Deoarece forța gravitației acționează asupra unui lichid, o substanță lichidă are greutate. Greutatea este forta cu care apasa pe suport, adica pe fundul vasului in care este turnat. Legea lui Pascal spune: presiunea asupra fluidului este transmisă în orice punct al acestuia, fără a-i modifica puterea. Cum se calculează presiunea unui lichid pe fundul și pereții unui vas? Vom înțelege articolul folosind exemple ilustrative.
Experiență
Să ne imaginăm că avem un vas cilindric umplut cu lichid. Notăm înălțimea stratului de lichid h, aria fundului vasului - S și densitatea lichidului - ρ. Presiunea dorită este P. Se calculează împărțind forța care acționează la un unghi de 90 ° față de suprafață la aria acestei suprafețe. În cazul nostru, suprafața este partea de jos a recipientului. P=F/S.
Forța presiunii lichidului pe fundul vasului este greutatea. Este egală cu forța de presiune. Fluidul nostru este staționar, așa că greutatea este egală cu gravitația(Fstrand) care acționează asupra lichidului și, prin urmare, forța de presiune (F=Fforce). Fheavy se găsește astfel: înmulțiți masa lichidului (m) cu accelerația căderii libere (g). Masa poate fi găsită dacă se știe care este densitatea lichidului și care este volumul acestuia în vas. m=ρ×V. Vasul are o formă cilindrică, așa că îi vom găsi volumul înmulțind aria de bază a cilindrului cu înălțimea stratului de lichid (V=S×h).
Calculul presiunii lichidului la fundul vasului
Iată cantitățile pe care le putem calcula: V=S×h; m=ρ×V; F=m×g. Să le substituim în prima formulă și să obținem următoarea expresie: P=ρ×S×h×g/S. Să reducem aria S la numărător și numitor. Va dispărea din formulă, ceea ce înseamnă că presiunea pe fund nu depinde de zona vasului. În plus, nu depinde de forma recipientului.
Presiunea pe care un lichid o creează pe fundul unui vas se numește presiune hidrostatică. „Hydro” este „apă” și static este pentru că fluidul este nemișcat. Folosind formula obținută după toate transformările (P=ρ×h×g), se determină presiunea lichidului în fundul vasului. Se poate observa din expresia că, cu cât lichidul este mai dens, cu atât este mai mare presiunea acestuia pe fundul vasului. Să analizăm mai detaliat care este valoarea h.
Presiune în coloana de lichid
Să presupunem că am mărit fundul vasului cu o anumită cantitate, am adăugat spațiu suplimentar pentru lichid. Dacă punem un pește într-un recipient, presiunea asupra acestuia va fi aceeași în vasul din experimentul anterior și în cel de-al doilea, mărit? Se va schimba presiunea față de ceea ce este încă sub peșteeste apa? Nu, pentru că deasupra este un anumit strat de lichid, asupra lui acţionează gravitaţia, ceea ce înseamnă că apa are greutate. Ceea ce este mai jos este irelevant. Prin urmare, putem găsi presiunea chiar în grosimea lichidului, iar h este adâncimea. Nu este neapărat distanța până la partea de jos, partea de jos poate fi mai mică.
Să ne imaginăm că am întors peștele cu 90°, lăsându-l la aceeași adâncime. Va schimba asta presiunea asupra ei? Nu, pentru că în profunzime este același în toate direcțiile. Dacă aducem un pește aproape de peretele vasului, se va schimba presiunea asupra acestuia dacă rămâne la aceeași adâncime? Nu. În toate cazurile, presiunea la adâncimea h va fi calculată folosind aceeași formulă. Aceasta înseamnă că această formulă ne permite să găsim presiunea lichidului pe fundul și pereții vasului la o adâncime h, adică în grosimea lichidului. Cu cât este mai adânc, cu atât este mai mare.
Presiune în vasul înclinat
Să ne imaginăm că avem un tub lung de aproximativ 1 m. Turnăm lichid în el, astfel încât să fie complet umplut. Să luăm exact același tub, umplut până la refuz și să-l așezăm în unghi. Vasele sunt identice și umplute cu același lichid. Prin urmare, masa și greutatea lichidului din primul și al doilea tub sunt egale. Va fi presiunea aceeași în punctele situate la fundul acestor containere? La prima vedere, se pare că presiunea P1 este egală cu P2, deoarece masa lichidelor este aceeași. Să presupunem că acesta este cazul și să facem un experiment pentru a-l verifica.
Conectați părțile inferioare ale acestor tuburi cu un tub mic. În cazul în care unipoteza noastră că P1 =P2 este corectă, va curge lichidul undeva? Nu, deoarece particulele sale vor fi afectate de forțe în direcția opusă, care se vor compensa reciproc.
Să atașăm o pâlnie în partea de sus a tubului înclinat. Și pe tubul vertical facem o gaură, introducem un tub în el, care se îndoaie. Presiunea la nivelul găurii este mai mare decât în partea de sus. Aceasta înseamnă că lichidul va curge printr-un tub subțire și va umple pâlnia. Masa de lichid din tubul înclinat va crește, lichidul va curge din tubul din stânga în cel drept, apoi se va ridica și va circula în cerc.
Și acum vom instala o turbină peste pâlnie, pe care o vom conecta la un generator electric. Apoi acest sistem va genera energie electrică singur, fără nicio intervenție. Ea va lucra non-stop. S-ar părea că aceasta este „mașina cu mișcare perpetuă”. Cu toate acestea, încă din secolul al XIX-lea, Academia Franceză de Științe a refuzat să accepte astfel de proiecte. Legea conservării energiei spune că este imposibil să se creeze o „mașină cu mișcare perpetuă”. Deci ipoteza noastră că P1 =P2 este greșită. De fapt, P1< P2. Cum, deci, să calculăm presiunea lichidului pe fundul și pereții vasului într-un tub care este situat în unghi?
Înălțimea coloanei de lichid și presiunea
Pentru a afla, haideți să facem următorul experiment de gândire. Luați un vas plin cu lichid. Punem două tuburi în el de laplasă metalică. Vom plasa unul vertical, iar celăl alt - oblic, astfel încât capătul său inferior să fie la aceeași adâncime cu fundul primului tub. Deoarece recipientele sunt la aceeași adâncime h, presiunea lichidului pe fundul și pereții vasului va fi, de asemenea, aceeași.
Acum închideți toate găurile din tuburi. Datorită faptului că au devenit solide, se va schimba presiunea din părțile lor inferioare? Nu. Deși presiunea este aceeași, iar vasele au dimensiuni egale, masa de lichid dintr-un tub vertical este mai mică. Adâncimea la care se află fundul tubului se numește înălțimea coloanei de lichid. Să dăm o definiție acestui concept: este distanța măsurată vertical de la suprafața liberă până la un punct dat din lichid. În exemplul nostru, înălțimea coloanei de lichid este aceeași, deci presiunea este aceeași. În experimentul anterior, înălțimea coloanei de lichid din tubul drept este mai mare decât în cel din stânga. Prin urmare, presiunea P1 este mai mică decât P2.
