Идущий по рыхлому снегу человек будет в него постоянно проваливаться. А вот на лыжах он сможет передвигаться по тому же самому снегу спокойно. Казалось бы, ничего не меняется — человек воздействует на снег с одинаковой силой и на лыжах, и без них.
Дело в том, что «проваливание» в снег характеризуется не только силой — оно также зависит от площади, на которую эта сила воздействует. Площадь поверхности лыжи в 20 раз больше площади поверхности подошвы, поэтому человек, стоя на лыжах, действует на каждый квадратный сантиметр с силой в 20 раз меньшей, чем без них.
Или, например, если вы будете с одинаковой силой втыкать кнопки в пробковую доску, легче войдет та кнопка, у которой более заостренный конец, так как его площадь меньше.
Резюмируем: результат действия силы зависит не только от ее модуля, направления и точки приложения, но и от площади поверхности, к которой эта сила приложена.
А теперь подтвердим этот вывод опытами, как настоящие физики.
Возьмем небольшую доску и вобьем гвозди в ее углы. Также возьмем емкость с песком и поставим конструкцию из доски и гвоздей в эту емкость. Сначала расположим конструкцию шляпками вниз и поставим на нее гирю. Конструкция не утонет в песке, а только чуть-чуть углубится в него.
Затем перевернем конструкцию так, чтобы шляпки гвоздей оказались сверху и также поставим на доску гирю. Теперь конструкция утонет в песке.
От того, какая сила действует на каждую единицу площади поверхности, зависит результат действия силы.
Во всех примерах мы говорили о действии силы, перпендикулярной поверхности. Чтобы охарактеризовать это действие, используется величина давление.
Давление
p = F/S
p — давление [Па]
F — сила [Н]
S — площадь [м 2 ]
Как уменьшить или увеличить давление
Тяжелый гусеничный трактор производит давление на почву, равное 40–50 кПа. Мальчик массой 45 кг производит давление всего лишь в 3 раза меньше, чем такой трактор. Это связано с большой площадью гусениц трактора.
В зависимости от того, какое давление хотят получить, площадь опор уменьшают или увеличивают. Например, чтобы уменьшить давление здания на грунт, в процессе строительства увеличивают площадь нижней части фундамента.
Шины грузовых автомобилей делают значительно шире легковых автомобилей. Чтобы убедиться в этом, обратите внимание на колеса какой-нибудь большой фуры. Самые широкие шины можно увидеть на автомобилях, предназначенных для передвижения в пустыне. Тот же лайфхак используется в шасси самолетов.
Обратную зависимость тоже применяют, например, при создании лезвий колющих и режущих инструментов. Острое лезвие имеет малую площадь, поэтому даже при небольшом нажатии создается большое давление.
Задачка раз
Книга лежит на столе. Масса книги равна 0,6 кг. Площадь ее соприкосновения со столом равна 0,08 м2. Определите давление книги на стол.
Решение
На стол будет давить сила, равная весу книги. Так как она покоится, ее вес будет равен силе тяжести. Следовательно:
p = mg/S = 0,6 × 10 / 0,08 = 75 Па
Ответ: давление книги на стол будет равно 75 Па.
Задачка два
Гусеничный трактор ДТ-75М массой 6 610 кг имеет опорную площадь обеих гусениц 1,4 м 2 . Определите давление этого трактора на почву.
Решение:
p = mg/S = 6 610 × 10 / 1,4 = 47 214 Па = 47,2 кПа
Ответ: давление трактора на почву составляет 47,2 кПа.
Задачка три
Человек массой 80 кг с сумкой весом 100 Н стоит неподвижно на полу. Сила давления подошв его ботинок на пол равномерно распределена по площади 600 см2. Какое давление человек оказывает на пол?
Решение
Масса человека: m = 80 кг.
Вес сумки, которую держит человек: Pc = 100 Н.
Площадь соприкосновения подошвы ботинок с полом: S = 600 см 2 .
600 см 2 = 600 / 10 000 м 2 = 0,06 м 2
Давление — это отношение силы к площади, на которую она действует. В данном случае на площадь действует сила, равная сумме силы тяжести человека и веса сумки:
Поэтому давление, оказываемое человеком с сумкой на пол, равно:
p = (mg + Pс) / S = (80 × 10 + 100) / 0,06 = 15 000 Па = 15 кПа
Ответ: давление человека с сумкой на пол равно 15 кПа.
Определение закона Паскаля
Итак, мы подошли к формулировке закона Паскаля, и звучит она так:
Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку одинаково во всех направлениях.
Обратите внимание — закон работает только с жидкостями и газами. Дело в том, что молекулы жидких и газообразных веществ под давлением ведут себя совсем не так, как молекулы твердых тел. Если молекулы жидкости и газа движутся почти свободно, то молекулы твердых тел так не умеют. Они могут лишь колебаться, немного отклоняясь от исходного положения. Именно благодаря свободному передвижению молекулы газа и жидкости оказывают давление во всех направлениях.
Рассмотрим опыт с шаром Паскаля, чтобы стало понятнее.
Присоединим к трубе с поршнем полый шар со множеством небольших отверстий. Зальем в шар воду и будем давить на поршень. Давление в трубе вырастет и вода будет выливаться через отверстия, причем напор всех струй будет одинаковым. Такой же результат получится, если вместо воды в шарике будет газ.
Давление жидкости
Из закона Паскаля следует, что раз давление передается одинаково во всех направлениях, то верхние слои жидкости давят на средние, средние — на нижние, нижние — на дно сосуда.
Давление внутри жидкости на одном и том же уровне одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается.
Это утверждение проверяется с помощью манометра — прибора для измерения давления. Чем глубже мы измеряем давление, тем больше показания.
Давление столба жидкости
p = ρgh
ρ — плотность [кг/м 3 ]
h — высота столба жидкости [м]
g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]
На Земле g = 9,8 м/с 2
Формула давления столба жидкости часто требуется в задачах.
Задачка раз
На горизонтальном столе стоят два цилиндрических сосуда — узкий и широкий (см. рисунок). В узкий сосуд налита вода, в широкий — керосин. Уровень жидкости в сосудах одинаковый. Сравните давления p жидкостей в точках A, B, C, D и выберите правильную пару утверждений.
Решение
Давление столба жидкости прямо пропорционально ее плотности и высоте столба. Плотность воды больше плотности керосина, следовательно, давление в точке A больше давления в точке C. Давления в точках B и D равны.
Правильный ответ указан под номером 4.
Задачка два
В сосуд с водой плотностью ρ = 998 кг/м 3 опущена вертикальная стеклянная пробирка, целиком заполненная водой (см. рисунок). Высота h1 равна 0,3 м. Найдите давление, оказываемое водой на дно сосуда в точке А. Ускорение свободного падения примите равным 10 м/с 2 .
Решение
Поскольку вода не вытекает из пробирки, давление столба высотой h2 на жидкость в сосуде высотой h1 уравновешено давлением, которое оказывает вода в сосуде на столб воды в пробирке. Сосуд открытый, поэтому на него действует внешнее давление, которое и передается столбу воды. В результате столб воды в пробирке не оказывает дополнительного давления на точку А, поэтому давление, оказываемое водой на дно сосуда в точке А, равно p = ρgh1. Тогда:
p = ρgh1 = 998 × 10 × 0,3 = 2 994 Па
Источник
Физика
Именная карта банка для детей с крутым дизайном, +200 бонусов
Закажи свою собственную карту банка и получи бонусы
План урока:
Можно ли бежать по снегу?
В соревнованиях, когда одна команда бежит на лыжах по рыхлому снегу, а другая без лыж победит, конечно же, команда с лыжами. Все дело в лыжах. Когда человек стоит на лыжах, его вес равномерно распределяется по всей площади лыж. Нетрудно сравнить площадь двух лыж и площадь подошв обуви.
Площадь лыж больше площади подошв. Если одинаковый вес человека распределить на разные площади, получится, что каждой единице площади лыж достанется веса меньше, чем такой же единице площади подошв. (Чтобы лучше понять это, надо представить простую ситуацию: на разные по размерам куски хлеба намазать по одинаковому количеству сливочного масла. На маленьком куске хлеба получится толстый слой масла, а на большом — масло размажется очень тонко).
Сила, которая давит на длинные лыжи и небольшие подошвы – это вес человека. А вот сила, которая приходится на единицу площади лыжи или подошвы – это уже не полный вес человека, а лишь маленькая часть этого веса. Эту силу в физике называют давлением.
Значит, команда на лыжах выиграла, так как оказывала на снег меньшее давление, и передвигаться ей, не проваливаясь, было легче.
Нужно отличать давление от силы давления. В примере в роли силы давления выступает вес человека, а давление – это часть веса, которая достается единице площади.
Давление принято обозначать буквой p (маленькая латинская буква) и находить по правилу:
Достаточно понятная формула: «силу давления F разделить (распределить) на площадь S».
Давление измеряют и другими единицами:
Давление оказывают тела не только своим весом. Когда, например, режут хлеб или сыр на части, то нож разрезает продукты под действием мышечной силы руки.
Зная давление, можно найти силу, которая действует на поверхность:
Способы изменения давления
Жарким летним днем, когда асфальт будто плавится, на нем остаются следы.
Какая обувь оставляет самые заметные, глубокие следы? Несомненно, ответ прост: это шпильки женских туфель. Маленькая площадь, следовательно, большое давление – и видимый результат.
Иногда давление необходимо сделать большим, иногда — маленьким.
Большое давление нужно там, где имеют дело с режущими и колющими инструментами. Необходимо, чтобы они были остро заточены, чтобы площадь соприкосновения была минимальной. Если нажать посильнее, то можно получить огромные давления. Резец токарного станка срезает стружку, оказывая давление на деталь 2,45 ∙ 10 9 Па.
В рукопашном бое востока преобладают колющие и рубящие удары пальцами рук, ног и ребром ладони. Обладая маленькой массой, можно нанести резкий болевой удар, ведь площадь кончиков пальцев или ребра ладони значительно меньше площади всей ладони или кулака. А значит, при одинаковой силе можно оказать большее давление на место удара.
А какое давление оказывает лезвие из дамасской стали, если легкая шелковая лента, упав на саблю, перерезается пополам!
В тех случаях, когда давление должно быть маленьким, сила должна быть тоже небольшой, а это в современных технологиях встречается редко. Тогда для уменьшения давления нужно увеличить площадь опоры.
Гусеницы тракторов, вездеходов значительно уменьшают давление на почву (всего 40 — 50 кПа), поэтому этот вид транспорта хорошо проходим даже в условиях болота. Для сравнения давление, которое оказывают колеса легкового автомобиля на дорогу равно 200 – 300 кПа, причем вес автомобиля значительно меньше, чем у трактора. Человек для прохождения по болотистой почве применяет специальные болотоходы, а по снегу – снегоходы.
Для того, чтобы дома и другие строения не давали осадку, необходимо под них подводить широкий фундамент (увеличение площади). Известная всему миру Останкинская башня, высотой 533 м, давит своим фундаментом на землю всего в 270 кПа (как легковой автомобиль). Таким же фундаментом для железнодорожных рельсов являются шпалы, уменьшающие давление вагонов на рельсы.
Для похода лучше выбирать рюкзак с широкими лямками, даже не нужно объяснять, почему.
Животным природа подарила возможность учитывать и использовать давление:
клыки (хищники легко разрывают ими мясо);
когти (кошки свободно забираются на дерево, спасаясь от собаки);
острые зубы (пираньи – хищные рыбы пресных вод в считанные секунды обгладывают свои жертвы):
клювы (дятел быстро долбит кору деревьев, находя там жучков для еды);
острые носы (комар мгновенно протыкает кожу людей и животных и высасывает кровь);
Приведенные примеры говорят о том, как животные приспособились к борьбе за существование.
Итак, давление учитывает и человек, и природа, стремясь держать его большим или маленьким в нужных случаях.
Давление газа
Воздушные шары и мыльные пузыри знакомы всем взрослым и детям. Это обязательный атрибут игр или праздников. А как получить такой шарик? Он наполняется воздухом, который человек вдувает в шарик при выдохе. С каждым выдохом шарик растет все больше, и делается все более упругим. На резину шарика воздух давит, стараясь растянуть его в разные стороны. Силе давления противостоит сила упругости деформированного шарика, и нужно вовремя остановиться, иначе сила давления перерастет силу упругости, произойдет громкий хлопок – шарик лопнет.
Твердое тело весом давит на часть поверхности, на которой стоит (если ведро стоит на полу, то оно и давит только на пол), а газ действует во всех направлениях одинаково, поэтому мыльные пузыри имеют форму шара. Форму воздушного шара определяет резина, из которой он изготовлен. Если резина везде одинакова, то шар будет круглым. Если резина имеет в разных частях шара разную упругость, то и шар надуется по-разному, и будет иметь заданную форму.
Молекулы газообразного вещества мечутся беспорядочно и хаотично, но такой хаос большого количества частиц обеспечивает некий порядок: в любых направлениях зигзагообразными траекториями движется примерно одинаковое количество молекул. Суммарная сила удара сразу всех молекул, действующая на единицу площади, и образует давление газа.
Если накачивать насосом камеру велосипеда или мяча, то с каждым качком камера становится будто бы более твердой, потому что молекулы воздуха все прибывают и прибывают, сила суммарного удара по стенкам камеры становится все больше и больше. А значит, давление растет. Если воздух выходит, то камера на глазах «худеет», давление уменьшается. С ростом числа молекул связано увеличение массы газа, а уменьшение числа молекул ведет к уменьшению массы. Поэтому давление газа зависит от его массы, которую опытным путем гораздо легче определить, чем само давление.
С повышением температуры тела молекулы перемещаются быстрее. Чем выше скорость, тем сильнее молекулы ударяются о сосуд, в котором газ находится. Значит, чем температура выше, тем значительнее давление, оказываемое газом.
Еще интересный пример изменения давления. Надо взять бумажный пакет, надуть его и резко ударить по нему ладонью. Хлопок, и пакет разорван. Все очень быстро и просто, а ведь здесь произошли вполне объяснимые физические процессы. Кулек под ударом ладони сжимается, объем газа в нем становится меньше, количество молекул не увеличивается, но так как молекулы расположены плотнее, на единицу площади стенок их количество растет, что приводит к росту давления. Давление разрывает бумагу, резко вырвавшийся воздух является причиной звука в виде хлопка. Получается, давление газа связано и с объемом: давление становится больше с уменьшением объема газа, а если объем газа увеличивается, то давление его уменьшается.
И следующее. У разных газов молекулы различны по массе. С ростом молекулярной массы увеличивается ударная сила молекулы о поверхность, что приводит к росту давления. Поэтому различные газы в одном объеме, с одной и той же температурой оказывают неодинаковые давления.
давление газа определяется общими ударами большого числа молекул о поверхности, окружающие газ;
если изменить количество молекул газа, его температуру или объем сосуда, в котором газ находится, то можно изменить давление этого газа;
в одинаковых прочих условиях (число молекул, объем, температура) у различных газов давление неодинаково.
Закон Паскаля
Твердые тела, соприкасаясь с поверхностью, давят на нее перпендикулярно. Газы давят в различных направлениях. А как давят жидкости?
Молекулы жидкости, перемещаясь, долго не задерживаются на месте. Здесь они подобны молекулам газов. Различие лишь состоит в расстояниях между молекулами. Поэтому в жидкостях, как и газах, есть давление, которое действует в любых направлениях одинаково. Почему в ванной вода из крана течет одной струей, а эта же самая вода из душа течет большим количеством одинаковых струек? Если бы вместо душевого сита был шар с дырками, то вода лилась бы во все стороны, и даже вверх. Объясняет эти явления знаменитый закон Паскаля:
Закон Паскаля справедлив для газов тоже. Примером из жизни служит уже рассмотренное надувание воздушного шарика. Струю воздуха человек направляет прямо перед собой (он же не крутит головой, чтобы заполнить шар), а шар заполняется везде, во всех направлениях. Накачивая резиновую лодку ручным насосом, рыбак нажимает сверху вниз на насос, воздух же наполняет полностью всю форму лодки.
Этот закон давления нашел широчайшее применение в механизмах, использующих принцип работы гидравлического пресса (изобретен Б. Паскалем). Если нажать на маленький поршень S1 силой F1, давление получится p1 = F1/ S1. Это давление без изменения (по закону Паскаля) будет передаваться во всех направлениях и дойдет до поршня S2. Значит, там давление p2 = F2/S2 такое же. p1 = p2, то есть F1/ S1 = F2/S2.
Используя математику, из этого равенства можно получить следующее: F1/F2 = S1/S2. Это равенство выражает закон гидравлического пресса (гидравлический — водяной или жидкостный). Оно означает: действуя маленькой силой на небольшую площадь можно получить большую силу, действующую на большую площадь. Силы будут отличаться во столько же раз, во сколько отличаются площади. Если действовать на малую площадь маленькой силой, используя площадь в несколько раз большую, можно получить силу во столько же раз большую.
Само слово «пресс» обозначает: механизм для обработки материалов давлением.
С помощью пресса макулатуре, металлолому, сену придают формы удобные для транспортировки.
Методом прессования изготовляют детали сложнейших приборов и машин.
В водяных насосах, отбойных молотках, также используется закон Паскаля и закон гидравлического пресса. Нажимая на тормоз, шофер останавливает автомобиль. Усиленное давление по этим законам передается на тормозные колодки, которые не дают вращаться колесам. Но это, конечно, далеко не весь перечень примеров проявления и использования свойств давления.
Давление жидкости
Можно ли численно рассчитать давление жидкости? Ответ получается, если применить нетрудные математические преобразования.
По определению p = F/S. F – сила, с которой жидкость (ведь она обладает весом P) давит на дно. Дальше, вспомнив формулы веса (P = mg), массы (m = ρV), объема (V = Sh), можно получить:
p = P/S = mg/S = ρVg/S = ρShg/S. Сократить полученную дробь на S, и результат готов:
Изначально в формуле была задействована площадь дна, а в результате получилось выражение, в котором давление жидкости зависит ни от формы сосуда, ни от площади его стенок и дна, а от плотности ρ и глубины h жидкости (физики называют глубину высотой столба жидкости). Число g ≈ 10 Н/кг осталось от формулы веса.
А теперь самое интересное. Можно ли водой из кружки разрушить большую бочку? Тот факт, что высота столба определяет давление жидкости, позволяет ответить на этот вопрос: « Да, можно!»
Если взять несколько сосудов различной формы, одинаковой высоты и с одинаковой площадью дна, которое затянуто эластичной пленкой, наполнить сосуды водой, то дно прогнется одинаково во всех трех случаях. Хотя вес жидкости разный, сила давления возникает одинаковая (но ведь силой давления является вес!). Что происходит? А вот что:
F = p ∙ S, а p = ρgh и F = ρgh ∙ S
Одна жидкость, плотность ρ, высота h и площадь S дна — одинаковы. Значит, и сила давления одинаковая. Это явление «гидростатического парадокса».
Первое объяснение этому парадоксу (противоречие с общепринятым утверждением; перевод с греческого «докса» — «мнение», «пара» — «против») дано опять же Б.Паскалем.
Явления, связанные со стоячей жидкостью (в сосуде, в луже, в пруду) и давлением называют гидростатическими.
Сообщающиеся сосуды
Красивое зрелище – действующие фонтаны. Они всегда привлекают к себе внимание детей и взрослых. А каков же их принцип действия?
Первый человек, который это объяснил, опять был Блез Паскаль. Если взять две стеклянные трубочки и соединить их трубкой резиновой, и через воронку наливать воду в одну трубочку, то при любом положении трубочек вода в них будет на одинаковом уровне.
Эти трубочки, а на их месте могут быть любые сосуды, соединяются (сообщаются) друг с другом. Давление в обеих трубочках одинаково (по закону Паскаля), значит, и высота столбиков жидкости в этих соединенных, сообщающихся сосудах — одинакова.
Если один сосудов поднять на большую высоту, то из второго сосуда жидкость будет стремиться подняться до уровня первого сосуда, но сила тяжести, возвращает ее обратно на землю. Таков основной принцип работы фонтана. Вот его примерная схема:
Фонтан соединяется с большой башней, в которую закачивается вода с помощью насосов. Такую башню называют водонапорной. А если водонапорную башню соединить с водопроводной сетью, то вода поступит в любую квартиру, в любое здание. Водопровод — это пример применения в жизни сообщающихся сосудов.
К сообщающимся сосудам относятся насосы со шлангами, лейки, чайники, кофейники. В них по два сосуда: емкость под жидкость и носик. Звучит непривычно, но это так.
При помощи сообщающихся сосудов измеряют небольшое давление. Прибор называется жидкостным манометром. Один сосуд закрыт, а ко второму эластичной трубкой присоединена пластмассовая коробочка, затянутая пленкой. Если на пленку нажать, по закону Паскаля давление передастся на жидкость. В одном колене такого манометра жидкость опускается, а в другом поднимается. Давление тем больше, чем больше разница уровней жидкости.
Принцип сообщающихся сосудов используется в шлюзах – устройствах, пропускающих речные корабли через плотины, перегораживающие реки. Плотины обычно устраивают там, где работают гидроэлектростанции. Плотины разделяют течение реки на части: верхнее течение (там накапливается вода) и нижнее. Там, где проходят корабли, сделаны специальные огромные ворота, которые удерживают воду. Получается, что большие сообщающиеся сосуды между собой перекрыты.
Пусть корабль идет по течению реки вниз. Он попадает в верхнюю часть шлюза, где уровень воды высокий. Ворота открываются, и вода начинает перетекать в нижнюю часть, уровень воды снижается, а вместе с ним опускается и корабль (в нижней части наоборот уровень повышается). Снижение происходит до тех пор, пока не произойдет выравнивание (закон сообщающихся сосудов) верхнего и нижнего течений. Корабль может дальше двигаться по реке. Если корабль движется вверх по течению, он вначале попадает в нижнюю часть шлюза. Ворота открываются, вода из верхней части поступает в нижнюю до выравнивания уровней. В нижней части вода поднимается, и вместе с ней поднимается корабль. После выравнивания уровней корабль может двигаться дальше. Шлюзы очень больших плотин могут иметь не одни ворота, а сразу несколько. Ворота могут открываться, как обычные двери (по течению реки) или вертикально.
Если дно непрозрачного бака соединить с тонкой стеклянной трубкой снизу, расположенной вертикально ему, то можно увидеть высоту воды в баке (см. рисунок). Так устроены водомерные стекла в паровых котлах.
Важный момент. В данных примерах используется одна жидкость. А если в разные сосуды налить разные жидкости, например, воду и керосин. Что будет наблюдаться?
Давление в обоих сосудах одинаково (закон Паскаля). Но ведь плотность воды 1000 кг/м 3 , а керосина – 800 кг/м 3 , тогда столб керосина с меньшей плотностью должен быть выше, чем столб воды в 1,25 раза, т. к. плотности отличаются тоже в 1,25 раза.
Наблюдается обратно пропорциональная зависимость:
Значит, в сообщающихся сосудах уровни одинаковы для однородной жидкости, а для разных жидкостей уровни различны.
