Давление: единицы давления

Давление: единицы давления
Чтобы понять, что такое давление в физике, рассмотрим простой и знакомый каждому
пример. Какой?
В ситуации, когда надо порезать колбасу, мы воспользуемся наиболее острым предметом –
ножом, а не ложкой, расческой или пальцем. Ответ очевиден – нож острее, и вся
прикладываемая нами сила распределяется по очень тонкой кромке ножа, принося
максимальный эффект в виде отделения части предмета, т.е. колбасы. Другой пример – мы
стоим на рыхлом снегу. Ноги проваливаются, идти крайне неудобно. Почему же тогда мимо
нас с легкостью и на большой скорости проносятся лыжники, не утопая и не путаясь все в
таком же рыхлом снегу? Очевидно, что снег одинаков для всех, как для лыжников, так и для
пешеходов, а вот оказываемое на него воздействие – различно.
При примерно схожем давлении, то есть весе, площадь поверхности, давящей на снег,
сильно различается. Площадь лыж намного больше площади подошвы обуви, и,
соответственно, вес распределяется по большей поверхности. Что же помогает или,
наоборот, мешает нам эффективно воздействовать на поверхность? Почему острый нож
качественнее разрезает хлеб, а плоские широкие лыжи лучше удерживают на поверхности,
уменьшая проникновение в снег? В курсе физики седьмого класса для этого изучают понятие
давления.
Давление в физике
Силу, которую прикладывают к какой-либо поверхности, называют силой давления. А
давление – это физическая величина, которая равна отношению силы давления,
приложенной к конкретной поверхности, к площади этой поверхности. Формула расчета
давления в физике имеет следующий вид:
p=F/s,
где p – давление,
F – сила давления,
s – площадь поверхности.
Мы видим, как обозначается давление в физике, а также видим, что при одной и той же силе
давление больше в случае, когда площадь опоры или, другими словами, площадь
соприкосновения взаимодействующих тел, меньше. И, наоборот, с увеличением площади
опоры, давление уменьшается. Именно поэтому, более острый нож лучше разрезает любое
тело, а гвозди, забиваемые в стену, делают с острыми кончиками. И именно поэтому, лыжи
удерживают на снегу гораздо лучше, чем их отсутствие.
Единицы измерения давления
Единицей измерения давления является 1 ньютон на метр квадратный – это величины, уже
известные нам из курса седьмого класса. Также мы можем перевести единицы давления Н/м2
в паскали, - единицы измерения, названные в честь французского ученого Блеза Паскаля,
который вывел, так называемый, Закон Паскаля. 1 Н/м = 1 Па. На практике применяются
также и другие единицы измерения давления – миллиметры ртутного столба, бары и так
далее…
Давление в жидкости и газе
Жидкости и газы передают по всем направлениям приложенное к ним давление. Об этом
гласит закон Паскаля и практический опыт.
Но существует еще и собственный вес, который тоже должен влиять на давление,
существующее в жидкостях и газах. Вес собственных частей или слоев. Верхние слои
жидкости давят на средние, средние на нижние, а последние – на дно. То есть мы можем
говорить о существовании давления столба покоящейся жидкости на дно.
Формула давления столба жидкости
Формула для расчета давления столба жидкости высотой h имеет следующий вид:
p=ρgh,
где ρ – плотность жидкости,
g – ускорение свободного падения,
h - высота столба жидкости.
Это формула так называемого гидростатического давления жидкости.
Давление столба жидкости и газа
Гидростатическое давление, то есть, давление, оказываемое покоящейся жидкостью, на
любой глубине не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость. Одно и то же
количество воды, находясь в разных сосудах, будет оказывать разное давление на дно.
Благодаря этому можно создать огромное давление даже небольшим количеством воды.
Это очень убедительно продемонстрировал Паскаль в семнадцатом веке. В закрытую бочку,
полную воды, он вставил очень длинную узкую трубку. Поднявшись на второй этаж, он
вылил в эту трубку всего лишь одну кружку воды. Бочка лопнула. Вода в трубке из-за малой
толщины поднялась до очень большой высоты, и давление выросло до таких значений, что
бочка не выдержала. То же самое справедливо и для газов. Однако, масса газов обычно
намного меньше массы жидкостей, поэтому давление в газах, обусловленное собственным
весом можно часто не учитывать на практике. Но в ряде случаев приходится считаться с
этим. Например, атмосферное давление, которое давит на все находящиеся на Земле
предметы, имеет большое значение в некоторых производственных процессах.
Благодаря гидростатическому давлению воды могут плавать и не тонуть корабли, которые
весят зачастую не сотни, а тысячи килограмм, так как вода давит на них, как бы выталкивая
наружу. Но именно по причине того же гидростатического давления на большой глубине у
нас закладывает уши, а на очень большую глубину нельзя спуститься без специальных
приспособлений – водолазного костюма или батискафа. Лишь немногие морские и
океанические обитатели приспособились жить в условиях сильного давления на большой
глубине, но по той же причине они не могут существовать в верхних слоях воды и могут
погибнуть, если попадут на небольшую глубину.
Расчет давления на дно и стенки сосуда
Для того чтобы рассчитать силу давления жидкости на дно и стенки сосуда, определим
формулу, по которой мы сможем найти эту величину. Возьмем для примера прямоугольный
сосуд, например аквариум.
Формула давления на дно и стенки сосуда
Давление жидкости обусловлено ее весом и, соответственно сила этого давления F равна
весу жидкости P. Вес жидкости можно определить, зная ее массу m. А массу можно
вычислить по формуле: m=ρV. Объем жидкости в прямоугольном сосуде легко рассчитать.
Обозначим высоту сосуда h, а площадь дна буквой S. Тогда объем будет равен: V=Sh.
Формула массы в таком случае принимает вид: m=ρV=ρSh . Вес жидкости будет равен:
P=gm=gρSh. чтобы рассчитать давление, нам нужна сила этого давления. А мы уже
говорили, что сила давления в данном случае равна весу жидкости, поэтому формула
давления принимает следующий вид:
p=P/S=gρSh/S или p=gρh
То есть в итоге мы пришли к очень интересному моменту – давление не зависит от объема и
формы сосуда. Оно зависит только от плотности и высоты столба конкретной жидкости в
данном случае. Из чего следует, что, увеличив высоту сосуда, мы можем при небольшом
объеме создать довольно высокое давление. Для давления газа на дно и стенки сосуда
формула будет иметь точно такой же вид.
Применение давления на дно и стенки сосуда
Еще один интересный момент заключается в том, что согласно закону Паскаля давление
распределяется равномерно не только на дно и стенки, но и в направлении вверх. То есть,
если мы погрузим какое-либо тело на определенную глубину, то на него снизу будет
действовать сила, равная силе давления на данной глубине, как бы выталкивая тело на
поверхность. Именно благодаря этому явлению возможно плавание кораблей. Несмотря на
довольно внушительный вес, вода выталкивает судно вследствие эффекта давления воды на
стенки сосуда, которыми в данном случае являются борта корабля. С понижением глубины
давление увеличивается. Люди научились использовать это явление, делая борта кораблей
в форме сужающихся вниз конусов. Именно поэтому нас доступно покорение морей и
океанов.
А что по поводу давления газов?
Что касается газов, то для них расчет будет абсолютно таким же. Соответственно,
наибольший вес окружающего нас газа – воздуха, будет у поверхности Земли. А с
увеличением высоты будет уменьшаться как среднее давление, так и плотность
окружающего газа. Поэтому воздух на высоте очень разреженный. Там очень трудно как
дышать, так и летать, потому что крыльям самолетов не на что опираться. Именно поэтому
набирать очень большую высоту летательные аппараты могут только на очень высокой
скорости, увеличивая таким образом количество воздуха под крылом в единицу времени.