>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 9.5. Давление в жидкостях и газах. Сообщающиеся сосуды

• Изучение механических свойств жидкости начнем с гидростатики — теории поведения неподвижной жидкости. Как и все материальные тела, жидкости подчиняются законам механики Ньютона. Закономерности, наблюдаемые в жидкостях, могут быть объяснены на основе последовательного применения этих законов.

Силы, с которыми действуют друг на друга отдельные участки сжатой жидкости или газа, подобны силам упругости в твердых телах. Если мысленно выделить в сжатой жидкости какой-либо объем, то со стороны остальной жидкости на него будут действовать силы упругости, зависящие от степени сжатия жидкости. В свою очередь выделенный объем действует на остальную жидкость (и на стенки сосуда).

Однако силы упругости в жидкости или газе возникают только при деформации сжатия, но не при сдвиге слоев друг относительно друга. Поэтому сила, действующая на поверхность любого элемента жидкости (или газа) со стороны остальной жидкости, а также на поверхность твердого тела, в статическом случае всегда нормальна (перпендикулярна) к поверхности (рис. 9.19, а, б, в). Направленных по касательной к поверхности сил упругости нет.

Рис. 9.19

Давление

Сила упругости внутри жидкости почти всегда сжимает выделенный объем(1). Вследствие этого упругие напряжения в жидкостях и газах называют давлением. Если сила давления F равномерно распределена по поверхности площадью S, то давление р равно отношению модуля силы давления к площади поверхности:

В СИ единицей давления является паскаль (Па).

Гидростатическое давление

Выделим мысленно вертикальный столб жидкости высотой h, основанием которого служит площадка площадью S (рис. 9.20). Объем выделенного столба жидкости равен Sh. Сила, с которой столб жидкости действует на площадку (основание столба), представляет собой вес столба жидкости: F = Р. Так как жидкость неподвижна, то вес столба жидкости равен действующей на него силе тяжести, следовательно:

где ρ — плотность жидкости.

Рис. 9.20

Давление, производимое столбом жидкости на его основание, равно:

Итак,

Давление, которое создает жидкость, находящаяся в равновесии при действии силы тяжести, называют гидростатическим. Гидростатическое давление определяется формулой (9.5.3).

Давление внутри жидкости на любой глубине h слагается из атмосферного давления р₀ (или внешнего давления) на жидкость и гидростатического давления ρgh:

Из-за того что по мере погружения в жидкость давление возрастает, приходится использовать особо прочные конструкции при постройке подводных лодок и батискафов. Увеличение давления с глубиной ощущают работающие под водой люди: водолазы, спортсмены, увлекающиеся подводным плаванием.

Сообщающиеся сосуды

На рисунке 9.21, а изображены соединенные между собой сосуды, называемые сообщающимися.

Рис. 9.21

Лейка, чайник, кофейник (рис. 9.22) — примеры сообщающихся сосудов.

Рис. 9.22

Однородная жидкость в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне. Это легко объяснить, пользуясь формулой (9.5.3). В покоящейся однородной жидкости давление на любом уровне в обоих сообщающихся сосудах одинаково. Поэтому одинаковы и высоты столбов однородной жидкости над этими уровнями.

Если же в сообщающихся сосудах находятся разнородные жидкости, то при равновесии уровни этих жидкостей не будут одинаковыми (рис. 9.21, б). Давление жидкостей на уровне аа₁ при равновесии одинаково:

где ρ₁ и ρ₂ — плотности жидкостей в сообщающихся сосудах. Отсюда

Давление в жидкости прямо пропорционально высоте столба жидкости.

(1) При соблюдении некоторых специальных условий жидкость может быть и растянутой.