Давление столба жидкости. Закон Паскаля. Выталкивающая сила. Закон Архимеда.

Пашикова Т.Д.

Преподователь кафедры общей физики

Туркменский государственный университет им. Махтумкули

(г. Ашхабад, Туркменистан)

Давление столба жидкости. Закон Паскаля. Выталкивающая сила. Закон Архимеда.

Давление – физическая величина, равная отношению модуля силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности:

(1)

В системе СИ единица давления называется паскаль ( ).

Давление является скалярной величиной: оно характеризуется только числовым значением. Сила давления имеет направление: она направлена перпендикулярно поверхности, на которую действует.

Подвижностью частиц газа и жидкости объясняется, что давление, производимое на них, передается не только в направлении действия силы, а в каждую точку жидкости или газа. Выполним опыт с прибором, называемом шаром Паскаля. Он состоит из поршневого насоса, на конце которого закреплен шар с маленькими отверстиями. Наполним цилиндр насоса водой и надавим на поршень. Струи воды из шара разбрызгиваются во все стороны. (рис.1). Надувая резиновый шар или мыльный пузырь, мы видим, что газ передает давление по всем направлениям. На основании подобных опытов французский физик Блез Паскаль во второй половине XVII века открыл закон, называемый законом Паскаля.

Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.

Давление внутри жидкости на глубине от ее поверхности складывается из давления столба жидкости высотой и внешнего давления оказываемого на поверхность жидкости (рис.2)

(2)

Давление столба жидкости называют гидростатическим.

Свойством жидкости передавать во все стороны производимое на нее давление объясняется явление, известное в физике под названием «гидростатический парадокс». В сосудах различной формы, но с одинаковой площадью дна и одинаковой высотой столба жидкости в них давление на дно во всех сосудах одинаково, его можно рассчитать по формуле .

В сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне (давление воздуха над жидкостью одинаково) (рис.3) Одним из важных практических применений сообщающихся сосудов является система городского водоснабжения с использованием водонапорной башни. Для того чтобы река оставалась судоходной, рядом с плотиной делают шлюзы, действие которых основано на законе сообщающихся сосудов.

Если какое-нибудь тело взвесить в жидкости или газе, то его вес окажется меньше веса в вакууме. В воде мы иногда легко поднимаем тела, которые с трудом удерживаем в воздухе. На такие вопросы первым ответил древнегреческий ученый Архимед, и открытый им закон природы назвали законом Архимеда: на тело, полностью или частично погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости или газа

(3)

– плотность жидкости, – объем тела, погруженного в жидкость, – ускорение свободного падения

Внутрь жидкости погрузим прямоугольный параллелепипед с площадью основания и высотой . Силы давления на боковые грани параллелепипеда уравновешивают друг друга. Но сила давления на нижнюю грань больше силы давления на верхнюю грань (рис.4), поэтому равнодействующая сил давления на параллелепипед направлена вертикально вверх

(4)

Из закона Архимеда следует, что: если плотность тела меньше плотности жидкости, то тело плавает, частично погрузившись в жидкость (рис.5.а); если плотность тела равна плотности жидкости, то тело плавает полностью погрузившись в жидкость (рис.5.б); если же плотность тела больше плотности жидкости, то тело тонет(рис.5.в).

Способность жидкостей передавать оказываемое на них давление по всем направлениям используется на практике в механизмах для получения выигрыша в силе. В гидравлическом прессе или домкрате два цилиндра с разными диаметрами заполняют жидкостью и соединяют между собой трубкой (рис.6). При действии на поршень в малом цилиндре силой на жидкость оказывается давление , где - площадь поршня в первом цилиндре. Жидкость передает такое же давление на поршень площадью на втором цилиндре. Сила , действующая на второй цилиндр со стороны жидкости, равна

(5)

Сила во столько раз больше силы , действующей на первый поршень, во сколько раз площадь второго поршня больше площади первого поршня. Эта сила может поднять автомобиль или вызвать деформацию тела, расположенного между поршнем и прочной плитой над ним.