Давление. Атмосферное давление

Вы уже знаете, что тело, находящееся на горизонтальной опоре, действует на опору силой давления. Она приложена к опоре и направлена перпендикулярно к ней. Опора деформируется. А от чего зависит степень её деформации?

Чтобы ответить на этот вопрос, проведём классический эксперимент. Возьмём сосуд с песком и поместим в него небольшой столик вверх ножками. Сверху поставим ещё и гирю. Как видим, столик с гирей лишь незначительно погрузился в песок.

Повторим опыт, но теперь перевернём столик ножками вниз. Как видим, ножки почти полностью погрузились в песок. Как так получилось, что результат действия одной и той же силы давления (веса столика с гирей) оказался разными?

Правильно, потому, что сила давления действовала на разную площадь поверхности опоры. В первом случае её действие распределилось на площадь поверхности песка под крышкой, во втором — на площадь поверхности песка под ножками столика.

Давайте вспомним, что скалярная физическая величина, равная отношению силы давления, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности, называется давлением:

Единицей давления в СИ, как видно из определения, является ньютон, делённый на квадратный метр:

Её называют паскалем (Па) в честь французского учёного Блеза Паскаля, изучавшего давление в жидкостях и газах.

1 паскаль — это давление на поверхность площадью 1 м², производимое силой 1 Н, действующей перпендикулярно.

Напомним вам, что силой давления может быть не только вес тела, но и любая сила, перпендикулярная поверхности, на которую она действует.

Для практических целей иногда необходимо уменьшить давление. Из формулы следует, что сделать это можно двумя способами: либо уменьшить силу давления (что не всегда можно сделать), либо увеличить площадь поверхности, на которую действует сила давления. Так, например, чтобы увеличить проходимость тяжёлых машин, их снабжают гусеницами. Широкие шины у машин, лыжи у человека, наконец довольно большие по площади стопы у слона играют ту же роль, что и гусеницы у того же танка.

Однако в повседневной жизни нам чаще всего приходится увеличивать давление. Из формулы давления следует: надо увеличить силу давления или уменьшить площадь поверхности, на которую действует сила. Затачивая лезвия ножей, ножниц, кос, острия игл и так далее мы стараемся уменьшить площадь поверхности. Тем самым, действуя малой силой, можно создать большое давление.

Теперь поговорим о жидкостях. Вы знаете, что жидкости, как и твёрды тела, обладают весом. Значит они способны создавать давление, причём не только на дно сосуда, в котором они находятся, но и на его стенки. Убедимся в этом.

Для этого возьмём какой-нибудь сосуд, нижний конец которого закрыт резиновой плёнкой, и начнём медленно наливать в него подкрашенную воду. Нетрудно заметить, что с ростом столбика воды в сосуде увеличивается и прогиб плёнки. Причиной этого, как раз таки, является рост давления воды на плёнку. Притягиваясь к Земле, жидкость давит своим весом на плёнку подобно тому, как давит на стол стопка книг.

Напомним, что давление неподвижной жидкости, обусловленное её весом, называют гидростатическим.

Для определения гидростатического давления рассмотрим столб жидкости, высотой h, находящийся в прямоугольном сосуде, площадь дна которого равна S.

Давление этого столба жидкости на дно сосуда будет определяться силой давления жидкости и площади дна:

Силой давления является вес жидкости, который для неподвижной жидкости численно равен силе тяжести:

Массу жидкости мы можем определить, как произведение её плотности и объёма:

А так наш как сосуд имеет прямоугольную форму, то объём налитой в него жидкости можно найти, как произведение площади дна сосуда и высоты столба налитой жидкости:

Перепишем наше первое уравнение с учётом всех рассуждений:

После небольших преобразований получим, что давление жидкости на дно сосуда зависит от её плотности и высоты столба жидкости.

Полученная нами формула справедлива для сосуда любой формы, даже если таким «сосудом» является океан.

Из формулы следует, что давление жидкости на дно не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость, а определяется только высотой уровня жидкости и её плотностью.

Отметим, что полученная нами формула позволяет найти давление не только на дно, но и на боковые стенки сосуда.

Если над свободной поверхностью жидкости создаётся давление р₀ то давление в жидкости на глубине будет определяться выражением, которое вы видите на экране:

Также хотелось бы обратить ваше внимание на различие двух выражений: «давление жидкости на глубине» и «давление в жидкости на глубине». В первом случае имеется в виду гидростатическое давление, а во втором — полное давление. Это надо учитывать при решении различных задач.

Газы, как и твёрдые тела с жидкостями, тоже производят давление. Но, например, твёрдые тела передают давление в том направлении, в котором действует сила давления. А вот газы передают давление во все стороны. Давайте вспомним, чем это объясняется.

Итак, вам уже известно, что газы, как жидкости и твёрдые тела, состоят из атомов и молекул. Но расстояния между частицами у газов намного больше, чем у жидкостей и твёрдых тел. Поэтому силы взаимодействия между частицами у газов практически отсутствуют (кроме процессов столкновения).

Представим, что газ находится в сосуде. Молекулы этого газа двигаясь хаотически сталкиваются между собой и со стенками сосуда. А число молекул газа чрезвычайно велико (например, в 1 см³ воздуха их 2,7 ∙ 10¹⁹). Поэтому стенка воспринимает удары частиц как действие вполне ощутимой силы давления.

В газах среднее число ударов хаотически движущихся частиц и средняя сила ударов на единицу площади поверхности стенки по всем направлениям одинаковы. Значит, и среднее давление по всем направлениям одинаково.

Изменить давление газа можно двумя путями. Первый из них — это изменить число частиц в единице объёма.

К примеру, пусть у нас есть пробковый пистолет, в котором находится воздух. Если мы будем поршнем сжимать газ, не меняя его температуры, мы будем уменьшать объём газа. А это, в свою очередь, приведёт к увеличению числа ударов молекул газа о стенки. Давление газа возрастает. А с увеличением давления растёт и сила давления газа на пробку. Поэтому со временем пробка вылетает из пистолета.

Если же мы будем увеличивать объём газа при постоянной температуре, то давление будет уменьшаться. Таким образом, при уменьшении объёма газа при постоянной температуре его давление увеличивается, а при увеличении объёма — давление уменьшается.

Второй путь изменить (например, увеличить) давление газа — это изменить силу удара частиц о стенки. Для этого газ нужно, например, нагреть. Тогда скорость хаотического движения частиц увеличится, и, следовательно, увеличится и сила ударов их о стенки. То есть, чем выше температура газа (при постоянном объёме), тем больше его давление. Соответственно при понижении температуры газа его давление уменьшается.

Вы знаете, что наша планета окружена газовой оболочкой — атмосферой. А мы уже выяснили, что всякий газ, если он находится в сосуде, производит давление на стенки этого сосуда. А производит ли давление атмосфера Земли?

Вспомним простой опыт. Возьмём стакан с водой, накроем его листом бумаги, перевернём, придерживая рукой лист, а затем уберём руку. Мы видим, что вода из стакана не выливается, лист не отрывается — что-то компенсирует действие веса налитой воды и разреженного воздуха в стакане. Этим «что-то» является сила атмосферного давления. Значит, атмосферное давление существует. А обусловлено оно давлением верхних слоёв воздуха на нижележащие слои вследствие притяжения к земле.

Впервые атмосферное давление удалось измерить в 1643 году итальянскому учёному Эванджелиста Торричелли. В его опыте запаянная с одной стороны метровая стеклянная трубка заполнялась ртутью. Верхний конец трубки закрывался. Трубка переворачивалась и опускалась в широкий сосуд со ртутью. После чего отверстие открывалось. Часть ртути вытекала из трубки в сосуд, а в трубке оставался столб ртути определённой высотой: около 760 мм, гидростатическое давление которого и уравновешивается атмосферным давлением.

Поскольку атмосферное давление определяется высотой столба ртути, то понятно, почему очень часто его измеряют не в международных единицах (паскалях), а в миллиметрах ртутного столба:

По договорённости атмосферное давление считают нормальным, если оно равно давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °С. Такое давление называют одной нормальной, или физической, атмосферой:

1 атм = 760 мм рт. ст. = 101 293 Па.