Comment écrire la pression en physique. Pression supérieure et inférieure : qu'est-ce que cela signifie ?
L'homme sur des skis, et sans eux.
Sur neige meuble, une personne marche avec beaucoup de difficulté, s'enfonçant profondément à chaque pas. Mais, ayant chaussé des skis, il peut marcher, presque sans tomber dedans. Pourquoi? Skis ou sans skis, une personne agit sur la neige avec la même force égale à son propre poids. Cependant, l'effet de cette force dans les deux cas est différent, car la surface sur laquelle la personne appuie est différente, avec et sans skis. La surface des skis est presque 20 fois supérieure plus de zone semelles. Par conséquent, debout sur des skis, une personne agit sur chaque centimètre carré de la surface de la neige avec une force 20 fois inférieure à celle debout sur la neige sans skis.
L'élève, épinglant un journal au tableau avec des boutons, agit sur chaque bouton avec la même force. Cependant, un bouton avec une extrémité plus pointue est plus facile à entrer dans l'arbre.
Cela signifie que le résultat de l'action d'une force dépend non seulement de son module, de sa direction et de son point d'application, mais également de la surface de la surface à laquelle elle est appliquée (perpendiculaire à laquelle elle agit).
Cette conclusion est confirmée par des expériences physiques.
Expérience Le résultat de cette force dépend de la force qui agit par unité de surface de la surface.
Les clous doivent être enfoncés dans les coins d'une petite planche. Tout d'abord, nous plaçons les clous enfoncés dans la planche sur le sable avec leurs pointes vers le haut et posons un poids sur la planche. Dans ce cas, les têtes de clous ne sont que légèrement enfoncées dans le sable. Ensuite, retournez la planche et placez les clous sur la pointe. Dans ce cas, la zone d'appui est plus petite et, sous l'action de la même force, les clous s'enfoncent profondément dans le sable.
Vivre. Deuxième illustration.
Le résultat de l'action de cette force dépend de la force qui agit sur chaque unité de surface.
Dans les exemples considérés, les forces ont agi perpendiculairement à la surface du corps. Le poids de la personne était perpendiculaire à la surface de la neige ; la force agissant sur le bouton est perpendiculaire à la surface de la planche.
La valeur égale au rapport de la force agissant perpendiculairement à la surface à l'aire de cette surface est appelée pression.
Pour déterminer la pression, il faut diviser la force agissant perpendiculairement à la surface par la surface :
pression = force / surface.
Notons les grandeurs comprises dans cette expression : pression - p, la force agissant sur la surface, - F et la superficie S.
On obtient alors la formule :
p = F/S
Il est clair qu'une force plus importante agissant sur la même zone produira plus de pression.
L'unité de pression est prise comme la pression qui produit une force de 1 N agissant sur une surface de 1 m 2 perpendiculaire à cette surface.
Unité de pression - newton par mètre carré(1N/m2). En l'honneur du scientifique français Blaise Pascal ça s'appelle pascale Pennsylvanie). Ainsi,
1 Pa = 1 N / m 2.
D'autres unités de pression sont également utilisées : hectopascal (hPa) et kilopascal (kPa).
1 kPa = 1000 Pa ;
1 hPa = 100 Pa ;
1 Pa = 0,001 kPa ;
1 Pa = 0,01 hPa.
Écrivons l'état du problème et résolvons-le.
Donné : m = 45 kg, S = 300 cm 2 ; p = ?
En unités SI : S = 0,03 m 2
Décision:
p = F/S,
F = P,
P = g m,
P= 9,8 N 45 kg ≈ 450 N,
p\u003d 450 / 0,03 N / m 2 \u003d 15000 Pa \u003d 15 kPa
"Réponse": p = 15000 Pa = 15 kPa
Façons de réduire et d'augmenter la pression.
Un tracteur à chenilles lourd produit une pression sur le sol égale à 40-50 kPa, soit seulement 2 à 3 fois plus que la pression d'un garçon pesant 45 kg. En effet, le poids du tracteur est réparti sur une plus grande surface en raison de l'entraînement par chenilles. Et nous avons établi que plus la surface du support est grande, moins la pression produite par la même force sur ce support est importante .
Selon que vous ayez besoin d'obtenir une petite ou une grande pression, la zone d'appui augmente ou diminue. Par exemple, pour que le sol résiste à la pression d'un bâtiment en construction, la surface de la partie inférieure de la fondation est augmentée.
Pneus camions et le train d'atterrissage des avions est beaucoup plus large que celui des voitures particulières. Des pneus particulièrement larges sont conçus pour les voitures conçues pour voyager dans les déserts.
Les machines lourdes, comme un tracteur, un char ou un marécage, ayant une grande surface d'appui des chenilles, traversent un terrain marécageux qu'une personne ne peut pas traverser.
D'autre part, avec une petite surface, une grande pression peut être générée avec une petite force. Par exemple, en appuyant sur un bouton dans une planche, nous agissons dessus avec une force d'environ 50 N. La surface de la pointe du bouton étant d'environ 1 mm 2, la pression produite par celui-ci est égale à:
p \u003d 50 N / 0,000001 m 2 \u003d 50 000 000 Pa \u003d 50 000 kPa.
A titre de comparaison, cette pression est 1000 fois supérieure à la pression exercée par un tracteur à chenilles sur le sol. De nombreux autres exemples de ce type peuvent être trouvés.
La lame des outils de coupe et de perçage (couteaux, ciseaux, cutters, scies, aiguilles, etc.) est spécialement affûtée. Le bord aiguisé d'une lame tranchante a une petite surface, donc même une petite force crée beaucoup de pression, et il est facile de travailler avec un tel outil.
On trouve aussi chez la faune sauvage des appareils coupants et perforants : ce sont des dents, des griffes, des becs, des pointes, etc. - ils sont tous faits d'un matériau dur, lisse et très pointu.
Pression
On sait que les molécules de gaz se déplacent de façon aléatoire.
Nous savons déjà que les gaz, contrairement aux solides et aux liquides, remplissent tout le récipient dans lequel ils se trouvent. Par exemple, une bouteille en acier pour stocker des gaz, une chambre à air de voiture ou un volley-ball. Dans ce cas, le gaz exerce une pression sur les parois, le fond et le couvercle du cylindre, de la chambre ou de tout autre corps dans lequel il se trouve. La pression du gaz est due à d'autres causes que la pression corps solide sur un support.
On sait que les molécules de gaz se déplacent de façon aléatoire. Au cours de leur mouvement, ils entrent en collision les uns avec les autres, ainsi qu'avec les parois du récipient dans lequel se trouve le gaz. Il y a beaucoup de molécules dans le gaz, et donc le nombre de leurs impacts est très grand. Par exemple, le nombre d'impacts de molécules d'air dans une pièce sur une surface de 1 cm 2 en 1 s est exprimé par un nombre à vingt-trois chiffres. Bien que la force d'impact d'une molécule individuelle soit faible, l'action de toutes les molécules sur les parois du récipient est importante - elle crée une pression de gaz.
Alors, la pression du gaz sur les parois du récipient (et sur le corps placé dans le gaz) est causée par des impacts de molécules de gaz .
Considérez l'expérience suivante. Placez une balle en caoutchouc sous la cloche de la pompe à air. Il contient une petite quantité d'air et a forme irrégulière. Ensuite, nous pompons l'air sous la cloche avec une pompe. L'enveloppe du ballon, autour de laquelle l'air se raréfie de plus en plus, se gonfle peu à peu et prend la forme d'un ballon régulier.
Comment expliquer cette expérience ?
Des bouteilles en acier durables spéciales sont utilisées pour le stockage et le transport de gaz comprimé.
Dans notre expérience, des molécules de gaz en mouvement frappent continuellement les parois de la balle à l'intérieur et à l'extérieur. Lorsque l'air est pompé, le nombre de molécules dans la cloche autour de la coque de la balle diminue. Mais à l'intérieur du ballon leur nombre ne change pas. Par conséquent, le nombre d'impacts de molécules sur les parois externes de la coque devient inférieur au nombre d'impacts sur les parois internes. Le ballon est gonflé jusqu'à ce que la force d'élasticité de sa coque en caoutchouc devienne égale à la force de pression du gaz. La coque du ballon prend la forme d'une boule. Cela montre que le gaz appuie sur ses parois également dans toutes les directions. Autrement dit, le nombre d'impacts moléculaires par centimètre carré de surface est le même dans toutes les directions. La même pression dans toutes les directions est caractéristique d'un gaz et est une conséquence du mouvement aléatoire d'un grand nombre de molécules.
Essayons de réduire le volume de gaz, mais pour que sa masse reste inchangée. Cela signifie que dans chaque centimètre cube de gaz, il y aura plus de molécules, la densité du gaz augmentera. Ensuite, le nombre d'impacts de molécules sur les parois augmentera, c'est-à-dire que la pression du gaz augmentera. Cela peut être confirmé par l'expérience.
Sur l'image un Un tube de verre est représenté, dont une extrémité est recouverte d'un mince film de caoutchouc. Un piston est inséré dans le tube. Lorsque le piston est enfoncé, le volume d'air dans le tube diminue, c'est-à-dire que le gaz est comprimé. Le film de caoutchouc se gonfle vers l'extérieur, indiquant que la pression d'air dans le tube a augmenté.
Au contraire, avec une augmentation du volume d'une même masse de gaz, le nombre de molécules dans chaque centimètre cube diminue. Cela réduira le nombre d'impacts sur les parois de la cuve - la pression du gaz diminuera. En effet, lorsque le piston est tiré hors du tube, le volume d'air augmente, le film se plie à l'intérieur de la cuve. Cela indique une diminution de la pression d'air dans le tube. On observerait les mêmes phénomènes si au lieu d'air dans le tube il y avait n'importe quel autre gaz.
Alors, lorsque le volume d'un gaz diminue, sa pression augmente, et lorsque le volume augmente, la pression diminue, à condition que la masse et la température du gaz restent inchangées.
Comment évolue la pression d'un gaz lorsqu'il est chauffé à volume constant ? On sait que la vitesse de déplacement des molécules de gaz augmente lorsqu'elles sont chauffées. Se déplaçant plus rapidement, les molécules heurteront plus souvent les parois du vaisseau. De plus, chaque impact de la molécule sur la paroi sera plus fort. En conséquence, les parois du vaisseau subiront plus de pression.
Ainsi, La pression d'un gaz dans un récipient fermé est d'autant plus grande que la température du gaz est élevée, à condition que la masse du gaz et le volume ne changent pas.
De ces expériences, on peut conclure que plus la pression du gaz est grande, plus les molécules frappent souvent et fort les parois du récipient .
Pour le stockage et le transport des gaz, ils sont fortement comprimés. Dans le même temps, leur pression augmente, les gaz doivent être enfermés dans des bouteilles spéciales très résistantes. De telles bouteilles, par exemple, contiennent de l'air comprimé dans les sous-marins, de l'oxygène utilisé dans le soudage des métaux. Bien sûr, nous devons toujours nous rappeler que les bouteilles de gaz ne peuvent pas être chauffés, surtout lorsqu'ils sont remplis de gaz. Parce que, comme nous le comprenons déjà, une explosion peut se produire avec des conséquences très désagréables.
La loi de Pascal.
La pression est transmise à chaque point du liquide ou du gaz.
La pression du piston est transmise à chaque point du liquide remplissant la bille.
Maintenant gaz.
Contrairement aux solides, les couches individuelles et les petites particules de liquide et de gaz peuvent se déplacer librement les unes par rapport aux autres dans toutes les directions. Il suffit, par exemple, de souffler légèrement à la surface de l'eau dans un verre pour faire bouger l'eau. Des ondulations apparaissent sur une rivière ou un lac à la moindre brise.
La mobilité des particules gazeuses et liquides explique que la pression produite sur eux se transmet non seulement dans le sens de la force, mais en tout point. Considérons ce phénomène plus en détail.
Sur l'image, un un récipient contenant un gaz (ou un liquide) est représenté. Les particules sont réparties uniformément dans tout le récipient. Le récipient est fermé par un piston qui peut monter et descendre.
En appliquant une certaine force, faisons bouger le piston un peu vers l'intérieur et comprimons le gaz (liquide) directement en dessous. Ensuite, les particules (molécules) seront situées à cet endroit plus densément qu'auparavant (Fig., b). En raison de la mobilité des particules de gaz se déplacera dans toutes les directions. En conséquence, leur disposition redeviendra uniforme, mais plus dense qu'auparavant (Fig. c). Par conséquent, la pression du gaz augmentera partout. Cela signifie qu'une pression supplémentaire est transférée à toutes les particules d'un gaz ou d'un liquide. Donc, si la pression sur le gaz (liquide) près du piston lui-même augmente de 1 Pa, alors en tout point à l'intérieur la pression de gaz ou de liquide sera supérieure à celle d'avant de la même quantité. La pression sur les parois du récipient, sur le fond et sur le piston augmentera de 1 Pa.
La pression exercée sur un liquide ou un gaz est transmise en tout point de la même manière dans toutes les directions .
Cette déclaration s'appelle loi de Pascal.
Basé sur la loi de Pascal, il est facile d'expliquer les expériences suivantes.
La figure montre une sphère creuse avec divers endroits petits trous. Un tube est attaché à la balle, dans lequel un piston est inséré. Si vous aspirez de l'eau dans la boule et poussez le piston dans le tube, l'eau s'écoulera de tous les trous de la boule. Dans cette expérience, le piston appuie sur la surface de l'eau dans le tube. Les particules d'eau sous le piston, en se condensant, transfèrent sa pression à d'autres couches plus profondes. Ainsi, la pression du piston est transmise en chaque point du liquide remplissant la bille. En conséquence, une partie de l'eau est expulsée de la balle sous la forme de flux identiques s'écoulant de tous les trous.
Si la balle est remplie de fumée, lorsque le piston est poussé dans le tube, des flux de fumée identiques commenceront à sortir de tous les trous de la balle. Cela confirme et les gaz transmettent la pression produite sur eux de manière égale dans toutes les directions.
Pression dans le liquide et le gaz.
Sous le poids du liquide, le fond en caoutchouc du tube s'affaissera.
Les liquides, comme tous les corps sur Terre, sont affectés par la force de gravité. Par conséquent, chaque couche de liquide versée dans un récipient crée une pression avec son poids qui, selon la loi de Pascal, se transmet dans toutes les directions. Il y a donc une pression à l'intérieur du liquide. Cela peut être vérifié par l'expérience.
Versez de l'eau dans un tube en verre dont le trou inférieur est fermé par un mince film de caoutchouc. Sous le poids du liquide, le fond du tube se pliera.
L'expérience montre que plus la colonne d'eau au-dessus du film de caoutchouc est élevée, plus il s'affaisse. Mais chaque fois que le fond en caoutchouc s'affaisse, l'eau dans le tube s'équilibre (s'arrête), car, en plus de la gravité, la force élastique du film de caoutchouc étiré agit sur l'eau.
Forces agissant sur le film de caoutchouc |
sont les mêmes des deux côtés. |
Illustration.
Le fond s'éloigne du cylindre en raison de la pression exercée sur celui-ci par la gravité.
Abaissons un tube avec un fond en caoutchouc, dans lequel de l'eau est versée, dans un autre récipient plus large avec de l'eau. Nous verrons qu'au fur et à mesure que le tube est abaissé, le film de caoutchouc se redresse progressivement. Le redressement complet du film montre que les forces agissant dessus et par le bas sont égales. Le redressement complet du film se produit lorsque les niveaux d'eau dans le tube et le récipient coïncident.
La même expérience peut être réalisée avec un tube dans lequel un film de caoutchouc ferme l'ouverture latérale, comme le montre la figure a. Plongez ce tube d'eau dans un autre récipient d'eau, comme indiqué sur la figure, b. On remarquera que le film se redresse à nouveau dès que les niveaux d'eau dans le tube et dans la cuve sont égaux. Cela signifie que les forces agissant sur le film de caoutchouc sont les mêmes de tous les côtés.
Prenez un navire dont le fond peut tomber. Mettons-le dans un pot d'eau. Dans ce cas, le fond sera fermement pressé contre le bord du navire et ne tombera pas. Il est pressé par la force de la pression de l'eau, dirigée de bas en haut.
Nous verserons soigneusement de l'eau dans le récipient et surveillerons son fond. Dès que le niveau d'eau dans le récipient coïncide avec le niveau d'eau dans le bocal, il tombera du récipient.
Au moment du détachement, une colonne de liquide dans le récipient appuie sur le fond et la pression est transmise de bas en haut vers le bas d'une colonne de liquide de même hauteur, mais située dans le bocal. Ces deux pressions sont les mêmes, mais le fond s'éloigne du cylindre en raison de l'action sur celui-ci propre force la gravité.
Les expériences avec de l'eau ont été décrites ci-dessus, mais si nous prenons un autre liquide à la place de l'eau, les résultats de l'expérience seront les mêmes.
Ainsi, les expériences montrent que à l'intérieur du liquide il y a de la pression, et au même niveau c'est la même dans toutes les directions. La pression augmente avec la profondeur.
Les gaz ne diffèrent pas à cet égard des liquides, car ils ont aussi un poids. Mais nous devons nous rappeler que la densité d'un gaz est des centaines de fois inférieure à la densité d'un liquide. Le poids du gaz dans le récipient est faible et, dans de nombreux cas, sa pression "poids" peut être ignorée.
Calcul de la pression du liquide sur le fond et les parois de la cuve.
Calcul de la pression du liquide sur le fond et les parois de la cuve.
Considérez comment vous pouvez calculer la pression d'un liquide sur le fond et les parois d'un récipient. Résolvons d'abord le problème pour un vaisseau ayant la forme d'un parallélépipède rectangle.
Force F, avec laquelle le liquide versé dans ce récipient appuie sur son fond, est égal au poids P le liquide dans le récipient. Le poids d'un liquide peut être déterminé en connaissant sa masse. m. La masse, comme vous le savez, peut être calculée par la formule : m = ρ V. Le volume de liquide versé dans le récipient que nous avons choisi est facile à calculer. Si la hauteur de la colonne de liquide dans le récipient est indiquée par la lettre h, et la zone du fond du navire S, alors V = S h.
Masse liquide m = ρ V, ou alors m = ρ S h .
Le poids de ce fluide P = g, ou alors P = g ρ S h.
Puisque le poids de la colonne de liquide est égal à la force avec laquelle le liquide appuie sur le fond du récipient, alors, en divisant le poids P Vers le carré S, on obtient la pression du fluide p:
p = P/S , ou p = g ρ S h/S,
Nous avons obtenu une formule pour calculer la pression d'un liquide au fond d'un récipient. A partir de cette formule, on peut voir que la pression d'un liquide au fond d'un récipient ne dépend que de la densité et de la hauteur de la colonne de liquide.
Par conséquent, selon la formule dérivée, il est possible de calculer la pression du liquide versé dans le récipient N'importe quelle forme(Strictement parlant, notre calcul ne convient que pour les vaisseaux ayant la forme d'un prisme droit et d'un cylindre. Dans les cours de physique de l'institut, il a été prouvé que la formule est également vraie pour un vaisseau de forme arbitraire). De plus, il peut être utilisé pour calculer la pression sur les parois de la cuve. La pression à l'intérieur du fluide, y compris la pression de bas en haut, est également calculée à l'aide de cette formule, car la pression à la même profondeur est la même dans toutes les directions.
Lors du calcul de la pression à l'aide de la formule p = gal/h besoin de densité ρ exprimé en kilogrammes par mètre cube(kg / m 3), et la hauteur de la colonne de liquide h- en mètres (m), g\u003d 9,8 N / kg, alors la pression sera exprimée en pascals (Pa).
Exemple. Déterminer la pression d'huile au fond du réservoir si la hauteur de la colonne d'huile est de 10 m et sa masse volumique de 800 kg/m 3 .
Écrivons l'état du problème et écrivons-le.
Donné :
ρ \u003d 800 kg / m 3
Décision :
p = 9,8 N/kg 800 kg/m 3 10 m ≈ 80 000 Pa ≈ 80 kPa.
Répondre : p ≈ 80 kPa.
Vases communicants.
Vases communicants.
La figure montre deux vaisseaux reliés l'un à l'autre par un tube en caoutchouc. Ces navires sont appelés communicant. Un arrosoir, une théière, une cafetière sont des exemples de vases communicants. Nous savons par expérience que l'eau versée, par exemple, dans un arrosoir, se tient toujours au même niveau dans le bec et à l'intérieur.
Les vases communicants nous sont communs. Par exemple, il peut s'agir d'une théière, d'un arrosoir ou d'une cafetière. |
Les surfaces d'un liquide homogène sont installées au même niveau dans des vases communicants de toute forme. |
Liquides de différentes densités. |
Avec les vases communicants, l'expérience simple suivante peut être réalisée. Au début de l'expérience, nous serrons le tube en caoutchouc au milieu et versons de l'eau dans l'un des tubes. Ensuite, nous ouvrons la pince et l'eau s'écoule instantanément dans l'autre tube jusqu'à ce que les surfaces d'eau des deux tubes soient au même niveau. Vous pouvez fixer l'un des tubes dans un trépied et lever, abaisser ou incliner l'autre dans différentes directions. Et dans ce cas, dès que le liquide se calmera, ses niveaux dans les deux tubes s'égaliseront.
Dans les vases communicants de toute forme et section, les surfaces d'un liquide homogène sont placées au même niveau(à condition que la pression d'air sur le liquide soit la même) (Fig. 109).
Cela peut être justifié comme suit. Le liquide est au repos sans se déplacer d'un récipient à l'autre. Cela signifie que les pressions dans les deux récipients sont les mêmes à tous les niveaux. Le liquide dans les deux récipients est le même, c'est-à-dire qu'il a la même densité. Par conséquent, ses hauteurs doivent également être les mêmes. Lorsque nous élevons un récipient ou y ajoutons du liquide, la pression dans celui-ci augmente et le liquide se déplace dans un autre récipient jusqu'à ce que les pressions soient équilibrées.
Si un liquide d'une densité est versé dans l'un des vases communicants et qu'une autre densité est versée dans le second, alors à l'équilibre les niveaux de ces liquides ne seront pas les mêmes. Et cela est compréhensible. On sait que la pression d'un liquide au fond d'un récipient est directement proportionnelle à la hauteur de la colonne et à la densité du liquide. Et dans ce cas, les densités des liquides seront différentes.
A pressions égales, la hauteur d'une colonne de liquide de densité plus élevée sera inférieure à la hauteur d'une colonne de liquide de densité plus faible (Fig.).
Vivre. Comment déterminer la masse d'air.
Poids aérien. Pression atmosphérique.
existence de la pression atmosphérique.
La pression atmosphérique est supérieure à la pression de l'air raréfié dans un récipient.
La force de gravité agit sur l'air, ainsi que sur tout corps situé sur la Terre, et, par conséquent, l'air a du poids. Le poids de l'air est facile à calculer, connaissant sa masse.
Nous allons montrer par expérience comment calculer la masse d'air. Pour ce faire, vous devez prendre une forte bol en verre avec bouchon et tube en caoutchouc avec pince. Nous en pompons l'air avec une pompe, serrons le tube avec une pince et l'équilibrons sur la balance. Ensuite, en ouvrant la pince sur le tube en caoutchouc, laissez entrer de l'air. Dans ce cas, l'équilibre de la balance sera perturbé. Pour le restaurer, vous devrez mettre des poids sur l'autre plateau de la balance, dont la masse sera égale à la masse d'air dans le volume de la balle.
Des expériences ont établi qu'à une température de 0 ° C et à une pression atmosphérique normale, la masse d'air d'un volume de 1 m 3 est de 1,29 kg. Le poids de cet air est facile à calculer :
P = g m, P = 9,8 N/kg 1,29 kg ≈ 13 N.
L'enveloppe d'air qui entoure la terre s'appelle atmosphère (du grec. atmosphère vapeur, air et sphère- Balle).
Atmosphère telle que montrée par les observations en vol satellites artificiels Terre, s'étend sur une hauteur de plusieurs milliers de kilomètres.
Sous l'action de la gravité, les couches supérieures de l'atmosphère, comme l'eau des océans, compriment les couches inférieures. La couche d'air adjacente directement à la Terre est la plus comprimée et, selon la loi de Pascal, transfère la pression produite sur elle dans toutes les directions.
En conséquence, la surface de la terre et les corps qui s'y trouvent subissent la pression de toute l'épaisseur de l'air ou, comme on le dit généralement dans de tels cas, subissent Pression atmosphérique .
L'existence de la pression atmosphérique peut s'expliquer par de nombreux phénomènes que nous rencontrons dans la vie. Considérons certains d'entre eux.
La figure montre un tube en verre, à l'intérieur duquel se trouve un piston qui s'adapte parfaitement aux parois du tube. L'extrémité du tube est trempée dans l'eau. Si vous soulevez le piston, l'eau montera derrière lui.
Ce phénomène est utilisé dans les pompes à eau et certains autres appareils.
La figure montre un récipient cylindrique. Il est fermé par un bouchon dans lequel est inséré un tube avec un robinet. L'air est pompé hors du récipient par une pompe. L'extrémité du tube est ensuite placée dans l'eau. Si vous ouvrez maintenant le robinet, l'eau éclaboussera à l'intérieur du récipient dans une fontaine. L'eau pénètre dans le récipient parce que la pression atmosphérique est supérieure à la pression de l'air raréfié dans le récipient.
Pourquoi la coquille d'air de la Terre existe-t-elle.
Comme tous les corps, les molécules de gaz qui composent l'enveloppe atmosphérique de la Terre sont attirées vers la Terre.
Mais pourquoi, alors, ne tombent-ils pas tous à la surface de la Terre ? Comment la coquille d'air de la Terre, son atmosphère, est-elle préservée ? Pour comprendre cela, il faut tenir compte du fait que les molécules de gaz sont en mouvement continu et aléatoire. Mais alors une autre question se pose: pourquoi ces molécules ne s'envolent-elles pas dans l'espace mondial, c'est-à-dire dans l'espace.
Pour quitter complètement la Terre, la molécule, comme vaisseau spatial ou une fusée, doit avoir une vitesse très élevée (au moins 11,2 km/s). Ce soi-disant deuxième vitesse d'échappement. La vitesse de la plupart des molécules dans l'enveloppe d'air de la Terre est bien inférieure à cette vitesse cosmique. Par conséquent, la plupart d'entre eux sont liés à la Terre par gravité, seul un nombre négligeable de molécules volent au-delà de la Terre dans l'espace.
Le mouvement aléatoire des molécules et l'effet de la gravité sur celles-ci font que les molécules de gaz "flottent" dans l'espace près de la Terre, formant une coquille d'air, ou l'atmosphère que nous connaissons.
Les mesures montrent que la densité de l'air diminue rapidement avec l'altitude. Ainsi, à une hauteur de 5,5 km au-dessus de la Terre, la densité de l'air est 2 fois inférieure à sa densité à la surface de la Terre, à une hauteur de 11 km - 4 fois moins, etc. Plus l'air est haut, plus il est rare. Et enfin, dans le plus couches supérieures(à des centaines et des milliers de kilomètres au-dessus de la Terre), l'atmosphère se transforme progressivement en espace sans air. La coquille d'air de la Terre n'a pas de frontière claire.
À proprement parler, en raison de l'action de la gravité, la densité du gaz dans tout récipient fermé n'est pas la même dans tout le volume du récipient. Au fond du récipient, la densité du gaz est plus grande que dans ses parties supérieures, et donc la pression dans le récipient n'est pas la même. Il est plus grand au fond du vaisseau qu'au sommet. Cependant, pour le gaz contenu dans le récipient, cette différence de densité et de pression est si faible que dans de nombreux cas, elle peut être complètement ignorée, il suffit d'en être conscient. Mais pour une atmosphère s'étendant sur plusieurs milliers de kilomètres, la différence est significative.
Mesure de la pression atmosphérique. L'expérience Torricelli.
Il est impossible de calculer la pression atmosphérique à l'aide de la formule de calcul de la pression d'une colonne de liquide (§ 38). Pour un tel calcul, vous devez connaître la hauteur de l'atmosphère et la densité de l'air. Mais l'atmosphère n'a pas de limite définie et la densité de l'air est hauteur différente différent. Cependant, la pression atmosphérique peut être mesurée à l'aide d'une expérience proposée au 17ème siècle par un scientifique italien. Evangéliste Torricelli élève de Galilée.
L'expérience de Torricelli est la suivante : un tube de verre d'environ 1 m de long, scellé à une extrémité, est rempli de mercure. Puis, fermant hermétiquement la deuxième extrémité du tube, il est retourné et descendu dans une coupelle contenant du mercure, où cette extrémité du tube est ouverte sous le niveau de mercure. Comme dans toute expérience liquide, une partie du mercure est versée dans la coupelle et une partie reste dans le tube. La hauteur de la colonne de mercure restant dans le tube est d'environ 760 mm. Il n'y a pas d'air au-dessus du mercure à l'intérieur du tube, il y a un espace sans air, donc aucun gaz n'exerce de pression par le haut sur la colonne de mercure à l'intérieur de ce tube et n'affecte pas les mesures.
Torricelli, qui a proposé l'expérience décrite ci-dessus, a également donné son explication. L'atmosphère appuie sur la surface du mercure dans la coupelle. Mercure est en équilibre. Cela signifie que la pression dans le tube est aa 1 (voir figure) est égal à la pression atmosphérique. Lorsque la pression atmosphérique change, la hauteur de la colonne de mercure dans le tube change également. Lorsque la pression augmente, la colonne s'allonge. Lorsque la pression diminue, la colonne de mercure diminue de hauteur.
La pression dans le tube au niveau aa1 est créée par le poids de la colonne de mercure dans le tube, car il n'y a pas d'air au-dessus du mercure dans la partie supérieure du tube. D'où il suit que la pression atmosphérique est égale à la pression de la colonne de mercure dans le tube , c'est à dire.
p ATM = p Mercure.
Plus la pression atmosphérique est élevée, plus la colonne de mercure est élevée dans l'expérience de Torricelli. Par conséquent, en pratique, la pression atmosphérique peut être mesurée par la hauteur de la colonne de mercure (en millimètres ou en centimètres). Si, par exemple, la pression atmosphérique est de 780 mm Hg. De l'art. (on dit "millimètres de mercure"), cela signifie que l'air produit la même pression qu'une colonne verticale de mercure de 780 mm de haut.
Par conséquent, dans ce cas, 1 millimètre de mercure (1 mm Hg) est pris comme unité de pression atmosphérique. Trouvons la relation entre cette unité et l'unité que nous connaissons - pascal(Pennsylvanie).
La pression d'une colonne de mercure ρ de mercure d'une hauteur de 1 mm est :
p = g ρ h, p\u003d 9,8 N / kg 13 600 kg / m 3 0,001 m ≈ 133,3 Pa.
Donc 1 mmHg. De l'art. = 133,3 Pa.
Actuellement, la pression atmosphérique est généralement mesurée en hectopascals (1 hPa = 100 Pa). Par exemple, les bulletins météorologiques peuvent annoncer que la pression est de 1013 hPa, ce qui équivaut à 760 mmHg. De l'art.
En observant quotidiennement la hauteur de la colonne de mercure dans le tube, Torricelli a découvert que cette hauteur change, c'est-à-dire que la pression atmosphérique n'est pas constante, elle peut augmenter et diminuer. Torricelli a également remarqué que la pression atmosphérique est liée aux changements de temps.
Si vous attachez une échelle verticale au tube de mercure utilisé dans l'expérience de Torricelli, vous obtenez l'appareil le plus simple - baromètre à mercure (du grec. baros- lourdeur, mètreo- mesure). Il sert à mesurer la pression atmosphérique.
Baromètre - anéroïde.
En pratique, on utilise un baromètre métallique pour mesurer la pression atmosphérique, appelée anéroïde (traduit du grec - anéroïde). Le baromètre est appelé ainsi car il ne contient pas de mercure.
L'apparence de l'anéroïde est montrée sur la figure. Sa partie principale est une boîte métallique 1 avec une surface ondulée (ondulé) (voir autre fig.). De l'air est pompé hors de cette boîte, et pour que la pression atmosphérique n'écrase pas la boîte, son couvercle 2 est tiré vers le haut par un ressort. Lorsque la pression atmosphérique augmente, le couvercle fléchit vers le bas et tend le ressort. Lorsque la pression diminue, le ressort redresse le couvercle. Une flèche 4 est fixée au ressort au moyen d'un mécanisme de transmission 3, qui se déplace vers la droite ou vers la gauche lorsque la pression change. Une échelle est fixée sous la flèche dont les divisions sont marquées selon les indications d'un baromètre à mercure. Ainsi, le nombre 750, contre lequel se dresse la flèche anéroïde (voir Fig.), montre que dans ce moment dans un baromètre à mercure, la hauteur de la colonne de mercure est de 750 mm.
Par conséquent, la pression atmosphérique est de 750 mm Hg. De l'art. ou ≈ 1000 hPa.
La valeur de la pression atmosphérique est très importante pour prédire le temps des jours à venir, car les changements de pression atmosphérique sont associés aux changements de temps. Baromètre - appareil nécessaire pour les observations météorologiques.
Pression atmosphérique à différentes altitudes.
Dans un liquide, la pression, on le sait, dépend de la densité du liquide et de la hauteur de sa colonne. En raison de la faible compressibilité, la densité du liquide à différentes profondeurs est presque la même. Par conséquent, lors du calcul de la pression, nous considérons que sa densité est constante et ne prenons en compte que le changement de hauteur.
La situation est plus compliquée avec les gaz. Les gaz sont hautement compressibles. Et plus le gaz est comprimé, plus sa densité est grande et plus la pression qu'il produit est importante. Après tout, la pression d'un gaz est créée par l'impact de ses molécules sur la surface du corps.
Les couches d'air près de la surface de la Terre sont comprimées par toutes les couches d'air sus-jacentes au-dessus d'elles. Mais plus la couche d'air de la surface est élevée, plus elle est faiblement comprimée, plus sa densité est faible. Par conséquent, moins il produit de pression. Si, par exemple, ballon s'élève au-dessus de la surface de la Terre, puis la pression de l'air sur la balle diminue. Cela se produit non seulement parce que la hauteur de la colonne d'air au-dessus d'elle diminue, mais aussi parce que la densité de l'air diminue. Il est plus petit en haut qu'en bas. Par conséquent, la dépendance de la pression atmosphérique à l'altitude est plus compliquée que celle des liquides.
Les observations montrent que la pression atmosphérique dans les zones situées au niveau de la mer est en moyenne de 760 mm Hg. De l'art.
Une pression atmosphérique égale à la pression d'une colonne de mercure de 760 mm de haut à une température de 0°C est appelée pression atmosphérique normale..
pression atmosphérique normale est égal à 101 300 Pa = 1013 hPa.
Plus l'altitude est élevée, plus la pression est faible.
Avec de petites élévations, en moyenne, pour chaque 12 m d'élévation, la pression diminue de 1 mm Hg. De l'art. (ou 1,33 hPa).
Connaissant la dépendance de la pression à l'altitude, il est possible de déterminer la hauteur au-dessus du niveau de la mer en modifiant les lectures du baromètre. Les anéroïdes ayant une échelle sur laquelle vous pouvez mesurer directement la hauteur au-dessus du niveau de la mer sont appelés altimètres . Ils sont utilisés dans l'aviation et lors de l'escalade de montagnes.
Manomètres.
Nous savons déjà que les baromètres sont utilisés pour mesurer la pression atmosphérique. Pour mesurer des pressions supérieures ou inférieures à la pression atmosphérique, le manomètres (du grec. Manos- rare, discret mètreo- mesure). Les manomètres sont liquide et métal.
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Considérez d'abord l'appareil et l'action manomètre à liquide ouvert. Il se compose d'un tube de verre à deux pattes dans lequel un liquide est versé. Le liquide est installé dans les deux genoux au même niveau, puisque seule la pression atmosphérique agit à sa surface dans les genoux de la cuve.
Pour comprendre le fonctionnement d'un tel manomètre, il peut être connecté avec un tube en caoutchouc à une boîte plate ronde dont un côté est recouvert d'un film en caoutchouc. Si vous appuyez votre doigt sur le film, le niveau de liquide dans le genou du manomètre connecté dans la boîte diminuera et dans l'autre genou, il augmentera. Qu'est-ce qui explique cela ?
Appuyer sur le film augmente la pression d'air dans la boîte. Selon la loi de Pascal, cette augmentation de pression est également transmise au liquide dans ce coude du manomètre, qui est fixé au boîtier. Par conséquent, la pression sur le liquide dans ce coude sera plus importante que dans l'autre, où seule la pression atmosphérique agit sur le liquide. Sous la force de cette surpression, le liquide va se mettre en mouvement. Dans le genou avec de l'air comprimé, le liquide tombera, dans l'autre il montera. Le fluide s'équilibrera (s'arrêtera) lorsque surpression l'air comprimé sera équilibré par la pression qui produit une colonne de liquide en excès dans l'autre branche du manomètre.
Plus la pression sur le film est forte, plus la colonne de liquide en excès est élevée, plus sa pression est importante. Ainsi, le changement de pression peut être jugé par la hauteur de cette colonne en excès.
La figure montre comment un tel manomètre peut mesurer la pression à l'intérieur d'un liquide. Plus le tube est profondément immergé dans le liquide, plus la différence de hauteur des colonnes de liquide dans les coudes du manomètre est grande., donc, donc, et le fluide produit plus de pression.
Si vous installez le boîtier de l'appareil à une certaine profondeur à l'intérieur du liquide et que vous le tournez avec un film vers le haut, sur le côté et vers le bas, les lectures du manomètre ne changeront pas. C'est comme ça que ça devrait être, parce que au même niveau à l'intérieur d'un liquide, la pression est la même dans toutes les directions.
L'image montre manomètre en métal . La partie principale d'un tel manomètre est un tube métallique plié dans un tuyau 1 , dont une extrémité est fermée. L'autre extrémité du tube avec un robinet 4 communique avec le récipient dans lequel la pression est mesurée. Lorsque la pression augmente, le tube fléchit. Mouvement de son extrémité fermée avec un levier 5 et engrenages 3 passé au tireur 2 se déplaçant autour de l'échelle de l'instrument. Lorsque la pression diminue, le tube, en raison de son élasticité, revient à sa position précédente et la flèche revient à la division zéro de l'échelle.
Pompe à liquide à piston.
Dans l'expérience que nous avons considérée plus haut (§ 40), on a constaté que de l'eau contenue dans un tube de verre, sous l'action de la pression atmosphérique, montait derrière le piston. Cette action est basée piston pompes.
La pompe est représentée schématiquement sur la figure. Il se compose d'un cylindre, à l'intérieur duquel monte et descend, adhérant étroitement aux parois de la cuve, le piston 1 . Les soupapes sont installées dans la partie inférieure du cylindre et dans le piston lui-même. 2 ouverture uniquement vers le haut. Lorsque le piston se déplace vers le haut, l'eau pénètre dans la conduite sous l'action de la pression atmosphérique, soulève le clapet inférieur et se déplace derrière le piston.
Lorsque le piston descend, l'eau sous le piston appuie sur la soupape inférieure et celle-ci se ferme. En même temps, sous la pression de l'eau, une soupape à l'intérieur du piston s'ouvre et l'eau s'écoule dans l'espace au-dessus du piston. Avec le mouvement suivant du piston vers le haut, l'eau au-dessus monte également à l'endroit avec elle, qui se déverse dans le tuyau de sortie. En même temps, une nouvelle portion d'eau monte derrière le piston, qui, lorsque le piston est ensuite abaissé, sera au-dessus de lui, et toute cette procédure est répétée encore et encore pendant que la pompe fonctionne.
Presse hydraulique.
La loi de Pascal permet d'expliquer l'action machine hydraulique (du grec. hydrauliques- l'eau). Ce sont des machines dont l'action est basée sur les lois du mouvement et de l'équilibre des liquides.
La partie principale de la machine hydraulique est constituée de deux cylindres de diamètres différents, équipés de pistons et d'un tube de raccordement. L'espace sous les pistons et le tube sont remplis de liquide (généralement huile minérale). Les hauteurs des colonnes de liquide dans les deux cylindres sont les mêmes tant qu'il n'y a pas de forces agissant sur les pistons.
Supposons maintenant que les forces F 1 et F 2 - forces agissant sur les pistons, S 1 et S 2 - zones de pistons. La pression sous le premier (petit) piston est p 1 = F 1 / S 1 , et sous le second (grand) p 2 = F 2 / S 2. Selon la loi de Pascal, la pression d'un fluide au repos se transmet également dans toutes les directions, c'est-à-dire p 1 = p 2 ou F 1 / S 1 = F 2 / S 2 , d'où :
F 2 / F 1 = S 2 / S 1 .
Par conséquent, la force F 2 tellement plus de puissance F 1 , Combien de fois la surface du gros piston est-elle plus grande que la surface du petit piston ?. Par exemple, si la surface du gros piston est de 500 cm 2 et celle du petit de 5 cm 2 et qu'une force de 100 N agit sur le petit piston, alors une force 100 fois plus grande agira sur le piston plus gros, c'est-à-dire 10 000 N.
Ainsi, à l'aide d'une machine hydraulique, il est possible d'équilibrer une grande force avec une petite force.
Attitude F 1 / F 2 montre le gain en force. Par exemple, dans l'exemple ci-dessus, le gain en force est de 10 000 N / 100 N = 100.
La machine hydraulique utilisée pour presser (presser) s'appelle presse hydraulique .
Les presses hydrauliques sont utilisées là où beaucoup de puissance est nécessaire. Par exemple, pour presser l'huile des graines dans les moulins à huile, pour presser le contreplaqué, le carton, le foin. Les aciéries utilisent des presses hydrauliques pour fabriquer des arbres de machine en acier, des roues de chemin de fer et de nombreux autres produits. Les presses hydrauliques modernes peuvent développer une force de dizaines et de centaines de millions de newtons.
Appareil presse hydraulique représenté schématiquement sur la figure. Le corps à presser 1 (A) est placé sur une plate-forme reliée à un gros piston 2 (B). Le petit piston 3 (D) crée une grande pression sur le liquide. Cette pression est transmise en tout point du fluide remplissant les cylindres. Par conséquent, la même pression agit sur le deuxième gros piston. Mais comme la surface du 2e (grand) piston est plus grande que la surface du petit, la force agissant sur celui-ci sera supérieure à la force agissant sur le piston 3 (D). Sous cette force, le piston 2 (B) va monter. Lorsque le piston 2 (B) remonte, le corps (A) s'appuie contre la plate-forme supérieure fixe et se comprime. Le manomètre 4 (M) mesure la pression du fluide. Soupape de sécurité 5 (P) s'ouvre automatiquement lorsque la pression du fluide dépasse la valeur admissible.
D'un petit cylindre à un gros liquide est pompé par des mouvements répétés du petit piston 3 (D). Cela se fait de la manière suivante. Lorsque le petit piston (D) est soulevé, la vanne 6 (K) s'ouvre et le liquide est aspiré dans l'espace sous le piston. Lorsque le petit piston est abaissé sous l'action de la pression du liquide, la vanne 6 (K) se ferme, et la vanne 7 (K") s'ouvre, et le liquide passe dans un grand récipient.
L'action de l'eau et du gaz sur un corps qui y est immergé.
Sous l'eau, nous pouvons facilement soulever une pierre qui peut difficilement être soulevée dans les airs. Si vous submergez le bouchon sous l'eau et le relâchez de vos mains, il flottera. Comment expliquer ces phénomènes ?
On sait (§ 38) que le liquide appuie sur le fond et les parois du vase. Et si un corps solide est placé à l'intérieur du liquide, il sera également soumis à une pression, comme les parois du récipient.
Considérez les forces qui agissent du côté du liquide sur le corps qui y est immergé. Pour faciliter le raisonnement, on choisit un corps qui a la forme d'un parallélépipède avec des bases parallèles à la surface du liquide (Fig.). Les forces agissant sur les faces latérales du corps sont égales deux à deux et s'équilibrent. Sous l'influence de ces forces, le corps est comprimé. Mais les forces agissant sur les faces supérieure et inférieure du corps ne sont pas les mêmes. Sur la face supérieure appuie d'en haut avec force F 1 colonne de liquide tall h une . Au niveau de la face inférieure, la pression produit une colonne de liquide d'une hauteur h 2. Cette pression, on le sait (§ 37), se transmet à l'intérieur du liquide dans toutes les directions. Par conséquent, sur la face inférieure du corps de bas en haut avec une force F 2 presses une colonne de liquide haute h 2. Mais h 2 plus h 1 , d'où le module de force F 2 modules de puissance supplémentaires F une . Par conséquent, le corps est poussé hors du liquide avec une force F vyt, égal à la différence des forces F 2 - F 1 , c'est-à-dire
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Mais S·h = V, où V est le volume du parallélépipède, et ρ W ·V = m W est la masse de fluide dans le volume du parallélépipède. Ainsi, F vyt \u003d g m bien \u003d P bien, c'est à dire. la force de flottabilité est égale au poids du liquide dans le volume du corps qui y est immergé(La flottabilité est égale au poids d'un liquide de même volume que le volume du corps qui y est immergé). L'existence d'une force qui pousse un corps hors d'un liquide est facile à découvrir expérimentalement. Sur l'image un montre un corps suspendu à un ressort avec un pointeur de flèche à la fin. La flèche marque la tension du ressort sur le trépied. Lorsque le corps est relâché dans l'eau, le ressort se contracte (Fig. b). La même contraction du ressort sera obtenue si vous agissez sur le corps de bas en haut avec une certaine force, par exemple, appuyez dessus avec votre main (levez-le). L'expérience confirme donc que une force agissant sur un corps dans un fluide pousse le corps hors du fluide. Pour les gaz, comme nous le savons, la loi de Pascal s'applique également. Alors les corps dans le gaz sont soumis à une force les poussant hors du gaz. Sous l'influence de cette force, les ballons s'élèvent. L'existence d'une force poussant un corps hors d'un gaz peut également être observée expérimentalement. Nous accrochons une boule de verre ou un grand flacon fermé par un bouchon de liège à une casserole à échelle réduite. Les balances sont équilibrées. Ensuite, un récipient large est placé sous le flacon (ou boule) de sorte qu'il entoure tout le flacon. Le récipient est rempli de dioxyde de carbone, dont la densité est supérieure à la densité de l'air (par conséquent, le dioxyde de carbone coule et remplit le récipient, en en déplaçant l'air). Dans ce cas, l'équilibre de la balance est perturbé. Une tasse avec un flacon suspendu se lève (Fig.). Un ballon plongé dans du dioxyde de carbone subit une force de flottabilité supérieure à celle qui agit sur lui dans l'air. La force qui pousse un corps hors d'un liquide ou d'un gaz est dirigée à l'opposé de la force de gravité appliquée à ce corps. Par conséquent, prolcosmos). Cela explique pourquoi dans l'eau on soulève parfois facilement des corps que l'on peut difficilement maintenir en l'air. Un petit seau et un corps cylindrique sont suspendus au ressort (Fig., a). La flèche sur le trépied marque l'extension du ressort. Il montre le poids du corps dans l'air. Après avoir soulevé le corps, un récipient de vidange est placé en dessous, rempli de liquide jusqu'au niveau du tube de vidange. Après cela, le corps est complètement immergé dans le liquide (Fig., b). Où une partie du liquide dont le volume est égal au volume du corps est versée d'un récipient verseur dans un verre. Le ressort se contracte et l'aiguille du ressort se lève pour indiquer la diminution du poids du corps dans le liquide. Dans ce cas, en plus de la force de gravité, une autre force agit sur le corps, le poussant hors du fluide. Si le liquide du verre est versé dans le seau supérieur (c'est-à-dire celui qui a été déplacé par le corps), le pointeur à ressort reviendra à sa position initiale (Fig., c).
Sur la base de cette expérience, on peut conclure que la force qui pousse un corps complètement immergé dans un liquide est égale au poids du liquide dans le volume de ce corps . Nous sommes parvenus à la même conclusion au § 48. Si une expérience similaire était faite avec un corps immergé dans un gaz, cela montrerait que la force poussant le corps hors du gaz est également égale au poids du gaz pris dans le volume du corps . La force qui pousse un corps hors d'un liquide ou d'un gaz s'appelle Force d'Archimède , en l'honneur du scientifique Archimède qui le premier a souligné son existence et calculé sa signification. Ainsi, l'expérience a confirmé que la force d'Archimède (ou flottabilité) est égale au poids du fluide dans le volume du corps, c'est-à-dire F Un = P f = g m Bien. La masse de liquide m f , déplacée par le corps, peut être exprimée en fonction de sa densité ρ w et du volume du corps V t immergé dans le liquide (puisque V l - le volume de liquide déplacé par le corps est égal à V t - le volume du corps immergé dans le liquide), c'est-à-dire m W = ρ W V t. On obtient alors : F A= g ρ F · V t La force d'Archimède dépend donc de la densité du liquide dans lequel le corps est plongé, et du volume de ce corps. Mais cela ne dépend pas, par exemple, de la densité de la substance d'un corps immergé dans un liquide, puisque cette quantité n'est pas incluse dans la formule résultante. Déterminons maintenant le poids d'un corps immergé dans un liquide (ou un gaz). Puisque les deux forces agissant sur le corps dans ce cas sont dirigées dans des directions opposées (la gravité est vers le bas et la force d'Archimède est vers le haut), alors le poids du corps dans le fluide P 1 sera Moins de poids corps dans le vide P = gà la force d'Archimède F Un = g m w (où m w est la masse de liquide ou de gaz déplacée par le corps). Ainsi, si un corps est immergé dans un liquide ou un gaz, alors il perd dans son poids autant que le liquide ou le gaz déplacé par lui pèse. Exemple. Déterminez la force de flottabilité agissant sur une pierre d'un volume de 1,6 m 3 dans l'eau de mer. Écrivons l'état du problème et résolvons-le. Lorsque le corps flottant atteint la surface du liquide, puis avec son mouvement vers le haut, la force d'Archimède diminuera. Pourquoi? Mais parce que le volume de la partie du corps immergée dans le liquide va diminuer, et la force d'Archimède est égale au poids du liquide dans le volume de la partie du corps qui y est immergée. Lorsque la force d'Archimède devient égale à la force de gravité, le corps s'arrête et flotte à la surface du liquide, partiellement immergé dans celui-ci. La conclusion qui en résulte est facile à vérifier expérimentalement. Versez de l'eau dans le récipient de vidange jusqu'au niveau du tuyau de vidange. Après cela, immergeons le corps flottant dans le navire, après l'avoir préalablement pesé dans les airs. Une fois descendu dans l'eau, le corps déplace un volume d'eau égal au volume de la partie du corps qui y est immergée. Après avoir pesé cette eau, nous constatons que son poids (force d'Archimède) est égal à la force de gravité agissant sur un corps flottant, ou au poids de ce corps dans l'air. Après avoir fait les mêmes expériences avec n'importe quel autre corps flottant dans différents liquides - dans l'eau, l'alcool, la solution saline, vous pouvez vous assurer que si un corps flotte dans un liquide, alors le poids du liquide déplacé par lui est égal au poids de ce corps dans l'air. Il est facile de prouver que si la densité d'un solide solide est supérieure à la densité d'un liquide, alors le corps s'enfonce dans un tel liquide. Un corps de moindre densité flotte dans ce liquide. Un morceau de fer, par exemple, coule dans l'eau mais flotte dans le mercure. Le corps, par contre, dont la densité est égale à la densité du liquide, reste en équilibre à l'intérieur du liquide. La glace flotte à la surface de l'eau car sa densité est inférieure à celle de l'eau. Plus la densité du corps est faible par rapport à la densité du liquide, plus la partie du corps est immergée dans le liquide . Avec des densités égales du corps et du liquide, le corps flotte à l'intérieur du liquide à n'importe quelle profondeur. Deux liquides non miscibles, par exemple de l'eau et du kérosène, sont situés dans un récipient en fonction de leurs densités: dans la partie inférieure du récipient - eau plus dense (ρ = 1000 kg / m 3), en haut - kérosène plus léger (ρ = 800 kg/m 3) . La densité moyenne des organismes vivants habitant le milieu aquatique diffère peu de la densité de l'eau, de sorte que leur poids est presque complètement équilibré par la force d'Archimède. Grâce à cela, les animaux aquatiques n'ont pas besoin de squelettes aussi solides et massifs que les terrestres. Pour la même raison, les troncs des plantes aquatiques sont élastiques. La vessie natatoire d'un poisson change facilement de volume. Lorsque le poisson descend à une grande profondeur à l'aide de muscles et que la pression de l'eau augmente, la bulle se contracte, le volume du corps du poisson diminue et il ne pousse pas vers le haut, mais nage dans les profondeurs. Ainsi, le poisson peut, dans certaines limites, réguler la profondeur de son plongeon. Les baleines régulent leur profondeur de plongée en contractant et en augmentant leur capacité pulmonaire. Bateau à voile.Les navires naviguant sur les rivières, les lacs, les mers et les océans sont construits à partir de différents matériaux avec des densités différentes. La coque est généralement constituée de tôles d'acier. Toutes les attaches internes qui donnent de la force aux navires sont également en métal. Utilisé pour construire des bateaux divers matériaux, qui ont des densités à la fois supérieures et inférieures à celles de l'eau. Comment les navires flottent-ils, embarquent-ils et transportent-ils de grosses charges ? Une expérience avec un corps flottant (§ 50) a montré que le corps déplace tellement d'eau avec sa partie sous-marine que cette eau est égale en poids au poids du corps dans l'air. Ceci est également vrai pour n'importe quel navire. Le poids de l'eau déplacée par la partie sous-marine du navire est égal au poids du navire avec la cargaison dans l'air ou à la force de gravité agissant sur le navire avec la cargaison. La profondeur à laquelle un navire est immergé dans l'eau s'appelle ébauche . Le tirant d'eau autorisé le plus profond est indiqué sur la coque du navire par une ligne rouge appelée ligne de flottaison (du néerlandais. l'eau- l'eau). Le poids de l'eau déplacée par le navire lorsqu'il est immergé jusqu'à la ligne de flottaison, égal à la force de gravité agissant sur le navire avec sa cargaison, est appelé le déplacement du navire. À l'heure actuelle, des navires d'un déplacement de 5 000 000 kN (5 10 6 kN) et plus sont construits pour le transport de pétrole, c'est-à-dire d'une masse de 500 000 tonnes (5 10 5 t) et plus avec la cargaison. Si nous soustrayons le poids du navire lui-même du déplacement, nous obtenons alors la capacité de charge de ce navire. La capacité de charge indique le poids de la cargaison transportée par le navire. La construction navale existe depuis L'Egypte ancienne, en Phénicie (on pense que les Phéniciens étaient l'un des meilleurs constructeurs de navires), la Chine ancienne. En Russie, la construction navale est née au tournant des XVIIe et XVIIIe siècles. Des navires de guerre ont été principalement construits, mais c'est en Russie que le premier brise-glace, des navires à moteur à combustion interne et le brise-glace nucléaire Arktika ont été construits. Aéronautiques.
Dessin décrivant le bal des frères Montgolfier en 1783 : « Vue et dimensions exactes"Aérostat Terre« Qui était le premier. 1786 Depuis l'Antiquité, les gens rêvaient de pouvoir voler au-dessus des nuages, de nager dans l'océan d'air, comme ils naviguaient sur la mer. Pour l'aéronautique Au début, on utilisait des ballons remplis soit d'air chauffé, soit d'hydrogène ou d'hélium. Pour qu'un ballon s'élève dans les airs, il faut que la force d'Archimède (flottabilité) F A, agissant sur le ballon, était plus que la gravité F lourd, c'est-à-dire F Un > F lourd Au fur et à mesure que la balle monte, la force d'Archimède agissant sur elle diminue ( F Un = gρV), car la densité de la haute atmosphère est inférieure à celle de la surface de la Terre. Pour s'élever plus haut, un lest spécial (poids) est lâché de la balle et cela allège la balle. Finalement, la balle atteint sa hauteur de levage maximale. Pour abaisser la balle de sa coque à l'aide vanne spéciale une partie du gaz est libérée. Dans le sens horizontal, le ballon ne se déplace que sous l'influence du vent, il s'appelle donc ballon (du grec air- air, état- debout). Il n'y a pas si longtemps, d'énormes ballons étaient utilisés pour étudier les couches supérieures de l'atmosphère, la stratosphère - stratostats . Avant d'apprendre à construire gros avions pour le transport aérien de passagers et de fret, des ballons contrôlés ont été utilisés - dirigeables. Ils ont une forme allongée, une gondole avec un moteur est suspendue sous le corps, qui entraîne l'hélice. Non seulement le ballon s'élève de lui-même, mais il peut aussi transporter du fret : une cabine, des personnes, des instruments. Par conséquent, afin de savoir quel type de charge un ballon peut soulever, il est nécessaire de le déterminer. force de levage. Supposons, par exemple, qu'un ballon d'un volume de 40 m 3 rempli d'hélium soit lancé dans les airs. La masse d'hélium remplissant l'enveloppe du ballon sera égale à : Cela signifie que cette boule peut soulever une charge pesant 520 N - 71 N = 449 N. C'est sa force de levage. Un ballon de même volume, mais rempli d'hydrogène, peut soulever une charge de 479 N. Cela signifie que sa force de levage est supérieure à celle d'un ballon rempli d'hélium. Mais encore, l'hélium est utilisé plus souvent, car il ne brûle pas et est donc plus sûr. L'hydrogène est un gaz combustible. Il est beaucoup plus facile de faire monter et descendre un ballon rempli d'air chaud. Pour cela, un brûleur est situé sous le trou situé dans la partie inférieure de la boule. Avec de l'aide brûleur à gaz il est possible de réguler la température de l'air à l'intérieur du ballon, et donc sa densité et sa flottabilité. Pour que la balle monte plus haut, il suffit de chauffer plus fortement l'air qu'elle contient, augmentant ainsi la flamme du brûleur. Lorsque la flamme du brûleur diminue, la température de l'air dans la boule diminue et la boule descend. Il est possible de choisir une telle température du ballon à laquelle le poids du ballon et de la cabine sera égal à la force de flottabilité. Ensuite, la balle sera suspendue dans les airs et il sera facile d'en faire des observations. Au fur et à mesure que la science se développait, il y avait aussi des changements importants dans la technologie aéronautique. Il est devenu possible d'utiliser de nouvelles coques pour les ballons, qui sont devenues durables, résistantes au gel et légères. Les réalisations dans le domaine de l'ingénierie radio, de l'électronique, de l'automatisation ont permis de concevoir des ballons sans pilote. Ces ballons sont utilisés pour l'étude des courants d'air, pour la recherche géographique et biomédicale dans les basses couches de l'atmosphère. Pour comprendre ce qu'est la pression en physique, considérons un exemple simple et familier. Qui? Dans une situation où nous devons couper une saucisse, nous utiliserons l'objet le plus pointu - un couteau, et non une cuillère, un peigne ou un doigt. La réponse est évidente - le couteau est plus tranchant et toute la force que nous appliquons est répartie le long du bord très fin du couteau, apportant effet maximal sous la forme d'une séparation d'une partie d'un objet, c'est-à-dire saucisses. Un autre exemple - nous nous tenons sur de la neige meuble. Les jambes lâchent, la marche est extrêmement inconfortable. Pourquoi alors les skieurs se précipitent-ils devant nous avec aisance et à grande vitesse, sans se noyer et sans s'emmêler dans la même neige meuble ? Il est évident que la neige est la même pour tout le monde, aussi bien pour les skieurs que pour les marcheurs, mais l'effet sur celle-ci est différent. Avec approximativement la même pression, c'est-à-dire le même poids, la surface d'appui sur la neige varie considérablement. La surface des skis est beaucoup plus grande que la surface de la semelle de la chaussure et, par conséquent, le poids est réparti sur une plus grande surface. Qu'est-ce qui nous aide ou, au contraire, nous empêche d'influencer efficacement la surface ? Pourquoi un couteau bien aiguisé coupe-t-il mieux le pain et pourquoi des skis larges et plats tiennent-ils mieux en surface, réduisant la pénétration dans la neige ? Dans le cours de physique de septième année, le concept de pression est étudié pour cela. pression en physiqueLa force appliquée à une surface est appelée force de pression. Et la pression est une grandeur physique qui est égale au rapport de la force de pression appliquée sur une surface spécifique à l'aire de cette surface. La formule de calcul de la pression en physique est la suivante : où p est la pression, Nous voyons comment la pression est notée en physique, et nous voyons aussi qu'avec la même force, la pression est plus grande lorsque la zone d'appui, ou, en d'autres termes, la zone de contact des corps en interaction, est plus petite. A l'inverse, plus la surface d'appui augmente, plus la pression diminue. C'est pourquoi un couteau plus aiguisé coupe mieux n'importe quel corps et les clous enfoncés dans un mur sont faits avec des pointes acérées. Et c'est pourquoi les skis tiennent bien mieux sur la neige que leur absence. Unités de pressionL'unité de pression est 1 newton par mètre carré - ce sont des quantités que nous connaissons déjà depuis le cours de septième année. Nous pouvons également convertir les unités de pression N / m2 en pascals, unités de mesure nommées d'après le scientifique français Blaise Pascal, qui a dérivé la loi dite de Pascal. 1 N/m = 1 Pa. En pratique, d'autres unités de pression sont également utilisées - millimètres de mercure, bars, etc. Personne n'aime être sous pression. Et peu importe laquelle. Queen a également chanté à ce sujet avec David Bowie dans leur célèbre single "Under pressure". Qu'est-ce que la pression ? Comment comprendre la pression ? En quoi elle est mesurée, par quels instruments et méthodes, où elle est dirigée et sur quoi elle appuie. Les réponses à ces questions et à d'autres - dans notre article sur pression en physique et pas seulement. Si le professeur vous met la pression en vous posant des problèmes délicats, nous veillerons à ce que vous puissiez y répondre correctement. Après tout, comprendre l'essence des choses est la clé du succès ! Qu'est-ce que la pression en physique ? A-prieuré :
À système international SI est mesuré en pascals et est marqué de la lettre p . Unité de pression - 1 Pascal. Désignation russe - Pennsylvanie, international - Pennsylvanie.
Selon la définition, pour trouver la pression, vous devez diviser la force par la surface. Tout liquide ou gaz placé dans un récipient exerce une pression sur les parois du récipient. Par exemple, le bortsch dans une casserole agit sur son fond et ses parois avec une certaine pression. Formule pour déterminer la pression du fluide :
où g- accélération chute libre dans le champ gravitationnel de la terre, h- la hauteur de la colonne de bortsch dans la casserole, lettre grecque "ro"- la densité du bortsch. L'instrument le plus couramment utilisé pour mesurer la pression est le baromètre. Mais en quoi la pression est-elle mesurée ? Outre le pascal, il existe d'autres unités de mesure hors système :
Selon le contexte, différentes unités hors système sont utilisées. Par exemple, lorsque vous écoutez ou lisez la météo, il n'est pas question de Pascals. Ils parlent de millimètres de mercure. Un millimètre de mercure est 133 Pascal. Si vous conduisez, vous savez probablement que la pression normale des pneus voiture de voyageurs- Environ deux ambiances.  Pression atmosphériqueL'atmosphère est un gaz, plus précisément un mélange de gaz qui est maintenu près de la Terre en raison de la gravité. L'atmosphère passe progressivement dans l'espace interplanétaire et sa hauteur est d'environ 100 kilomètres. Comment comprendre l'expression « pression atmosphérique » ? sur chaque mètre carré La surface de la Terre est une colonne de gaz de cent kilomètres. Bien sûr, l'air est transparent et agréable, mais il a une masse qui appuie sur la surface de la terre. C'est la pression atmosphérique. La pression atmosphérique normale est considérée comme égale à 101325 Pennsylvanie. C'est la pression au niveau de la mer à 0 degré Celsius. Celsius. La même pression à la même température est exercée à sa base par une colonne de mercure de hauteur 766 millimètres. Plus l'altitude est élevée, plus la pression atmosphérique est basse. Par exemple, au sommet d'une montagne Chomolungma c'est seulement un quart de la pression atmosphérique normale.  Pression artérielleUn autre exemple où nous subissons des pressions dans Vie courante est une mesure de la tension artérielle.
Si vous avez mesuré votre tension artérielle et que vous l'avez 120 sur le 80 , alors tout va bien. Si un 90 sur le 50 ou alors 240 sur le 180 , alors il ne sera certainement pas intéressant pour vous de comprendre en quoi cette pression est mesurée et ce qu'elle signifie généralement.  Cependant, la question se pose : 120 sur le 80 quoi exactement? Pascals, millimètres de mercure, atmosphères ou autres unités de mesure ? La tension artérielle est mesurée en millimètres de mercure. Il détermine la surpression du liquide dans système circulatoire au-dessus de la pression atmosphérique. Le sang exerce une pression sur les vaisseaux et compense ainsi l'effet de la pression atmosphérique. Sinon, nous serions tout simplement écrasés par une énorme masse d'air au-dessus de nous. Mais pourquoi dans la dimension pression artérielle deux nombres ? D'ailleurs! Pour nos lecteurs, il y a maintenant une remise de 10% sur Le fait est que le sang ne se déplace pas uniformément dans les vaisseaux, mais par à-coups. Le premier chiffre (120) est appelé systolique pression. C'est la pression sur les parois des vaisseaux sanguins au moment de la contraction du muscle cardiaque, sa valeur est la plus grande. Le deuxième chiffre (80) définit plus petite valeur et appelé diastolique pression. Lors de la mesure, les valeurs des pressions systolique et diastolique sont enregistrées. Par exemple, pour personne en bonne santé une valeur de tension artérielle typique est de 120 à 80 millimètres de mercure. Cela signifie que la pression systolique est de 120 mm. rt. Art., et diastolique - 80 mm Hg. De l'art. La différence entre la pression systolique et diastolique est appelée pression pulsée. vide physiqueLe vide est l'absence de pression. Plus précisément, son absence quasi totale. Le vide absolu est une approximation, comme un gaz parfait en thermodynamique et point matériel en mécanique. Selon la concentration de la substance, on distingue les vides faible, moyen et poussé. La meilleure approximation du vide physique est espace, dans lequel la concentration de molécules et la pression sont minimales.  La pression est le principal paramètre thermodynamique de l'état du système. Il est possible de déterminer la pression de l'air ou d'un autre gaz non seulement à l'aide d'instruments, mais également à l'aide d'équations, de formules et de lois de la thermodynamique. Et si vous n'avez pas le temps de le découvrir, le service étudiant vous aidera à résoudre tout problème de détermination de la pression. Imaginez un cylindre scellé rempli d'air avec un piston monté sur le dessus. Si vous commencez à exercer une pression sur le piston, le volume d'air dans le cylindre commencera à diminuer, les molécules d'air entreront en collision les unes avec les autres et avec le piston de plus en plus intensément, et la pression de l'air comprimé sur le piston augmenter. Si le piston est maintenant brusquement relâché, l'air comprimé le poussera brusquement vers le haut. Cela se produira car avec une surface de piston constante, la force agissant sur le piston à partir de l'air comprimé augmentera. La surface du piston est restée inchangée et la force du côté des molécules de gaz a augmenté et la pression a augmenté en conséquence. Ou un autre exemple. Un homme se tient sur le sol, se tient debout avec les deux pieds. Dans cette position, une personne est à l'aise, elle ne ressent aucun inconvénient. Mais que se passe-t-il si cette personne décide de se tenir sur une jambe ? Il pliera une de ses jambes au niveau du genou, et maintenant il s'appuiera sur le sol avec un seul pied. Dans cette position, une personne ressentira une certaine gêne, car la pression sur le pied a augmenté, et environ 2 fois. Pourquoi? Parce que la zone à travers laquelle la gravité presse maintenant une personne au sol a diminué de 2 fois. Voici un exemple de ce qu'est la pression et à quel point elle est facile à détecter dans la vie de tous les jours.
Du point de vue de la physique, la pression est appelée quantité physique, numériquement égale à la force agissant perpendiculairement à la surface par unité de surface de la surface donnée. Par conséquent, afin de déterminer la pression en un certain point de la surface, la composante normale de la force appliquée à la surface est divisée par l'aire du petit élément de surface sur lequel agit cette force. Et pour déterminer la pression moyenne sur toute la surface, la composante normale de la force agissant sur la surface doit être divisée par superficie totale cette superficie. La pression est mesurée en pascals (Pa). Cette unité de pression tire son nom du mathématicien, physicien et écrivain français Blaise Pascal, auteur de la loi fondamentale de l'hydrostatique - la loi de Pascal, qui stipule que la pression exercée sur un liquide ou un gaz est transmise à tout point inchangé dans tous directions. Pour la première fois, l'unité de pression "pascal" a été mise en circulation en France en 1961, selon le décret sur les unités, trois siècles après la mort du savant.
Un pascal est égal à la pression exercée par une force d'un newton, uniformément répartie, et dirigée perpendiculairement à une surface d'un mètre carré. En pascals, non seulement la pression mécanique (contrainte mécanique) est mesurée, mais également le module d'élasticité, le module de Young, le module d'élasticité en vrac, la limite d'élasticité, la limite de proportionnalité, la résistance à la déchirure, la résistance au cisaillement, la pression acoustique et la pression osmotique. Traditionnellement, c'est en pascals que s'expriment les caractéristiques mécaniques les plus importantes des matériaux dans la résistance des matériaux. Atmosphère technique (at), physique (atm), kilogramme-force par centimètre carré (kgf/cm2) En plus du pascal, d'autres unités (hors système) sont également utilisées pour mesurer la pression. L'une de ces unités est « l'atmosphère » (at). Une pression d'une atmosphère est approximativement égale à la pression atmosphérique à la surface de la Terre au niveau de la mer. Aujourd'hui, « atmosphère » s'entend de l'atmosphère technique (at).
L'atmosphère technique (at) est la pression produite par un kilogramme-force (kgf) réparti uniformément sur une surface d'un centimètre carré. Et un kilogramme-force, à son tour, est égal à la force de gravité agissant sur un corps d'une masse d'un kilogramme dans des conditions d'accélération de chute libre égales à 9,80665 m/s2. Un kilogramme-force est donc égal à 9,80665 Newton, et 1 atmosphère s'avère être exactement égale à 98066,5 Pa. 1 à = 98066,5 Pa. Dans les atmosphères, par exemple, la pression dans pneus de voiture, par exemple, la pression recommandée dans les pneus d'un bus de passagers GAZ-2217 est de 3 atmosphères. Il y a aussi "l'atmosphère physique" (atm), définie comme la pression d'une colonne de mercure, haute de 760 mm à sa base, étant donné que la densité du mercure est de 13595,04 kg/m3, à une température de 0°C et moins conditions d'une accélération gravitationnelle de 9, 80665 m/s2. Il s'avère donc que 1 atm \u003d 1,033233 atm \u003d 101 325 Pa. Quant au kilogramme-force par centimètre carré (kgf/cm2), cette unité de pression non systémique est égale à la pression atmosphérique normale avec une bonne précision, ce qui est parfois pratique pour évaluer divers effets. L'unité non systémique "bar" est approximativement égale à une atmosphère, mais est plus précise - exactement 100 000 Pa. Dans le système CGS, 1 bar équivaut à 1 000 000 dynes/cm2. Auparavant, le nom "bar" était porté par l'unité, désormais appelée "baryum", et égal à 0,1 Pa ou dans le système CGS 1 baryum \u003d 1 dyn / cm2. Les mots "bar", "baryum" et "baromètre" viennent du même mot grec"la gravité".
Souvent, pour mesurer la pression atmosphérique en météorologie, l'unité mbar (millibar), égale à 0,001 bar, est utilisée. Et pour mesurer la pression sur les planètes où l'atmosphère est très raréfiée - microbar (microbar), égal à 0,000001 bar. Sur les manomètres techniques, le plus souvent l'échelle comporte une graduation en bars. Millimètre de colonne de mercure (mm Hg), millimètre de colonne d'eau (mm de colonne d'eau) L'unité de mesure non systémique "millimètre de mercure" est 101325/760 = 133,3223684 Pa. Il est désigné "mm Hg", mais parfois il est désigné "torr" - en l'honneur du physicien italien, étudiant de Galilée, Evangelista Torricelli, auteur du concept de pression atmosphérique. L'unité a été formée en relation avec moyen pratique mesure de la pression atmosphérique avec un baromètre, dans lequel la colonne de mercure est en équilibre sous l'influence de la pression atmosphérique. Le mercure a une densité élevée d'environ 13 600 kg/m3 et se caractérise par une faible pression de vapeur saturante dans des conditions température ambiante, par conséquent, le mercure a été choisi pour les baromètres à un moment donné. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est d'environ 760 mm Hg, c'est cette valeur qui est désormais considérée comme la pression atmosphérique normale, égale à 101325 Pa soit une atmosphère physique, 1 atm. Autrement dit, 1 millimètre de mercure est égal à 101325/760 pascals.
En millimètres de mercure, la pression est mesurée en médecine, en météorologie et en navigation aérienne. En médecine, la pression artérielle se mesure en mmHg ; dans la technologie du vide, elle est graduée en mmHg, accompagnée de barres. Parfois, ils écrivent même juste 25 microns, c'est-à-dire des microns de mercure, si nous parlons concernant l'évacuation, et les mesures de pression sont effectuées avec des vacuomètres. Dans certains cas, des millimètres de colonne d'eau sont utilisés, puis 13,59 mm de colonne d'eau \u003d 1 mm Hg. Parfois, c'est plus rapide et pratique. Un millimètre de colonne d'eau, comme un millimètre de colonne de mercure, est une unité hors système, elle-même égale à la pression hydrostatique de 1 mm de colonne d'eau que cette colonne exerce sur fond platà une température d'eau de la colonne de 4°C. Nous recommandons également
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