Давление – скалярная величина

Тема: Давление в жидкости и газе

Для начала вспомним, что такое давление. Это физическая величина, равная модулю силы , действующей перпендикулярно поверхности, которая приходится на единицу площади этой поверхности.

Важно понимать, что давление – величина скалярная, то есть у нее нет направления.

Давление – скалярная величина

Если в сплошном бетоне сделать сферическую полость и взорвать там порох, как будет распространяться давление? Во все стороны (см. рис. 4).

Рис. 4. Распространение давления

Как будут разлетаться осколки бетонной оболочки – это будет зависеть от самой оболочки, от того, какая она прочная, толстая. Но давить на стенки полости газ будет везде одинаково. И если бы внутри полости был какой-нибудь предмет, на него газ тоже оказывал бы давление, причем со всех сторон (см. рис. 5), как бы мы ни повернули этот предмет.

Рис. 5. Давление газа на предмет

Если мы захотим измерить давление, например под водой, то на нужную нам глубину необходимо поместить манометр (см. рис. 6).

Рис. 6. Манометр

Это небольшая эластичная мембрана, которая прогибается под действием давления. Как бы мы ни расположили эту мембрану – горизонтально, вертикально, наискосок, на нее всегда будет действовать одна и та же сила и мембрана прогнется одинаково.

То есть для давления направление не имеет смысла. Оно просто есть в данной точке, как и температура. Температура тоже не имеет направления. Она никуда не направлена, она характеризует энергию теплового движения частиц вещества. В данной точке температура имеет определенное значение. Для векторной величины, например силы, мы можем задать вопрос: «Куда она действует, в каком направлении?» (см. рис. 7).

Рис. 7. Векторная величина

Для давления и температуры этот вопрос просто не имеет смысла.

Давление передается веществом из одной точки в другую. Вода в гидравлическом прессе передала давление. Когда мы накачиваем колесо на велосипеде, мы давим на поршень насоса и давление повышается в колесе (см. рис. 8).

Рис. 8. Увеличение давления в колесе

Если два человека возьмутся за продолговатый воздушный шарик и один из них сожмет этот шарик, второй это почувствует, давление во всем шарике повысится (см. рис. 9).

Воздух тоже передает давление. А если мы так же сожмем металлический прут, передачу давления мы не ощутим. Выходит, твердые тела не передают давление? Если по этому же пруту ударить (см. рис. 10), то он зазвенит весь, звук по пруту передастся. А звуковая волна – это область повышенного давления, которая перемещается.

Рис. 9. Повышение давления в шарике

Рис. 10. Удар по железному пруту

С твердыми телами, как видите, всё сложнее, эти процессы изучает наука «механика сплошных сред».

Воздух тоже не всегда передает давление: если над Америкой промчался ураган (см. рис. 11) и там область повышенного давления, то в России мы этого не почувствуем.

Рис. 11. Природных явлений в Америке мы не почувствуем

1. Как сила тяжести действует на жидкости и газы?

Все тела состоят из молекул. И жидкости тоже. На все тела на Земле действует сила тяжести. Молекулы жидкости притягиваются к земле. Молекулы верхних слоев вследствие своего притяжения к Земле действуют своим весом на молекулы последующих слоев (Рис. 1).

Рис. 1. Молекулы верхних слоев жидкости и газа своим весом действуют на молекулы нижних слоев

Таким образом, создается давление. По закону Паскаля оно передается во всех направлениях. Убедиться в этом можно на опыте.

2. Доказательство существования давления в жидкости

Возьмем трубку. С одной стороны она открыта, с другой стороны ее затянули резиновой пленкой.

Рис. 2. Трубка для изучения давления в жидкости

Сейчас уровень этой пленки вровень с торцом трубки. Но если налить в трубку некоторое количество жидкости, то мы увидим, что пленка прогнулась.

Если теперь взять сосуд с жидкостью и погрузить трубку вертикально в сосуд, то можно убедиться, что давление внутри жидкости, находящейся в этом сосуде, действительно существует.

Будем постепенно погружать трубку в жидкость и наблюдать за пленкой на нижнем конце трубки. Можно видеть, что прогиб пленки уменьшается по мере погружения трубки в жидкость. А когда уровень жидкости в трубке и в сосуде станут одинаковыми, прогиб пленки полностью исчезнет (Рис. 3).

Рис. 3. По прогибу резиновой пленки можно судить об изменении давления в жидкости с глубиной

Это говорит о том, что внутри жидкости существует давление, и оно меняется с глубиной. Чем глубже мы погружаемся в жидкость, тем давление жидкости становится больше. Такое давление называется гидростатическим, так как создается неподвижной жидкостью (от греческих слов hydor – вода, statos – неподвижный).

3. Существует ли подобное давление в газах?

Молекулы газов также притягиваются к Земле, поэтому давление, подобное гидростатическому давлению жидкостей, безусловно, существует. Только необходимо помнить, что плотность газов значительно меньше, чем плотность жидкостей. И поэтому, при прочих равных условиях, давление газа во много раз меньше, чем давление жидкостей.

Итак, благодаря притяжению к Земле, внутри жидкостей и газов существует давление. А от каких параметров зависит это давление, вы узнаете на следующих уроках.

Домашнее задание:

В.В.Белага, И.А.Ломаченков, Ю.А.Панибратцев «Физика», Москва, Просвещение, 2016 31, с.78-79 читать.

Дав­ле­ние – ска­ляр­ная ве­ли­чи­на

Давление – скалярная величина