидкости на заданной глубине частично связано как с плотностью, так и с гравитацией, составляющими выталкивающей силы.

ДАВЛЕНИЕ И ГЛУБИНА.

Давление, которое жидкость оказывает на дно своего сосуда, равно dgh, , где d — плотность, g — ускорение свободного падения, а h — глубина сосуда. Для любой порции жидкости ч равно ее глубине внутри контейнера, а это означает, что чем глубже человек идет, тем больше давление. Кроме того, полное давление внутри жидкости равно dgh + p _{внешнее,} где p _{внешнее} — давление, оказываемое на поверхность жидкости. В поршне-цилиндровом узле это давление исходит от поршня, а в воде — из атмосферы.

В этом контексте океан можно рассматривать как своего рода «контейнер». На его поверхность воздух оказывает нисходящее давление, равное 1 атм. Плотность самой воды однородна, как и ускорение вниз под действием силы тяжести; тогда единственная переменная равна 901:50 ч, или расстояние под поверхностью. В самых глубоких уголках океана давление невероятно велико — намного больше, чем может выдержать любой человек. Это огромное количество давления толкает вверх, сопротивляясь нисходящему давлению объектов на его поверхность. В то же время, если вес лодки правильно распределен вдоль ее корпуса, корабль максимально увеличивает площадь и минимизирует силу, тем самым оказывая нисходящее давление на поверхность воды, которое меньше, чем восходящее давление самой воды. Следовательно, он плавает.

Давление и тело человека

ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА.

Монгольфьеры использовали принцип плавучести не для плавания по воде, а для плавания в небе на корабле легче воздуха. Подробности этого достижения обсуждаются в другом месте в контексте плавучести; но тема полета легче воздуха предполагает еще одну концепцию, которая несколько раз упоминалась в этом эссе: атмосферное давление.

Точно так же, как давление воды самое большое на дне океана, давление воздуха самое большое на поверхности Земли, которая фактически находится на дне «океана» воздуха. И давление воздуха, и давление воды являются примерами гидростатического давления — давления, которое существует в любом месте тела жидкости из-за веса жидкости над ним. В случае давления воздуха воздух тянется вниз силой земного притяжения, а воздух вдоль поверхности имеет большее давление из-за веса (функции силы тяжести) воздуха над ним. Однако на больших высотах над поверхностью Земли сила гравитации уменьшается, и, следовательно, атмосферное давление намного меньше.

При обычном опыте тело человека подвергается внушительному давлению. Учитывая значение атмосферного давления, обсуждавшееся ранее, если вытянуть руку — предполагая, что поверхность составляет около 20 дюймов 90 186 2 90 187 (0,129 м 90 186 2 90 187 ) — сила воздуха, воздействующая на нее, составляет почти 300 фунтов (136 кг). )! Как же это руку не раздавит весь этот вес? Причина в том, что само человеческое тело находится под давлением, и что внутренняя часть тела оказывает давление, равное давлению воздуха.

РЕАКЦИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА.

Человеческое тело приспособлено к нормальному атмосферному давлению в 1 атм, и если это внешнее давление изменить, в организме происходят изменения, которые могут быть вредными или даже фатальными. Незначительным примером этого является «хлопанье» в ушах, которое происходит, когда кто-то едет через горы или едет в самолете. С изменением высоты меняется давление, и, следовательно, давление в ушах также меняется.

Как отмечалось ранее, на больших высотах атмосферное давление снижается, что затрудняет дыхание. Поскольку воздух — это газ, его молекулы имеют тенденцию не притягиваться: другими словами, когда давление низкое, они стремятся удалиться друг от друга, и в результате человеку, находящемуся на большой высоте, трудно достичь цели. достаточное количество воздуха в его легкие. Бегуны, соревнующиеся в 19Участники Олимпиады-68 в Мехико, городе в горах, должны были тренироваться в высокогорных условиях, чтобы они могли дышать во время соревнований. Для бейсбольных команд, соревнующихся в Денвере, штат Колорадо (известном как «Город на высоте мили»), этот недостаток дыхания компенсируется тем фактом, что пониженное давление и сопротивление позволяют бейсбольному мячу легче двигаться по воздуху.

Если человек вырос в такой высокогорной среде, он, конечно, привыкает дышать в условиях низкого атмосферного давления. В перуанских Андах, например, люди проводят всю свою жизнь на высоте, более чем в два раза превышающей денверскую, но человеку из низкогорной местности следует посещать такие места только после принятия мер предосторожности. На очень больших высотах, конечно, человек не может дышать: поэтому кабины самолетов герметизированы. Большинство самолетов оснащены кислородными масками, которые падают с потолка, если внутри салона происходит перепад давления. Без этих масок все в салоне погибли бы.

КРОВЯНОЕ ДАВЛЕНИЕ.

Другим аспектом давления и человеческого организма является кровяное давление. Точно так же, как идеальное зрение 20/20, врачи рекомендуют целевое кровяное давление «120 на 80» — но что это значит? Когда у человека измеряют артериальное давление, на плечо на уровне сердца наматывают надувную манжету. В то же время стетоскоп помещают вдоль артерии в нижней части руки для контроля звука кровотока. Манжета надувается, чтобы остановить кровоток, затем давление высвобождается до тех пор, пока кровь снова не начнет течь, производя булькающий звук в стетоскопе.

Давление, необходимое для остановки кровотока, известно как систолическое давление, которое равно максимальному давлению, создаваемому сердцем. После уменьшения давления на манжету до тех пор, пока кровь не начнет нормально течь, что отражается в прекращении булькающего звука в стетоскопе, вновь измеряется давление в артерии. Это диастолическое давление, или давление, существующее в артерии между ударами сердца. Для здорового человека систолическое давление должно быть 120 торр, а диастолическое давление 80 торр.

ГДЕ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

«Атмосферное давление: сила, создаваемая весом воздуха» (веб-сайт). (7 апреля 2001 г.).

Бейсер, Артур. Физика, 5-е изд. Чтение, Массачусетс: Addison-Wesley, 1991.

«Кровяное давление» (веб-сайт). (7 апреля 2001 г.).

Кларк, Джон Оуэн Эдвард. Атмосфера. Нью-Йорк: Gloucester Press, 1992.

Кобб, Аллан Б. Супернаучные проекты об океанах. New York: Rosen, 2000.

«Физика подводного плавания: урок давления» (веб-сайт). (7 апреля 2001 г.).

Провензо, Юджин Ф. и Астери Бейкер Провензо. 47 простых классических экспериментов. Иллюстрации Питера А. Цорна-младшего. Нью-Йорк: Dover Publications, 1989.

«Понимание атмосферного давления» USA Today (веб-сайт). (7 апреля 2001 г.).

Зубровски, Берни. Воздушные шары: сборка и эксперименты с надувными игрушками. Иллюстрировано Роем Доти. New York: Morrow Junior Books, 1990.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

АТМОСФЕРА:

Мера давления, сокращенно обозначаемая как «атм», равная среднему давлению воздуха на уровне моря. В английских единицах это равно 14,7 фунтов на квадратный дюйм, а в единицах СИ — 101 300 паскалей.

БАРОМЕТР:

Прибор для измерения атмосферного давления.

ПЛАВУЧЕСТЬ:

Тенденция объекта, погруженного в жидкость, плавать.

ЖИДКОСТЬ:

Любое вещество, будь то газ или жидкость, которое соответствует форме своего сосуда.

МЕХАНИКА ГИДРОИЗОЛЯЦИИ:

Изучение поведения газов и жидкостей в состоянии покоя и в движении.

ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ:

давление, существующее в любом месте тела жидкости из-за веса жидкости над ним.

ПАСКАЛЬ:

Основная СИ или метрическая единица давления, сокращенно «Па» и равная 1 Н/м ² .

ПРИНЦИП ПАСКАЛЯ:

Утверждение, сформулированное французским математиком и физиком Блезом Паскалем (1623-1662), согласно которому внешнее давление, воздействующее на жидкость, передается равномерно по всему телу этой жидкости.

ДАВЛЕНИЕ:

Отношение силы к площади поверхности, когда сила приложена в направлении, перпендикулярном этой поверхности.