Что такое давление

Что такое давление

Почему стоящий на лыжах человек не проваливается в рыхлый снег? Почему автомобиль с широкими шинами обладает бóльшей проходимостью, чем автомобиль с обычными шинами? Зачем трактору гусеницы? Ответ на эти вопросы мы узнаем, познакомившись с физической величиной, которая называется давлением.

Давление твёрдых тел

Что такое давление

Когда сила приложена не к одной точке тела, а к множеству точек, то она действует на поверхность тела. В этом случае говорят о давлении, которое создаёт эта сила на поверхности твёрдого тела.

В физике давлением называют физическую величину, численно равную отношению силы, действующей на поверхность перпендикулярно к ней, к площади этой поверхности.

p = F/S,

где р - давление; F - сила, действующая на поверхность; S - площадь поверхности.

Итак, давление возникает, когда на поверхность, перпендикулярно к ней, действует сила. Величина давления зависит от величины этой силы, и прямо пропорциональна ей. Чем больше сила, тем большее давление она создаёт на единице площади. Слон тяжелее тигра, поэтому оказывает на поверхность бóльшее давление. Автомобиль давит на дорогу с бóльшей силой, чем пешеход.

Давление твёрдого тела обратно пропорционально площади поверхности, на которую действует сила.

Всем известно, что идти по глубокому снегу трудно из-за того, что ноги постоянно проваливаются. Но на лыжах это сделать довольно просто. Всё дело в том, что в том и в другом случае человек действует на снег с одной и той же силой - силой тяжести. Но эта сила распределяется по поверхностям с разной площадью. Так как площадь поверхности лыж больше площади подошв ботинок, то вес человека в данном случае распределяется на бóльшую площадь. А сила, действующая на единицу площади, оказывается меньшей в несколько раз. Поэтому стоящий на лыжах человек меньшей силой давит на снег и не проваливается в него.

Изменяя площадь поверхности, можно увеличить или уменьшить величину давления.

Собираясь в поход, мы выбираем рюкзак с широкими лямками, чтобы уменьшить давление на плечо.

Чтобы уменьшить давление здания на грунт, увеличивают площадь фундамента.

Шины грузовых автомобилей делают более широкими, чем шины легковых машин, чтобы они оказывали меньшее давление на грунт. По этой же причине трактор или танк делают на гусеничном ходу, а не на колёсном.

Ножи, лезвия, ножницы, иголки остро оттачивают, чтобы они имели как можно меньшую площадь режущей или колющей части. И тогда даже с помощью небольшой приложенной силы создаётся большое давление.

По этой же причине природа снабдила животных острыми зубами, клыками, когтями.

Давление - скалярная величина. В твёрдых телах оно передаётся в направлении действия силы.

Единица измерения силы - ньютон. Единица измерения площади - м2. Следовательно, единица измерения давление - н/м2. Эта величина в международной системе единиц СИ называется паскаль (Па или Ра). Получила своё название в честь французского физика Блеза Паскаля. Давление в 1 паскаль вызывает сила в 1 ньютон, действующая на поверхность размером 1 м2.

1 Па = 1н/м2.

В других системах используются такие единицы измерения, как бар, атмосфера, мм рт. ст. (миллиметры ртутного столба) и др.

Давление в жидкостях

Что такое давление 

Если в твёрдом теле давление передаётся в направлении действия силы, то в жидкостях и газах, согласно закону Паскаля, «любое давление, производимое на жидкость или газ, передаётся по всем направлениям без изменений».

Заполним жидкостью шар с крошечными отверстиями, соединённый с узкой трубкой в виде цилиндра. Заполним шар жидкостью, вставим в трубку поршень и начнём его двигать. Поршень давит на поверхность жидкости. Это давление передаётся в каждую точку жидкости. Жидкость начинает выливаться из отверстий в шаре.

Заполнив шар дымом, мы увидим такой же результат. Это означает, что и в газах давление также передаётся по всем направлениям.

На жидкость, как и на любое тело на поверхности Земли, действует сила тяжести. Каждый слой жидкости, находящейся в ёмкости, свои весом создаёт давление.

Это подтверждает следующий опыт.

Что такое давление

Если в стеклянный сосуд, вместо дна у которого резиновая плёнка, налить воду, то плёнка будет прогибаться под тяжестью воды. И чем больше будет воды, тем больше прогнётся плёнка. Если же мы будем постепенно погружать этот сосуд с водой в другую ёмкость, также наполненную водой, то по мере опускания плёнка будет распрямляться. И когда уровни воды в сосуде и ёмкости сравняются, плёнка распрямится совсем.

Что такое давление 

На одном уровне давление в жидкости одинаково. Но с увеличением глубины оно возрастает, так как молекулы верхних слоёв оказывают давление на молекулы нижних слоёв. А те, в свою очередь, давят на молекулы слоёв, расположенные ещё ниже. Поэтому в самой нижней точке ёмкости давление будет самым высоким.

Давление на глубине определяется по формуле:

p = ρ·g·h,

где p - давление (Па);

ρ - плотность жидкости (кг/м3);

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с);

h - высота столба жидкости (м).

Из формулы видно, что давление растёт с ростом глубины. Чем ниже в океане опускается подводный аппарат, тем бóльшее давление он будет испытывать.

Атмосферное давление

Что такое давление

Эванджелиста Торричелли

Кто знает, если бы в 1638 г. герцог Тосканский не решил украсить сады Флоренции красивыми фонтанами, атмосферное давление было бы открыто не в XVII веке, а гораздо позже. Можно сказать, что это открытие было сделано случайно.

В те времена считалось, что вода будет подниматься за поршнем насоса, потому что, как утверждал Аристотель, «природа не терпит пустоты». Однако мероприятие не увенчалось успехом. Вода в фонтанах действительно поднималась, заполняя образовавшуюся «пустоту», однако на высоте 10,3 м она останавливалась.

За помощью обратились к Галилео Галилею. Так как логического объяснения он найти не смог, то поручил своим ученикам - Эванджелиста Торричелли и Винценцо Вивиани провести эксперименты.

Пытаясь найти причину неудачи, ученики Галилея выяснили, что разные жидкости поднимаются за насосом на разную высоту. Чем плотнее жидкость, тем на меньшую высоту она может подняться. Так как плотность ртути в 13 раз больше плотности воды, то и подняться она сможет на высоту в 13 раз меньшую. Поэтому в своём опыте они использовали ртуть.

Что такое давление

В 1644 г. опыт был проведен. Стеклянную трубку заполнили ртутью. Затем её опрокинули в емкость, также наполненную ртутью. Спустя некоторое время столбик ртути в трубке поднялся. Но всю трубку он не заполнил. Над столбиком ртути оставалось пустое пространство. Позднее оно было названо «торричеллевой пустотой». Но и в ёмкость ртуть из трубки не выливалась. Торричелли объяснил это тем, что на ртуть давит атмосферный воздух и удерживает её в трубке. А высота столбика ртути в трубке показывает величину этого давления. Так было впервые измерено атмосферное давление.

Атмосфера Земли - это её воздушная оболочка, удерживаемая возле неё гравитационным притяжением. Молекулы газов, составляющих эту оболочку, непрерывно и хаотично движутся. Под действием силы тяжести верхние слои атмосферы давят на нижние слои, сжимая их. Сильнее всего сжат самый нижний слой, находящийся у поверхности Земли. Поэтому давление в нём самое большое. Согласно закону Паскаля, это давление он передаёт по всем направлениям. Его испытывает на себе всё, что находится на поверхности Земли. Это давление называют атмосферным давлением.

Так как атмосферное давление создаётся вышележащими слоями воздуха, то с увеличением высоты оно уменьшается. Известно, что высоко в горах оно меньше, чем у подножия гор. А глубоко под землёй оно гораздо выше, чем на поверхности.

Нормальным атмосферным давление считается давление, равное давлению столбика ртути высотой 760 мм при температуре 0оС.

Измерение атмосферного давления

Что такое давление

Так как атмосферный воздух имеет различную плотность на разной высоте, то величину атмосферного давления нельзя определить по формуле p = ρ·g·h. Поэтому его определяют с помощью специальных приборов, называемых барометрами.

Простейшим барометром можно считать трубку Торричелли. В ней он использовал ртуть. Позднее опыт Торричелли пытался повторить Паскаль в 1646 г. Однако вместо ртути он использовал воду и вино.

Различают жидкостные барометры и анероиды (безжидкостные). Работа жидкостных барометров основана на изменении в столбике уровня жидкости под давлением атмосферы.

Анероид представляет собой герметичный контейнер из гофрированного металла, внутри которого создано разрежение. Контейнер сжимается, когда атмосферное давление повышается, и распрямляется при его понижении. Все эти изменения передаются на стрелку с помощью пружинящей металлической пластины. Конец стрелки передвигается по шкале.

По изменению показаний барометра можно предполагать, как изменится погода в ближайшие дни. Если атмосферное давление повышается, значит, можно ожидать ясной погоды. А если понижается, будет пасмурно.