Гидростатика на уроке и после уроков
Раздел, который занимается изучением давления, действующего в покоящихся жидкостях, называется гидростатикой: от глубоководного плавания до авиационных альтиметров, от плавучести и потопляемости до проектирования гидравлических подъемников и других машин.
Закон Архимеда
Гидростатика изучает, что происходит с телом, погруженным в жидкость. Если погрузить поплавок в воду, а затем отпустить, то он немедленно всплывет на поверхность. В этом проявляется действие так называемой выталкивающей силы. Подобным образом выталкивающая сила действует и на парящий шар, хотя здесь она создается не жидкостью, а газом.
Первым это обнаружил и оценил количественно древнегреческий учёный Архимед (287-212гг. до н.э.). Он
установил что, когда тело частично или полностью погружено в жидкость, на него действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Используя закон Архимеда, можно по уменьшению веса тела рассчитать величину выталкивающей силы. Всё это мы изучали на уроке. А меня заинтересовало, где и как может использоваться архимедову силу.
Вес плавающего тела полностью уравновешен выталкивающей силой. Но если плотность тела велика, то выталкивающая сила не компенсирует его вес и тело тонет. Этот принцип использован в гидрометре-приборе для измерения плотности жидкости. Гидрометр погружается до уровня, зависящего от веса вытесненной им жидкости, так что, зная объем погруженной части можно рассчитать плотность жидкости. Закон Архимеда лежит в основе действия гидрометра используемого для контроля плотности кислоты в аккумуляторах. Трубку прибора погружают в кислоту батареи, а грушу сжимают, чтобы удалить из неё воздух. Затем грушу отпускают, и кислота всасывается в основной канал трубки. Тогда гидрометр погружают в воду на глубину, зависящую от плотности кислоты.
В жидкостях и газах возникает внутренняя сила, действующая на глубине и обусловленная весом вышележащей жидкости. Поэтому водолаз погружаясь на большие глубины, надевает скафандр, наполненный сжатым воздухом, давление которого противодействует внешнему давлению воды и позволяет водолазу нормально дышать. Другим примером может служить земная атмосфера. Вес столба воздуха является причиной давления у поверхности Земли, называемого атмосферным, которое составляет 760мм ртутного столба. Изменения атмосферного давления, влияющее на погоду, вызываются атмосферными возмущениями. Давлении измеряют барометрами: ртутным и металлическим, который называется барометр-анероид барометр такого типа в качестве альтиметра во многих самолетах для определения высоты (его шкала проградуирована в метрах).
Есть манометр, который состоит из U-образной стеклянной трубки заполненной жидкостью, перемещающейся по трубке в зависимости от разности давлений на её концах по этому же принципу действует обычная помпа для подъёма воды из колодца. Она поднимает столб воды, удерживаемый атмосферным давлением, действующим на поверхности водоёма теоретически высота может достигать 10,36м, на практике же так называемая лифтовая помпа поднимает воду с глубины не более 8,5м.
Жидкость практически несжимаема, поэтому давление, возникшее в какой-либо точке внутри жидкости передаётся без изменений во всех направлениях. Этот принцип используется в гидравлической машине. Сила, действующая на очень маленькую площадку, оказывает огромное давление. Его можно преобразовать в большую силу действующую на большой площади гидравлическом домкрате, поскольку давление передаётся жидкостью передаётся без изменений во всех направлениях(закон ПАСКАЛЯ).
Для демонстрации принципа гидравлической машины я сконструировал прибор, который состоит из основания – 1 (из ДСП размером 300*120мм); по центру которого в прорези вертикально фанера – 2 (размером 300*200мм). На вертикальной стенке крепятся два медицинских шприца – 3 и 4 разного диаметра на 20 и 12мл, между собой они соединяются прозрачной трубкой от капельницы – 5. такие же шприцы крепятся с другой стороны – 6 и 7. В одну пару шприцов набирается вода, а в другой находится воздух. Нажимая на поршень малой площади, поднимается большой поршень. При этом мы выигрываем в силе во столько раз, во сколько площадь одного поршня больше другого, т.е.
Зато мы проигрываем в расстоянии, т.е если опустить меньший поршень на некоторую высоту h1, то больший поршень h2 поднимется на меньшую высоту, во столько раз, во сколько площадь одного поршня больше площади другого. А это значит, что в работе мы не выигрываем. Гидравлические машины применяются в промышленности, сельском хозяйстве и т.д.
Проделав данную работу, я убедился, что достижения физики способствуют техническому прогрессу. Но и наука не может развиваться без технического оснащения. Для научных наблюдений, лабораторных исследований, для эксперимента требуются приборы и установки.
Комментарии