Закон Паскаля для жидкостей и газов гласит, что давление, распространяясь в веществе, не меняет свою силу и передается во все стороны одинаково. Жидкие и газообразные субстанции ведут себя под давлением с некоторыми отличиями. Разница обусловлена особенностями поведения частиц и весом газов и жидкостей. В статье мы будем подробно рассматривать все это с помощью наглядных экспериментов.
Передается ли давление жидкости
Возьмем сосуд цилиндрической формы, который сверху герметично закрыт поршнем. Внутри находится жидкость, а на поршне стоит гиря. Она оказывает давление с силой, равной ее весу. Это давление передается жидкости. Ее молекулы, в отличие от частиц твердого тела, могут свободно перемещаться друг относительно друга. В их расположении нет строгого порядка, они разбросаны хаотически.
Знание об особенностях движения частиц разных веществ в дальнейшем поможет нам понять закон Паскаля для жидкостей и газов. Как же будут вести себя молекулы жидкости, если мы будем действовать на них с силой давления гири? Ответить на этот вопрос нам поможет опыт.
Как ведет себя жидкость под давлением
Моделью жидкости будут стеклянные шарики, а моделью сосуда — коробочка без крышки. Шарики, так же как и частицы жидкого вещества, свободно перемещаются в емкости. Возьмем любой предмет, по ширине совпадающий с шириной коробочки. Он будет имитировать поршень.
Надавим поршнем на жидкость. Как ведут себя ее молекулы? Мы видим, что они давят и на дно емкости, и на ее стенки. Толкают друг друга и стремятся выпасть из коробочки. Если бы это была настоящая жидкость, то она стремилась бы выплеснуться из сосуда. Позже, изучая закон Паскаля для жидкостей и газов, мы увидим это на опыте. Из-за того что молекулы перемещаются свободно, давление, оказываемое гирей, передается и в стороны, и вниз. А что будет, если заменить жидкость газом?
Как ведет себя воздух под давлением
Допустим, у нас есть цилиндр с поршнем, заполненный воздухом. Сверху на поршень кладем груз. Как передается давление, производимое на газ? Когда поршень смещается вниз, расстояние между молекулами в верхней части газа уменьшается, но это ненадолго. Скорость молекул газа составляет сотни метров в секунду. Расстояние между ними гораздо больше их размеров. Они движутся в случайных направлениях и сталкиваются между собой.
Когда поршень опускается, частицы просто запираются в меньшем объеме. В результате они чаще ударяются о стенки сосуда, и при уменьшении объема газа его давление увеличивается. Этот постулат нужно запомнить, чтобы потом легче было понять закон Паскаля для жидкостей и газов. Количество ударов в секунду на каждый квадратный сантиметр практически одно и то же. Это значит, что давление, которое производит поршень, передается во всех направлениях без изменения.
Передача давления в разных направлениях
Закон Паскаля, передачу давления жидкостями и газами нельзя понять, если не разобраться в одной странности: как получается, что мы давим вниз, а давление передается и вниз, и в стороны? А что если к цилиндру присоединить трубку, будет ли давление передаваться по ней вверх? Проведем опыт.
Возьмем два шприца, наполненных водой, и соединим их трубкой. Понаблюдаем, как будет передаваться давление жидкостью, которая находится в шприцах. Надавим на поршень одного шприца. Сила давления на поршень, а значит, и на жидкость, направлена вниз. Однако мы видим, что поршень второго шприца поднимается вверх. Получается, что давление, передаваясь через трубку, меняет направление силы. Интересно, что шприцы можно разместить не только вертикально, но и под прямым углом друг к другу. Результат будет тем же самым.
Выльем воду, и в шприцах останется воздух. Повторим опыт. В ходе эксперимента мы увидим, что и газ передает давление во всех направлениях. Разница с жидкостью только одна. Если максимально опустить поршень одного шприца вниз и зафиксировать его пальцем, то при нажатии на поршень другого шприца газ будет сжиматься. Его объем уменьшится примерно два раза, а поршень будет норовить отскочить вверх. Этот газ, стремящийся увеличить свой объем, заставляет поршень двигаться вверх. С жидкостью было бы по-другому, ее бы не удалось так легко сжать.
Закон Паскаля
Передачу давления жидкостями и газами мы будем изучать с помощью опыта. Его придумал французский физик Блез Паскаль. Возьмем пустотелый шар, к которому присоединена стеклянная трубка. В разных частях шара (сверху, сбоку, снизу) есть маленькие отверстия. Внутри трубки размещен поршень. Это специальный прибор для демонстрации закона Паскаля.
Наполним шар через трубку водой, чтобы посмотреть, как она будет себя вести. Хотя сила тяжести действует на шар сверху вниз, струйки воды вытекают из отверстий шара под углом, в сторону и даже вверх. Конечно, они немного отклоняются от своего первоначального направления, потому что на них действует сила тяжести. Мы видим, что давление, производимое на воду, передается во всех направлениях.
Если вместо воды взять дым и проделать этот опыт, будем наблюдать передачу давления в газе воочию, ведь дым — это газ, окрашенный мелкими частицами сажи или смолы. Из-за того что он очень легкий, на него не будет так сильно действовать сила тяжести, он не будет так сильно, как струйки воды, отклоняться от своего первоначального положения. Можем сделать такой вывод: давление, оказываемое на жидкость или газ, передается, не меняя силу, в любую точку жидкости и газа во всех направлениях. Это и есть закон Паскаля для жидкостей и газов. Формула: P = F/S, где P — это давление. Оно равно отношению силы F к площади S, на которую она действует перпендикулярно.
