Розділ 1. Механіка
1.4. Елементи механіки рідин і газів
Якщо площа дна в посудинах різної форми однакова, то сила тиску теж буде однаковою, незважаючи на те що вага рідини різна. Це явище отримало назву гідростатичного парадоксу. Тиск у газах зумовлений хаотичним рухом молекул, які під час зіткнення з поверхнею змінюють імпульс цієї поверхні. Газова оболонка Землі має назву атмосфера. Повітря складається із суміші різних газів: азоту, кисню та інших. Густина повітря зі збільшенням висоти зменшується. Молекули повітря безперервно хаотично рухаються, але тримаються біля Землі завдяки дії сили тяжіння. Тиск, який чинить атмосфера на поверхню Землі й на всі тіла, що перебувають біля її поверхні, називають атмосферним тиском. Практично атмосферний тиск визначив італійський фізик Е. Торрічеллі 1643 року. Скляну, запаяну з одного кінця трубку завдовжки 1 м наповнювали ртуттю. Отвір закривали й перевертали трубку в чашу зі ртуттю. Після цього отвір відкривали. Ртуть із трубки виливалася частково.
Спільним для рідин і газів є те, що вони передають зовнішній тиск, який діє на них, в усіх напрямках однаково. Цей закон є основним законом гідроаеростатики. Був установлений французьким фізиком Блезом Паскалем 1653 року. Дослід із кулею Паскаля є наочним підтвердженням цього закону. Кулю з отворами, приєднану до циліндра з притертим поршнем, заповнюють рідиною або димом. Після натискання на поршень з усіх отворів вириваються однакові струмені рідини або диму.
Рис. 51. Куля Паскаля
760 мм
Одним з основних законів гідростатики є закон сполучених посудин. Сполученими називають посудини, які з’єднані між собою в нижній частині так, що рідина може вільно перетікати з однієї посудини до іншої.
Рис. 49. Дослід Торрічеллі
Стовпчик ртуті, який залишався в трубці, утримувався тиском атмосфери на відкриту поверхню ртуті в чашці. За нормальний атмосферний тиск вважають тиск, який створює стовпчик ртуті заввишки 760 мм. Атмосферний тиск вимірюють у мм рт. ст. або в Па: 1 мм рт. ст. = 133,3 Па. Нормальний атмосферний тиск у СІ: p = ρрт gh , p = 13 600 кг/м3 · 9,8 м/с2 · 0,76 м = 101 300 Па. Прилад для вимірювання атмосферного тиску отримали, приєднавши до трубки зі ртуттю вертикальну шкалу. Прилад здобув назву рідинного, або ртутного, барометра. Для вимірювання атмосферного тиску сьогодні використовують барометри-анероїди. Основні елементи анероїда: гофрована пустотіла металева коробочка 5, металева пружина 4, передавальний механізм 1, стрілки 3 та шкали 2. У разі підвищення атмосферного тиску коробочка стискається, прикріплена до неї стрілка повертається та вказує на шкалі атмосферний тиск.
Рис. 52. Сполучені посудини з однорідною рідиною
Однорідна рідина встановлюється у сполучених посудинах на одному рівні.
h2
h1
Рис. 53. Сполучені посудини з різнорідною рідиною
Якщо рідина неоднорідна, то рівень рідини з меншою густиною буде вищим, ніж рівень рідини з більшою густиною: h1 ρ2 . = h2 ρ1
2
Сполучені посудини мають широке застосування в побуті, техніці, на виробництві. Це водопостачання будинків, робота шлюзів на гідроелектростанціях, фонтани, автопоїлки для тварин, звичайні чайники й різного роду гідравлічні машини. Дія гідравлічних машин ґрунтується на законах руху й рівноваги рідини.
3 1
4 5
Рис. 50. Будова барометра-анероїда
Значення атмосферного тиску залежить від висоти місцевості над рівнем моря. Поблизу поверхні Землі на кожні 11 метрів підйому тиск зменшується на 1 мм рт. ст. Це дозволяє проградуювати шкалу барометра в одиницях довжини. Отриманий прилад має назву альтиметр. 40
S1
S2
F1 F2 Рис. 54. Гідравлічна машина
41