Давление жидкости

Гидростатические весы Паскаля: как работает механизм

Что будет, если внутрь сосуда, установленного на Гидростатические весы Паскаля, поместить большой и лёгкий поплавок и закрепить его за отпадающую подставку? И потом отсоединить от подставки?

Для начала читателю нужно будет вспомнить, что такое гидростатическое давление и сила Архимеда, гидростатический парадокс Паскаля и собственно гидростатические весы Паскаля.

Если высота столба жидкости одинаковая и площадь дна сосудов одинаковая, то давление жидкости на дно сосудов будет одинаковым, даже если масса жидкости в них разная.

Описание механизма

В гидростатических весах Паскаля отпадающую пружину заменим двигающимся поршнем, снизу закреплённым на жёсткой пружине. Нижнюю часть пружины закрепим на жёстком основании, а внутри пружины через техническое отверстие в основании установим рычаг, одним своим концом соединённый с поршнем, а другим концом уходящим наружу из механизма.

Устройство механизма

  • Труба, она же корпус сосуда, по которому двигается поршень.
  • Поршень
  • Жёсткая пружина
  • Поплавок
  • Крышка сосуда
  • Основание
  • Рычаг
  • Направляющие для поплавка
  • Фиксаторы для скрепления поплавка с поршнем
  • Внешняя ёмкость с жидкостью
  • Фиксаторы поршня в нижнем положении в трубе
  • Генераторы
  • Демпферы
  • Генераторная турбина
  • Клапан
  • Бак для слива жидкости
  • Электрический насос
  • Трубка

Размер поплавка максимально большой, чтобы при этом он мог поместиться в сосуде и не упираться в его стенку. Чтобы поплавок не касался стенок сосуда и двигался строго вертикально, в поршне закреплены направляющие, проходящие через поплавок и верхнюю крышку сосуда.

Если снова вспомнить опыт Паскаля с бочкой и тонкой трубкой, то большой широкий и при этом очень лёгкий полый поплавок превращает бочку в тонкую трубку, только в виде трубки будет уже узкое пространство между внешней боковой поверхностью поплавка и внутренней поверхностью сосуда, в котором двигается поршень. А маленькое пространство между поршнем и поплавком будет бочкой.

Давление жидкости

Работа гидротолкателей в двигателе: механизм и принцип работы

В начале, как показано на рисунке 1, поплавок скреплён фиксаторами с поршнем, но поршень и поплавок не плотно прилегают друг к другу и потому между ними сохраняется минимальная прослойка жидкости.

Поплавок полностью находится в жидкости, и сила Архимеда, действующая на него, так же воздействует на поршень и тянет его вверх. Вниз же на поршень давит высота столба жидкости в сосуде и собственно вес поплавка, который во много раз меньше веса жидкости в его объёме.

В этот момент пружина находится в состоянии покоя и удерживает на весу поплавок, поршень и жидкость.

При этом так как поплавок большой, но лёгкий, получается, что сила Архимеда частично почти уравновешивает давление столба жидкости на поршень.

Подъем поплавка и работа механизма

Далее, рисунки 1,2, снимается фиксация поршня с поплавком и поплавок всплывает, сразу же упираясь в верхнюю крышку. И на поршень уже не действует сила Архимеда, действующая на поплавок, так как он отсоединён от поршня.

Одновременно со снятием фиксации открывается клапан между внешней ёмкостью и сосудом, и дополнительная жидкость поступает в механизм. Это нужно, чтобы жидкость оставалась между боковой гранью поплавка и стенкой сосуда и высота столба жидкости не уменьшилась.

Работа механизма при движении поршня вниз

При движении вниз поршень так же толкает рычаг, закреплённый за него снизу, и этот рычаг делает полезную работу, к примеру вращает привод генератора или передаёт усилие на любой другой механизм. При этом, чем ниже опускается поршень, тем меньше должно быть усилие, вплоть до нуля, снимаемое с рычага, чтобы пружина прогнулась на максимальную величину.

Движение поршня и слив жидкости

В результате давление на поршень, а значит и пружину увеличивается, и поршень двигается вниз, сжимая пружину. Но так как пружина жёсткая, то он пружина прогнётся лишь незначительно и лишь небольшая часть доплнительной жидкости поступит в сосуд – рисунок 3.

Внимание!!! Как видно из рисунка 3, высота столба жидкости за счёт поступления дополнительной жидкости увеличилась лишь немного, и поступление внешней жидкости в механизм не является главной действующей силой, а больше нужной для поддержаия нужной высоты столба жидкости, хотя, тоже какое-то влияние на прогиб пружины несомненно оказывает.

Далее, рисунок 4, поршень фиксирутся фиксаторами в своём нижнем положении.

И сразу же открывается заливной клапан верхнего бокового бака и начинается слив жидкости.

Затем, рисунок 5, открывается заливной клапан среднего бокового бака и продолжается слив жидкости.

Вычисление давления жидкости

Для вычисления давления жидкости в сосуде цилиндрической формы необходимо учитывать несколько параметров. Один из них – высота налива жидкости в сосуд, обозначаемая как $h$.

Геометрические параметры

Для точного вычисления давления жидкости важно, чтобы стенки сосуда были вертикальными, а дно горизонтальным. Только в этом случае гидростатическое давление жидкости будет одинаково в каждой точке сосуда.

Циклическая система

Процесс работы сосуда с поршнем и поплавком представлен на рисунках от 6 до 11. После каждого цикла сосуд снова наполняется рабочей жидкостью и процесс повторяется.

Видео и экспертное мнение

Ниже представлено видео, демонстрирующее работу системы. Автором видео является эксперт по физике – Сергей Сергеевич Соев. Ожидаем ваши аргументированные комментарии!

Для наглядности давления жидкости приведена таблица величин:

Высота налива жидкости ($h$)Давление жидкости
1 м10 Па
2 м20 Па
3 м30 Па
4 м40 Па
5 м50 Па

Выводы

При правильном расчете параметров и геометрических особенностей, можно точно определить давление жидкости в системе. Обратите внимание на детали и рекомендации эксперта для оптимальной работы системы.

Давление жидкости

Рисунок 1. Давление жидкости. Автор24 – интернет-биржа студенческих работ

Расчет давления жидкости в сосуде

Для точного определения расчета давления жидкости в сосуде берутся следующие параметры:

  • $p$ – давление жидкости,
  • $r$ – плотность жидкости,
  • $g$ – ускорение свободного падения,
  • $h$ – высота столба жидкости.

Расчет давления

Формула для расчета давления жидкости будет выглядеть так: $p = rgh$. Для расчета силы давления необходимо ввести площадь дна сосуда в формулу. Предполагается, что давление в каждой точке сосуда одинаково, что позволяет вывести формулу $F = rghS$.

Факторы давления жидкости

Из формулы определено, что сила давления жидкости на дно сосуда равна весу самой жидкости.

Факторы давления жидкости

Рисунок 2. Факторы давления жидкости. Источник: автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Опыты Паскаля

Паскаль является одним из первых ученых, который исследовал давление жидкости. Он использовал специальные приборы для проведения практических опытов. Один из приборов был назван в его честь. Он применялся для закрепления сосудов с жидкостями разной формы и изучения процессов, связанных с поведением жидкостей. В одном из опытов сосуд не имел дна, а пластина, закрепленная на коромысле весов, выполняла функцию дна.

Паскаль проводил измерения путем наполнения чаши подставки жидкостью и сравнения высоты столба воды с весом груза, чтобы определить силу давления жидкости. Его исследования стали прорывом в изучении физических процессов.

Также Паскаль добивался достижения давления большей силы при небольшом объеме воды. Он только увеличивал высоту уровня столба с водой. В последующих опытах он к верхней крышке бочки, которая была плотно закрыта от поступления воздуха, заливал ее полностью водой. К этой бочке Паскаль присоединял трубку большой длины. Через нее также заливали воду. В какой-то момент было замечено, что при достижении определенного объема воды бочка не смогла выдержать давление, и дала течь. Оказалось, что подобный разрушительный эффект можно было достичь при достаточно небольшом объеме заливаемой воды. Это означает, что именно высота залитой в бочку воды стала той основой, которая привела к ее деформации. Это свидетельствует о повышении давления на дно бочки. Критическая величина давления приводит к разрыву используемой емкости.

Свою роль в этом процессе сыграл наклон стенок используемой емкости. Это приводит к тому, что создаются излишки давления, которое направлено вверх или вниз. Если сосуд имеет сужение кверху своих параметров, то давление начинает активно действовать вверх. Такой опыт можно провести самостоятельно, при этом использовать схожую на прибор Паскаль установку. Для этого необходимо надеть цилиндр на закрепленный в статическом положении поршень, при этом сам поршень должен переходить в трубку. Она устанавливается в вертикальном положении ко всей установке. Затем необходимо:

Согласно итогам наших опытов, можно определить, что давление в широком смысле представляется отношением силы, действующей перпендикулярно к поверхности, к ее площади. Единицей давления считается Паскаль (Па) и она соответствует действию силы, равным 1 Н (одному Ньютону), которое осуществляется на площади в один квадратный метр.

Гидростатический парадокс

Давление жидкости

Рисунок 3. Гидростатический парадокс. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Явление, которое заключается в отличии веса жидкости в сосуде от силы давления этой жидкости на дно определенного сосуда, называется гидростатическим парадоксом.

Его назвали подобным образом благодаря тому, что это явление обычно не может соответствовать обычным представлениям о давлении жидкости. Согласно опытам Паскаля можно вычислить формулу гидростатического давления жидкости. Она определяется как зависимость давления жидкости от глубины и от плотности жидкости, то есть $p = pgh$. В основе этого явления лежит закон Паскаля. Жидкость имеет способность передавать давление во всех направлениях с одинаковой силой.

Гидростатическое давление на разной глубине внутри жидкости не вступает в зависимость от формы сосуда, где находится эта жидкость. Оно равно произведению плотности жидкости, ускорения свободного падения и глубины. Этим определяется давление. По данной формуле можно также рассчитать давление жидкости, которая налита в сосуд любой формы. Также можно установить давление на стенках сосуда и любой другой точке жидкости.

Не понимаешь, как писать работу?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *