Сообщающиеся сосуды и их роль в бытовом аспекте жизнедеятельности.

Сообщающиеся сосуды и их роль в бытовом аспекте жизнедеятельности.

Сообщающиеся сосуды — это сосуды, соединенные ниже поверхности жидкости, так что жидкость может перетекать из одного сосуда в другой. Из условия равновесия жидкости следует закон сообщающихся сосудов: однородная жидкость устанавливается в неподвижных сообщающихся сосудах так, что давление во всех точках, расположенных в одной горизонтальной плоскости, одинаково.

ρ1gh1+ρ2gh2=ρ3gh3+ρ4gh4 — закон сообщающихся сосудов.

Сосуды, которые соединенные между собой и в которых жидкость может свободно перетекать из одного сосуда в другой, называют сообщающимися сосудами

Объяснение этому факту простое. В жидкости в состоянии равновесия давление на одном уровне равно: p=ρgh , где ρ - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения; h - высота столба жидкости. Так как давления на одном уровне в жидкости одинаковое, то равными будут и высоты столбов жидкости.

Получается, что в равновесном состоянии свободная поверхность жидкости в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне, так как давление жидкости на любом ее горизонтальном уровне одинаково.

Если в сообщающихся сосудах имеются жидкости с разными плотностями, то их уровни не будут находиться на одном уровне. Высоты столбов таких жидкостей разные.

Следствием закона сообщающихся сосудов является положение: в сообщающихся сосудах высоты столбиков жидкости над уровнем их раздела обратно пропорциональны плотностям этих жидкостей: h1h2=ρ2ρ1(2), где ρ1 и ρ2 - плотности жидкостей; h1, h2 - соответствующие высоты столбов этих жидкостей. При одинаковом давлении над поверхностями жидкостей, высота столба жидкости с меньшей плотностью будет больше, чем высота столба более плотной жидкости.

На практике сообщающиеся сосуды применяются часто. Давно применяют такое устройство, как гидравлический пресс. Он состоит из двух цилиндров разного диаметра с поршнями. Пространство в цилиндрах под поршнями обычно заполняют минеральным маслом.

Пусть площадь одного поршня, с приложенной силой F¯¯¯¯1, равна S1, площадь второго S2, к нему приложена сила F¯¯¯¯2. Давление, создаваемое первым поршнем, составляет:

p1=F1S1(3).

Второй поршень давит на жидкость:

p2=F2S2(4).

При равновесии системы p1 и p2 равны, запишем:

F1S1=F2S2(5).

Выразим величину силы, которую прикладывают к первому поршню:

F1=F2S1S2(6)

Из выражения (6), видим, что величина первой силы больше модуля силы F2 в S1S2 раз. Следовательно, с помощью гидравлического пресса, прикладывая небольшую силу к поршню малого сечения, можно получить большую по величине силу, которая будет действовать на большой поршень.

По принципу сообщающихся сосудов, в особенности раньше, действовал водопровод. На относительно большой высоте устанавливается бак с водой, от бака идут водопроводные трубы, закрываемые кранами. Давление у кранов соответствует давлению столба воды, который равен разности высот уровень крана - уровень воды в баке.

Принципом сообщающихся сосудов пользовались, когда проектировали фонтаны (рис.4), работающие без насосов, шлюзы на реках и каналах.

Струя фонтана появляется под давлением, когда сообщающиеся сосуды находятся на разном уровне.

Чайник и лейка является примерами сообщающихся сосудов, артезианский колодец и водомерное стекло в паровом котле. Добыча нефти может проводиться при использовании закона сообщающихся сосудов.

Роль сообщающихся сосудов в бытовом аспекте может быть различна:

1. Соединение проливом или каналом двух озёр.

2. Когда происходит поднятие пробки для слива из ванны, то она сообщается системой канализации.

3. Кровеноснососудистая система человека или животного состоит из сообщающихся сосудов. Сосудами здесь являются вены, артерии, капилляры и сердце.

4. Любую длинную трубку, заполненную водой, тоже можно рассматривать, как сообщающиеся сосуды. Такой трубкой из прозрачной пластмассы, в строительстве пользуются для определения горизонтальности протяженных конструкций, например фундамента. С одной стороны рабочий прикладывает трубку к фундаменту, а с другой рабочий меняет высоту трубки пока не сравняется уровень жидкости с контролируемой поверхностью. С другой стороны будет видна разница высот если она есть.

5. Артезианская скважина — это буровая скважина, которая пробурена для эксплуатации подземных вод. Артезианские водоносные горизонты залегают между двумя водоупорными слоями и надежно защищены от поверхностного загрязнения. В отличие от грунтовых вод они часто имеют отдаленную область питания — за несколько километров и даже за десятки и сотни километров. При вскрытии скважиной уровень артезианской воды всегда устанавливается значительно выше водоупорной кровли водоносного горизонта, а иногда артезианская вода сама изливается из скважины (фонтанирует) . На тех участках, где артезианские воды получают питание, они приобретают характер или грунтовых со свободной поверхностью, или межпластовых грунтовых вод. Подземные воды всех перечисленных видов могут циркулировать в пустотах рыхлых зернистых или в трещинах скальных пород. В последнем случае подземные воды, относящиеся к любому из перечисленных видов, получают дополнительное название трещинных. Река пытается поднять уровень океана до собственного истока.

У всех примеров есть одна общая особенность, которая делает их похожими друг на друга. Эта особенность заключается в том, что отдельные части этих сосудов имеют соединение, заполненное жидкостью.

Интересен тот факт, что римлянам был неизвестен закон сообщающихся сосудов. Для снабжения населения водой они возводили многокилометровые акведуки - водопроводы, доставлявшие воду из горных источников. Римский водопровод прокладывался не в земле, а над ней, на высоких каменных столбах. Инженеры того времени имели смутное представление о законах сообщающихся сосудов. Они предполагали, что в некоторых участках, следуя уклонам почвы, вода в трубах должна течь вверх, и боялись, что этого не произойдет. Поэтому они придавали водопроводам равномерный уклон вниз на всём пути. Одна из римских труб, Аква Марциа, имеет длину 100км, между тем, как прямое расстояние между ее концами много меньше.