1. Давление газов
Газы и жидкости не имеют собственной формы. Молекулы газов свободно перемещаются в пространстве, между ними практически не действуют силы притяжения. Но молекулы газов находятся в хаотичном движении, и квадратный сантиметр поверхности любого тела за одну секунду получает так много ударов молекул воздуха, что их количество записывается \(23\)-значным числом.
Совместный удар молекул создаёт давление газа на поверхность.
Если газом наполнить сосуд, то он займёт весь объём сосуда, к тому же количество молекул газа в сосуде можно увеличивать или уменьшать, таким образом изменяя давление на стенки сосуда. Скорость движения молекул также зависит от температуры.
Если масса газа неизменна, то при повышении температуры газа увеличивается его давление.
Атмосферное давление
Атмосферу Земли удерживают гравитационные силы планеты. Атмосфера Земли простирается на высоту нескольких тысяч километров и своим весом давит на земную поверхность и на все тела на ней (масса \(1\) литра воздуха приблизительно равна \(1,29\) грамма). Почему это не ощущается? Потому что атмосферный воздух давит на тела со всех сторон с одинаковым давлением.
Закон Паскаля: давление, производимое на жидкость или газ, передаётся без изменения в каждую точку жидкости или газа.
Например, нормальное атмосферное давление на \(1\) квадратный метр стола равносильно \(10\)-тонной массе, положенной на стол. Со столом ничего не происходит, потому что атмосферное давление воздействует и на нижнюю поверхность стола. Давления компенсируют друг друга.
Атмосферное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Нормальным атмосферным давлением считают давление, равное \(760\) мм рт. ст.
\(760\) мм рт. ст. \(= 1013,25\) гПа.
В технике используют и другие единицы, например атмосферу (атм). \(1\) атм \(= 760\) мм рт. ст.
Давление в автомобильных шинах приблизительно равно \(2\) атм, а давление в бутылке шампанского равно почти \(6\) атм.
Дальше от земной поверхности атмосферное давление снижается. На высоте \(5\) км оно уже приблизительно в \(2\) раза меньше. Поэтому в горах трудно дышать: разрежённый воздух содержит меньше молекул, в том числе и молекул кислорода. При этом уменьшается также сила, с которой этот кислород давит на стенки лёгких, и падает концентрация кислорода в крови.
Для измерения атмосферного давления используют барометр-анероид. Давление газов в закрытых сосудах измеряют манометрами.
Физика (7 класс)/Давление
вначале использовали воздушные шары, которые наполняли или нагретым воздухом, или водородом либо гелием.
Для того, чтобы воздушный шар поднялся в воздух, необходимо, чтобы архимедова сила (выталкивающая) FА, действующая на шар, была больше силы тяжести Fтяж, т. е. FА > Fтяж.
По мере поднятия шара вверх архимедова сила, действующая на него, уменьшается (FА = gρV), так как плотность верхних слоев атмосферы меньше, чем у поверхности Земли. Чтобы подняться выше, с шара сбрасывается специальный балласт (груз) и этим облегчает шар. В конце концов шар достигает своей своей предельной высоты подъема. Для спуска шара из его оболочки при помощи специального клапана выпускается часть газа.
В горизонтальном направлении воздушный шар перемещается только под действием ветра, поэтому он называется аэростатом (от греч аэр — воздух, стато — стоящий). Для исследования верхних слоев атмосферы, стратосферы еще не так давно применялись огромные воздушные шары — стратостаты.
До того как научились строить большие самолеты для перевозки по воздуху пассажиров и грузов, применялись управляемые аэростаты — дирижабли. Они имеют удлиненную форму, под корпусом подвешивается гондола с двигателем, который приводит в движение пропеллер.
Воздушный шар не только сам поднимается вверх, но может поднять и некоторый груз: кабину, людей, приборы. Поэтому для того, чтобы узнать, какой груз может поднять воздушный шар, необходимо определить его подъемную силу.
Пусть, например, в воздух запущен шар объемом 40 м 3 , наполненный гелием. Масса гелия, заполняющая оболочку шара, будет равна:
mГе = ρГе·V = 0,1890 кг/м 3 · 40 м 3 = 7,2 кг,
а его вес равен:
PГе = g·mГе ; PГе = 9,8 Н/кг · 7,2 кг = 71 Н.
Выталкивающая же сила (архимедова), действующая на этот шар в воздухе, равна весу воздуха объемом 40 м 3 , т. е.
FА = g·ρвоздV; FА = 9,8 Н/кг · 1,3 кг/м 3 · 40 м 3 = 520 Н.
Значит, этот шар может поднять груз весом 520 Н — 71 Н = 449 Н. Это и есть его подъемная сила.
Шар такого же объема, но наполненный водородом, может поднять груз 479 Н. Значит, подъемная сила его больше, чем шара, наполненного гелием. Но все же чаще используют гелий, так как он не горит и поэтому безопаснее. Водород же горючий газ.
Гораздо проще осуществить подъем и спуск шара, наполненного горячим воздухом. Для этого под отверстием, находящимся в нижней части шара, располагается горелка. При помощи газовой горелки можно регулировать температуру воздуха внутри шара, а значит, его плотность и выталкивающую силу. Чтобы шар поднялся выше, достаточно сильнее нагреть воздух в нем, увеличив пламя горелки. При уменьшении пламени горелки температура воздуха в шаре уменьшается, и шар опускается вниз.
Можно подобрать такую температуру шара, при которой вес шара и кабины будет равен выталкивающей силе. Тогда шар повиснет в воздухе, и с него будет легко проводить наблюдения.
По мере развития науки происходили и существенные изменения в воздухоплавательной технике. Появилась возможность использования новых оболочек для аэростатов, которые стали прочными, морозоустойчивыми и легкими.
Достижения в области радиотехники, электроники, автоматики позволили сконструировать беспилотные аэростаты. Эти аэростаты используются для изучения воздушных течений, для географических и медико-биологических исследований в нижних слоях атмосферы.
Ссылки
- Страницы с неработающими файловыми ссылками
- Физика 7-го класса
Давление
Все механические изменения с телами происходят в результате действия сил. При этом в большинстве случаев оказывается важным способ приложения силы. В частности важно распределение этой силы в пространстве, которое характеризуется такой физической величиной, как давление. Из курса физики 7 класса важно запомнить, что такое сила давления: эти знания пригождаются и на практике.
Давление как физическая величина
Если нажать рукой на деревянную поверхность стола, с поверхностью ничего не произойдет, как максимум появится небольшой, незаметный глазу изгиб, который исчезнет, как только мы снимем усилие. Если взять отвертку и нажать с той же силой, то на деревянной поверхности возникнет четкая вдавленная отметина. Если взять острое шило, то его можно вогнать в столешницу на несколько сантиметров и даже проколоть ее насквозь.
Почему одна и та же сила в этих примерах приводит к совершенно различным результатам?
Ответом на этот вопрос является различие в способе приложения силы, а точнее в ее сосредоточении.
В самом деле, если давить на стол рукой, то вся мускульная сила будет распределена по всей площади руки. Если взять отвертку, то та же сила будет приложена к небольшой площади жала. А в случае шила приложенная сила сосредоточится на очень малой площади острия. В результате действие силы во всех трех случаях будет заметно различаться.
Для определения этих различий необходимо использовать специальную величину, которая покажет распределение силы к приложенной поверхности. Такая величина называется давлением (для обозначения используется латинская буква «p», лат. pressūra — давление) Она равна отношению силы к площади поверхности, на которую эта сила действует:
Из приведенной формулы давления можно видеть, что даже если сила $F$ будет одинаковой, давление $p$ возрастет, если уменьшить площадь $S$. Это мы и наблюдаем, когда заменяем руку отверткой или шилом в вышеприведенном опыте. Знак давления будет всегда положительным.
Единица давления
Из формулы давления можно получить единицу измерения. Поскольку сила измеряется в ньютонах, а площадь — в квадратных метрах, то единицей давления будет ньютон на квадратный метр. В честь французского ученного Б. Паскаля эта величина названа паскалем (обозначается «Па»):
Паскаль — относительно небольшая величина. Такое давление создаст на поверхность своей тяжестью алюминиевая фольга толщиной всего лишь 0,04 мм. Действительно, квадрат такой фольги площадью 1 кв. м. будет весить около 108 г, то есть сила тяжести, которую создает фольга, будет равна примерно 1 ньютону, а значит, давление будет равно 1 паскалю.
Особенности использования разных давлений
Различие в давлениях используется во многих сферах народного хозяйства. Увеличение площади опоры позволяет значительно уменьшать действие значительных масс на грунт. Именно поэтому более проходимыми являются машины на гусеничном ходу.
И наоборот, для того чтобы режущие и колющие предметы хорошо выполняли свою задачу, их рабочие поверхности затачивают — то есть делают площадь приложения силы как можно меньше.
Человек массой 60 кг в обычной обуви оказывает на грунт давление 50–60 кПа. Если же он станет на лыжи, давление на грунт может уменьшиться до 2–3 кПа, то есть в двадцать раз меньше! Именно поэтому человек на лыжах почти не увязает в снегу, хотя без лыж увязание может быть очень глубоким.
По той же причине при спасении человека, провалившегося сквозь лед, необходимо приближаться к нему лёжа, чтобы площадь, на которую распределяется масса тела, была как можно больше, и давление на лед было как можно меньше.
Что мы узнали?
Давление — это физическая величина, характеризующая распределение силы на поверхность, к которой эта сила приложена. Давление равно отношению силы к площади ее приложения и измеряется в паскалях.
Единицы давления
В отдельных областях человеческой деятельности используются различные единицы измерения давления. Некоторые из них встречаются на старых приборах, некоторые распространены в промышленности или специальных науках, а также в литературе прошлых веков, отчего умение переходить между ними становится важным для инженеров и ученых.
Системные единицы
О единицах измерения давления можно составить первое суждение, исходя из его определения и формулы. Это величина, которая численно равна отношению силы к площади, на которую она действует и которой перпендикулярна. Поэтому давление измеряется в ньютонах, деленных на метр квадратный. Со временем (в середине 20-го века) эта единица получила специальное название – Паскаль (Па), в честь ученого, установившего законы для давления в жидкостях.
В науке чаще всего пользуются именно паскалями, так как эта единица измерения наиболее универсальная и удобная для задач физики и смежных дисциплин. Иногда, ввиду того, что 1 Па – это малая величина, добавляют стандартные десятичные приставки – кило, мега, гига и так далее.
В системе СГС (сантиметр, грамм, секунда), получившей распространение в электродинамике, давление измеряется в динах, деленных на квадратные сантиметры. Эту единицу иногда называют бария. 1 дин/см 2 = 0,1 Па.
В системе МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) давление измеряется в килограммах-силы, деленных на метр квадратный. И хотя МКГСС вышла из употребления, в России на предприятиях остаются старые приборы, шкала которых соответствует этой системе.
Внесистемные единицы
В зависимости от условий, в которых приходится работать, инженерами и учеными были введены внесистемные единицы.
В метеорологии, геологии и других специальных дисциплинах, а также на некоторых приборах, измеряющих давление, часто можно встретить такую единицу, как бары. 1 бар (bar – в западной литературе) = 10 5 Па.
Причина появления этой единица та же, из-за которой в СИ вводят десятичные приставки: 1 Па – слишком малая величина, чтобы ей удобно было пользоваться в сферах, где измеряют огромные давления (к примеру, в геологии речь идет о давлениях в 13 000 бар – таковое оно на глубине в 50-55 км, у подошвы коры).
Другой распространенной единицей являются атмосферы. Их две:
- Техническая – давление, производимое 1 кгс на см 2 : 1 ат = 98066,5 Па,
- Физическая (нормальная, стандартная) – давление, равное давлению атмосферы земли на поверхности в нормальных условиях: 1 атм = 101325 Па.
Как видно из приведенных соотношений, $1 \: бар \approx 1 \: ат \approx 1 \: атм$, но все же из них наиболее распространена физическая атмосфера (обычно ее называют просто атмосферой). В быту о ней часто можно услышать из уст автомобилистов, поскольку давление в колесах измеряется именно в атмосферах.
И, наконец, миллиметры ртутного столба и миллиметры водного столба – две исторически первые единицы, в которых измеряли атмосферное давление. 1 мм рт.ст = 101325 Па = 1 атм, а 1 мм вод.ст. = 9806,65 Па. В научной литературе миллиметры ртутного столба иногда называют торрами, в честь Торричелли – ученого, доказавшего существование атмосферного давления.
Для перехода между различными способами измерения используют таблицу единиц давления наподобие той, что изображена на рисунке 2.
Что мы узнали?
В ходе урока узнали о системных единицах измерения давления (в СИ – Па, в СГС – дин/см 2 , в МКГСС – кгс/м 2 ), а также рассмотрели основные внесистемные единицы и соотношения, связывающие их между собой.