Prawo pascala dla cieczy i gazów. Przenoszenie ciśnienia przez ciecze i gazy

Prawo Pascala dla cieczy i gazów mówi, że ciśnienie wywierane na substancję nie zmienia swojej siły i jest przekazywane w ten sam sposób we wszystkich kierunkach. Substancje ciekłe i gazowe zachowują się pod ciśnieniem z pewnymi różnicami. Różnica wynika z zachowania się cząsteczek oraz ciężaru gazów i cieczy. W tym artykule przeanalizujemy to wszystko szczegółowo, z pomocą przykładowych eksperymentów.

Czy ciśnienie przenoszone przez ciecz

Weźmy naczynie w kształcie walca, które jest uszczelnione u góry tłokiem. W środku znajduje się ciecz, a na tłoku ciężar. Wywiera siłę równą swojemu ciężarowi. Ciśnienie to jest przekazywane do cieczy. Jego cząsteczki, w przeciwieństwie do cząsteczek ciała stałego, mogą swobodnie poruszać się względem siebie. W ich ułożeniu nie ma ścisłego porządku, są rozrzucone chaotycznie.

Wiedza o tym, jak poruszają się cząsteczki różnych substancji, pomoże nam później zrozumieć prawo Pascala dla cieczy i gazów. Jak zachowałyby się cząsteczki cieczy, gdybyśmy działali na nie siłą ciężaru? W odpowiedzi na to pytanie pomoże nam nasze doświadczenie.

Jak zachowuje się ciecz pod ciśnieniem

Modelem cieczy będą szklane kulki, a modelem naczynia - pudełko bez pokrywki. Bąbelki, podobnie jak cząsteczki cieczy, swobodnie przemieszczają się w naczyniu. Weź dowolny obiekt, który ma taką samą szerokość jak pudełko. To będzie naśladować tłok.

Naciskanie tłoka na ciecz. Jak zachowują się jego cząsteczki? Widzimy, że odciskają się one zarówno na dnie naczynia, jak i na jego ścianach. Popychają się nawzajem i mają tendencję do wypadania z pudełka. Gdyby była to prawdziwa ciecz, miałaby tendencję do wypływania z naczynia. Później, gdy będziemy studiować prawo Pascala dla cieczy i gazów, zobaczymy to z doświadczenia. Ponieważ cząsteczki poruszają się swobodnie, ciśnienie wywierane przez ciężar przenoszone jest zarówno na boki, jak i w dół. Co się stanie, jeśli ciecz zastąpimy gazem??

Jak zachowuje się powietrze pod wpływem ciśnienia?

Załóżmy, że mamy cylinder z tłokiem wypełnionym powietrzem. Na wierzchu tłoka umieszczamy ciężarek. W jaki sposób ciśnienie wywierane na gaz? Gdy tłok porusza się w dół, odległość między cząsteczkami w górnej części gazu maleje, ale nie na długo. Prędkość cząsteczek gazu wynosi setki metrów na sekundę. Odległość między nimi jest znacznie większa niż ich wymiary. Poruszają się w losowych kierunkach i zderzają ze sobą.

Kiedy tłok idzie w dół, cząsteczki są po prostu uwięzione w mniejszej objętości. W efekcie częściej uderzają one o ścianki naczynia, a wraz ze zmniejszeniem objętości gazu rośnie ciśnienie. Jest to zasada, którą należy zapamiętać, aby łatwiej zrozumieć prawo Pascala dotyczące cieczy i gazów. Liczba uderzeń na sekundę na centymetr kwadratowy jest w zasadzie taka sama. Oznacza to, że ciśnienie, które wytwarza tłok jest przekazywane we wszystkich kierunkach bez zmian.

Przeniesienie ciśnienia w różnych kierunkach

Prawo Pascala, czyli przenoszenie ciśnienia przez ciecze i gazy nie może być zrozumiane bez zajęcia się jedną dziwną sprawą: Jak to działa?, że pchamy w dół, ale ciśnienie jest przenoszone w dół i na boki? A gdybyśmy do cylindra dołączyli rurkę, to czy ciśnienie byłoby przekazywane do góry? Przeprowadźmy eksperyment.

Weź dwie strzykawki wypełnione wodą i połącz je rurką. Zaobserwujmy, jak ciśnienie jest przenoszone przez ciecz w strzykawkach. Wcisnąć tłok jednej strzykawki. Siła nacisku na tłok, a więc i na ciecz, jest skierowana w dół. Widzimy jednak, że tłok drugiej strzykawki idzie w górę. Okazuje się, że ciśnienie przekazywane przez rurkę odwraca kierunek działania siły. Co ciekawe, strzykawka może być umieszczona nie tylko w pionie, ale także pod kątem prostym względem siebie. Wynik jest taki sam.

Wylewamy wodę, a w strzykawkach zostaje powietrze. Powtórzmy eksperyment. W doświadczeniu zobaczymy, że gaz przenosi również ciśnienie we wszystkich kierunkach. Z płynem jest tylko jedna różnica. Jeżeli tłok jednej strzykawki zostanie maksymalnie wciśnięty i zabezpieczony palcem, gaz zostanie sprężony, gdy tłok drugiej strzykawki zostanie wciśnięty w dół. Jego objętość zmniejszy się o około połowę, a tłok będzie miał tendencję do odbijania się w górę. Gaz ten, mając tendencję do zwiększania swojej objętości, powoduje ruch tłoka do góry. Z płynem byłoby inaczej, nie dałoby się go tak łatwo wycisnąć.

Prawo Pascala

Zbadamy przenoszenie ciśnienia przez ciecze i gazy za pomocą eksperymentu. Wynalazł ją francuski fizyk Blaise Pascal. Weź pustą kulę z przymocowaną do niej szklaną rurką. W różnych częściach balonu (góra, bok, dół) znajdują się małe otwory. Wewnątrz rury znajduje się tłok. Jest to specjalne urządzenie do demonstracji prawa Pascala.

Napełnij balon przez rurkę wodą, aby zobaczyć, jak się zachowuje. Choć grawitacja działa na kulę od góry do dołu, strumienie wody wypływają z otworów w kuli pod kątem, na boki, a nawet w górę. Oczywiście odchylają się one nieco od swojego pierwotnego kierunku, ponieważ działa na nie grawitacja. Widzimy, że ciśnienie wywierane na wodę jest przenoszone we wszystkich kierunkach.

Jeśli zamiast wody weźmiemy dym i wykonamy ten eksperyment, zaobserwujemy transmisję ciśnienia w gazie osobiście, ponieważ dym jest gazem zabarwionym przez drobne cząsteczki sadzy lub smoły. Ponieważ jest bardzo lekki, nie będzie podlegał wpływowi grawitacji w takim stopniu, ani nie odchyli się tak bardzo jak strumienie wody od swojego pierwotnego położenia. Możemy stwierdzić, że ciśnienie wywierane na ciecz lub gaz jest przenoszone, bez zmiany siły, na dowolny punkt cieczy lub gazu we wszystkich kierunkach. To jest prawo Pascala dla cieczy i gazów. Formuła: P = F/S, gdzie P jest ciśnieniem. Jest ona równa stosunkowi siły F do powierzchni S, na którą działa ona prostopadle.