Prawo Pascala dla cieczy i gazów mówi, że ciśnienie rozprzestrzeniające się w substancji nie zmienia jej siły i jest równomiernie przenoszone we wszystkich kierunkach. Substancje ciekłe i gazowe zachowują się pod ciśnieniem z pewnymi różnicami. Różnica wynika z zachowania cząstek oraz masy gazów i cieczy. W artykule rozważymy to wszystko szczegółowo za pomocą eksperymentów wizualnych.
Czy przenoszone jest ciśnienie płynu
Weźmy cylindryczne naczynie, które jest hermetycznie zamknięte od góry za pomocą tłoka. Wewnątrz znajduje się płyn, a na tłoku jest ciężar. Wywiera nacisk z siłą równą swojej wadze. To ciśnienie jest przenoszone na płyn. Jego cząsteczki, w przeciwieństwie do cząstek ciała stałego, mogą swobodnie poruszać się względem siebie. Nie ma ścisłego porządku w ich rozmieszczeniu, są rozrzucone losowo.
Wiedza o funkcjachRuch cząstek różnych substancji w przyszłości pomoże nam zrozumieć prawo Pascala dla cieczy i gazów. Jak zachowają się cząsteczki cieczy, jeśli działamy na nie siłą nacisku ciężarka? Doświadczenie pomoże nam odpowiedzieć na to pytanie.
Jak zachowuje się płyn pod ciśnieniem
Wzorem płynu będą kulki szklane, a modelem naczynia będzie pudełko bez pokrywki. Kulki, a także drobinki płynnej substancji, poruszają się swobodnie w pojemnikach. Weź dowolny przedmiot, który ma taką samą szerokość jak szerokość pudełka. Będzie imitował tłok.
Naciśnij tłok na płyn. Jak zachowują się jego cząsteczki? Widzimy, że naciskają one zarówno na dno pojemnika, jak i na jego ścianki. Popychają się nawzajem i próbują wypaść z pudełka. Gdyby to była prawdziwa ciecz, miałaby tendencję do wylewania się z naczynia. Później, studiując prawo Pascala dla cieczy i gazów, zobaczymy to w praktyce. Dzięki temu, że cząsteczki poruszają się swobodnie, nacisk wywierany przez ciężar przenoszony jest zarówno na boki, jak i na dół. A co się stanie, jeśli zastąpisz ciecz gazem?
Jak zachowuje się powietrze pod ciśnieniem
Powiedzmy, że mamy cylinder z tłokiem wypełnionym powietrzem. Umieść ciężarek na tłoku. Jak ciśnienie podawane jest na przesyłany gaz? Gdy tłok porusza się w dół, odległość między cząsteczkami w górnej części gazu zmniejsza się, ale nie na długo. Prędkość cząsteczek gazu wynosi setki metrów na sekundę. Odległość między nimi jest znacznie większa niż ich wielkość. Poruszają się w losowych kierunkach i zderzają się ze sobą.
Kiedy tłokspada, cząstki są po prostu zamykane w mniejszej objętości. W efekcie częściej uderzają o ściany naczynia, a wraz ze spadkiem objętości gazu wzrasta jego ciśnienie. Trzeba o tym postulacie pamiętać, aby później łatwiej było zrozumieć prawo Pascala dla cieczy i gazów. Liczba uderzeń na sekundę na centymetr kwadratowy jest prawie taka sama. Oznacza to, że ciśnienie wytwarzane przez tłok jest przenoszone we wszystkich kierunkach bez zmian.
Przenoszenie ciśnienia w różnych kierunkach
Prawo Pascala, przenoszenie ciśnienia przez ciecze i gazy nie może być zrozumiane, jeśli nie rozumie się jednej osobliwości: jak to jest, że naciskamy, a ciśnienie jest przenoszone zarówno w dół, jak i na boki? Ale co, jeśli rurka jest przymocowana do cylindra, czy ciśnienie będzie przez nią przenoszone w górę? Poeksperymentujmy.
Weź dwie strzykawki napełnione wodą i połącz je rurką. Przyjrzyjmy się, jak ciśnienie będzie przenoszone przez płyn znajdujący się w strzykawkach. Naciśnij tłok jednej strzykawki. Siła nacisku na tłok, a tym samym na ciecz, skierowana jest w dół. Widzimy jednak, że tłok drugiej strzykawki unosi się. Okazuje się, że ciśnienie przenoszone przez rurkę zmienia kierunek siły. Co ciekawe, strzykawki można ustawiać nie tylko pionowo, ale także pod kątem prostym względem siebie. Wynik będzie taki sam.
Wylej wodę, a w strzykawkach będzie powietrze. Powtórzmy doświadczenie. W trakcie eksperymentu zobaczymy, że gaz przenosi również ciśnienie we wszystkich kierunkach. Z płynem jest tylko jedna różnica. Jeśli obniżysz tłok jednegostrzykawkę w dół i zamocuj ją palcem, a gdy naciśniesz tłok innej strzykawki, gaz się spręży. Jego objętość zmniejszy się około dwa razy, a tłok będzie się starał odbić. Gaz ten, dążąc do zwiększenia swojej objętości, powoduje ruch tłoka w górę. Z płynem byłoby inaczej, nie dałoby się go tak łatwo skompresować.
Prawo Pascala
Przy pomocy doświadczenia będziemy badać przenoszenie ciśnienia przez ciecze i gazy. Został wynaleziony przez francuskiego fizyka Blaise'a Pascala. Weź pustą kulę, do której przymocowana jest szklana rurka. W różnych częściach kuli (góra, bok, dół) znajdują się małe dziurki. Wewnątrz tuby umieszczony jest tłok. Jest to specjalne urządzenie do demonstrowania prawa Pascala.
Napełnij balon przez rurkę wodą, aby zobaczyć, jak się zachowuje. Chociaż grawitacja działa na kulkę od góry do dołu, strużki wody wypływają z otworów kuli pod kątem, na boki, a nawet w górę. Oczywiście odchylają się nieco od pierwotnego kierunku, ponieważ działa na nie grawitacja. Widzimy, że ciśnienie wywierane na wodę przenosi się we wszystkich kierunkach.
Jeśli zamiast wody weźmiemy dym i wykonamy to doświadczenie, na własne oczy zaobserwujemy przeniesienie ciśnienia w gazie, ponieważ dym jest gazem zabarwionym drobnymi cząstkami sadzy lub smoły. Ze względu na to, że jest bardzo lekki, nie będzie oddziaływał na niego tak bardzo grawitacja, nie będzie odchylał się od pierwotnego położenia tak bardzo, jak strumienie wody. Możemy stwierdzić, że: wywierana presjana cieczy lub gazie jest przenoszona bez zmiany siły do dowolnego punktu cieczy i gazu we wszystkich kierunkach. To jest prawo Pascala dla cieczy i gazów. Wzór: P=F/S gdzie P to ciśnienie. Jest równa stosunkowi siły F do powierzchni S, na którą działa prostopadle.
