Słynny francuski filozof, matematyk i fizyk XVII wieku Blaise Pascal wniósł ważny wkład w rozwój współczesnej nauki. Jednym z jego głównych osiągnięć było sformułowanie tzw. prawa Pascala, które wiąże się z właściwością płynnych substancji i wytworzonym przez nie ciśnieniem. Przyjrzyjmy się bliżej temu prawu.
Krótka biografia naukowca
Blaise Pascal urodził się 19 czerwca 1623 r. w Clermont-Ferrand we Francji. Jego ojciec był wiceprezesem poboru podatków i matematykiem, a matka należała do klasy burżuazyjnej. Od najmłodszych lat Pascal zaczął interesować się matematyką, fizyką, literaturą, językami i naukami religijnymi. Wynalazł mechaniczny kalkulator, który mógł wykonywać dodawanie i odejmowanie. Spędził dużo czasu na badaniu właściwości fizycznych ciał płynnych, a także na rozwijaniu koncepcji ciśnienia i próżni. Jednym z ważnych odkryć naukowca była zasada, która nosi jego imię – prawo Pascala. Blaise Pascal zmarł w 1662 w Paryżu z powodu paraliżu nóg - choroby, któraktóry towarzyszył mu od 1646 roku.
Koncepcja ciśnienia
Zanim zajmiemy się prawem Pascala, zajmijmy się taką wielkością fizyczną jak ciśnienie. Jest to skalarna wielkość fizyczna oznaczająca siłę działającą na daną powierzchnię. Gdy siła F zaczyna działać na prostopadłą do niej powierzchnię A, wówczas ciśnienie P oblicza się według wzoru: P=F / A. Ciśnienie jest mierzone w Międzynarodowym Układzie Jednostek SI w paskalach (1 Pa=1 N/m2), czyli ku czci Blaise'a Pascala, który poświęcił wiele swoich prac kwestia presji.
Jeżeli siła F działa na daną powierzchnię A nie prostopadle, ale pod pewnym kątem α do niej, to wyrażenie na ciśnienie przyjmie postać: P=Fsin(α)/A, w tym przypadku Fsin(α) jest składową prostopadłą siły F do powierzchni A.
Prawo Pascala
W fizyce to prawo można sformułować w następujący sposób:
Ciśnienie przykładane do praktycznie nieściśliwej płynnej substancji, która jest w równowadze w naczyniu o nieodkształcalnych ścianach, jest przenoszone we wszystkich kierunkach z taką samą intensywnością.
Sprawność tego prawa możesz zweryfikować w następujący sposób: musisz wziąć pustą kulę, zrobić w niej dziury w różnych miejscach, zaopatrzyć tę kulę w tłok i napełnić ją wodą. Teraz, naciskając tłokiem na wodę, możesz zobaczyć, jak wylewa się ona ze wszystkich otworów z tą samą prędkością, co oznacza, że ciśnienie wody w obszarze każdego otworu jest takie samo.
Płyny i gazy
Prawo Pascala jest sformułowane dla substancji płynnych. Pojęcie to obejmuje ciecze i gazy. Jednak w przeciwieństwie do gazów, cząsteczki tworzące ciecz znajdują się blisko siebie, co powoduje, że ciecze mają taką właściwość jak nieściśliwość.
Ze względu na właściwość nieściśliwości cieczy, gdy w określonej jej objętości powstaje skończone ciśnienie, jest ono przenoszone we wszystkich kierunkach bez utraty intensywności. Na tym właśnie polega zasada Pascala, która jest sformułowana nie tylko dla płynów, ale także dla substancji nieściśliwych.
Rozważając kwestię "ciśnienia gazu i prawa Pascala" w tym świetle, należy powiedzieć, że gazy, w przeciwieństwie do cieczy, są łatwo sprężone bez zatrzymywania objętości. Prowadzi to do tego, że gdy do określonej objętości gazu zostanie przyłożone ciśnienie zewnętrzne, to również jest ono przenoszone we wszystkich kierunkach i kierunkach, ale jednocześnie traci intensywność, a jego ubytek będzie tym silniejszy, im mniejsza gęstość gazu.
Zatem zasada Pascala obowiązuje tylko dla mediów płynnych.
Zasada Pascala i maszyna hydrauliczna
Zasada Pascala jest stosowana w różnych urządzeniach hydraulicznych. Aby skorzystać z prawa Pascala w tych urządzeniach, obowiązuje następujący wzór: P=P0+ρgh, tutaj P jest ciśnieniem, które działa w cieczy na głębokości h, ρ - to gęstość cieczy, P0 to ciśnienie przyłożone do powierzchni cieczy, g (9, 81m/s2) - przyspieszenie swobodnego spadania w pobliżu powierzchni naszej planety.
Zasada działania maszyny hydraulicznej jest następująca: dwa cylindry o różnych średnicach są ze sobą połączone. To złożone naczynie wypełnione jest pewną cieczą, taką jak olej lub woda. Każdy cylinder jest wyposażony w tłok, dzięki czemu między cylindrem a powierzchnią cieczy w zbiorniku nie pozostaje powietrze.
Załóżmy, że pewna siła F1 działa na tłok w cylindrze o mniejszym przekroju, a następnie wytwarza ciśnienie P1 =F 1/A1. Zgodnie z prawem Pascala ciśnienie P1 zostanie natychmiast przeniesione do wszystkich punktów przestrzeni wewnątrz cieczy zgodnie z powyższym wzorem. W rezultacie ciśnienie P1 z siłą F2=P1 A 2=F1A2/A1. Siła F2 będzie skierowana przeciwnie do siły F1, to znaczy będzie miała tendencję do pchania tłoka w górę, podczas gdy będzie większa niż siła F1 dokładnie tyle razy, ile różni się pole przekroju cylindrów maszyny.
Tak więc prawo Pascala pozwala podnosić duże ładunki przy użyciu małych sił równoważących, co jest rodzajem dźwigni Archimedesa.
Inne zastosowania zasady Pascala
Rozważane prawo jest stosowane nie tylko w maszynach hydraulicznych, ale znajduje zastosowanieszersze zastosowanie. Poniżej przykłady systemów i urządzeń, których działanie byłoby niemożliwe, gdyby nie obowiązywało prawo Pascala:
- W układach hamulcowych samochodów oraz w dobrze znanym systemie ABS zapobiegającym blokowaniu kół samochodu podczas hamowania, co pomaga uniknąć poślizgu i poślizgu pojazdu. Ponadto system ABS pozwala kierowcy zachować kontrolę nad pojazdem, gdy ten wykonuje hamowanie awaryjne.
- W każdym typie lodówek i systemów chłodzenia, w których substancją roboczą jest substancja płynna (freon).
