Тема: Закон Паскаля
Закон Паскаля
Описать все случаи одним простым законом нельзя. Поэтому нам нужна модель и закон, которому она будет подчиняться. С помощью этой модели можно описать некоторые реальные процессы и применять к ним тот же закон. Рассмотрим жидкости и газы ограниченного объема. Для них справедлив
Закон Паскаля: давление, оказываемое на поверхность газа или жидкости, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.
Рассмотрим, как это происходит, на простом примере – велосипедном насосе. Изначально он заполнен воздухом. Молекулы воздуха движутся хаотично, сталкиваются друг с другом, бьются о стенки насоса (см. рис. 12).
Рис. 12. Молекулы воздуха в насосе
Раз они с силой воздействуют на стенки, значит, оказывают давление на них. Начнем сжимать газ, давить на поршень. В первое мгновение при сжатии поршня воздух под насосом немного уплотняется (см. рис. 13).
Рис. 13. Начинаем давить на поршень
Но молекулы движутся очень быстро, со скоростями в сотни метров в секунду. Поэтому очень быстро уплотнение рассасывается, и теперь уже во всем объеме молекулы становятся ближе друг к другу, ведь места стало меньше. Если концентрация молекул (то, насколько они кучно расположены) увеличилась, значит, ударов о стенки стало больше, значит, давление увеличилось (см. рис. 14).
Рис. 14. Увеличение количества ударов молекул о стенки
Получается, то, что мы сверху надавили на поршень, это давление в конечном итоге передалось в каждую точку объема газа и достигло каждого квадратного сантиметра внутренней поверхности насоса.
В нашей модели мы считали, что уплотнение воздуха распространяется практически мгновенно. Для воздуха в небольшом насосе это действительно так. Для воды в гидравлическом прессе тоже. Но это не так для больших объемов, как, например, вода в большом бассейне или воздух во всем городе.
Да, атмосферное давление действует на поверхность озера и по закону Паскаля передается на дно (см. рис. 15).
Рис. 15. Действие атмосферного давления на поверхность воды
Атмосфера всегда давила на всю поверхность озера, и это давление уже давно передалось на дно, поэтому скорость распространения роли уже не играет и закон Паскаля можно применять даже в таких масштабах. Однако если рассматривать порывы ветра над частью озера, выбранная модель опишет процесс неправильно.
Жидкость может быть очень вязкая, как, например, кисель или зубная паста. Тогда давление передается медленно даже для малых объемов. Надавим на тюбик с зубной пастой (см. рис. 16).
Рис. 16. Пример вязкой жидкости
Он сразу уплотнится рядом с тем местом, где мы надавили. Но у отверстия давление сразу не повысится и паста не начнет вылезать. Видите: вязкие жидкости уже плохо подходят под нашу модель и для них закон Паскаля выполняется плохо.
Шар Паскаля
Итак, закон Паскаля применим для ограниченного объема невязкой жидкости или газа. Представим себе такой прибор: поршень, на конце которого сфера со множеством дырочек (см. рис. 17).
Рис. 17. Шар Паскаля
Она называется шар Паскаля. Если его заполнить дымом, то, надавив на поршень, вы увидите, что струи дыма абсолютно одинаковы (см. рис. 18).
Рис. 18. Опыт с дымом
Если заполнить шар водой, произойдет то же, что с дымом, только струи будут искривляться под действием силы тяжести (см. рис. 19).
Рис. 19. Опыт с водой
Однако сразу на выходе из отверстий струи будут одинаковыми, вода будет выходить под абсолютно одинаковым напором. Давление передастся одинаково по всему объему (см. рис. 20), то есть закон Паскаля выполняется.
Рис. 20. Передача давления
Опыты с давлением
Когда мы надуваем воздушный шарик, то создаем давление у отверстия, но при этом руками чувствуем, как повышается давление по всему шарику. Теперь понятно, почему воздушный шарик имеет форму шара: давление газа внутри шара передается во все точки газа без изменений (см. рис. 21), поэтому шарик растягивается во все стороны одинаково.
Рис. 21. Давление внутри шара
И только из-за формы и толщины самой резины шарик не будет идеально круглым. Вспомните мыльный пузырь: у него толщина стенок почти одинакова по всей поверхности и его форма еще больше похожа на форму шара.
То же самое и с жидкостями. Если шприц полностью наполнить водой, а отверстие заткнуть спичкой, то, как следует нажав на поршень, вы добьетесь того, что спичка вылетит (см. рис. 22).
Рис. 22. Давление выталкивает спичку
То есть давление, оказываемое поршнем с одной стороны, распространилось по всему объему, достигло в том числе спички и вытолкнуло ее.
