При рассмотрении общего понятия, связанного с определением давления жидкости, необходимо знать, из чего оно формируется. Это сделать можно на основе довольно простых примеров, а затем предстоит перейти к более сложным понятиям. Формула для расчета давления жидкости в физике определяется взаимодействием нескольких основных величин.
Рисунок 1. Давление жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Вычисление давления жидкости
Среди них выделяют высоту, на которую наливают в процессе исследования жидкость в сосуд цилиндрической формы. Она выражается буквой $h$. При этом важно знать, что для вычисляемого точного значения давления жидкости необходимо использовать сосуд правильной геометрической формы, то есть его стенки должны быть вертикальными, а дно только горизонтальное. В этом случае гидростатическое давление жидкости в сосуде в каждой его точке останется на неизменной величине.
Статья: Давление жидкости
Для точного определения расчета давления жидкости в сосуде берутся следующие параметры:
- плотность жидкости $r$;
- ускорение свободного падения $g$;
- высота столба налитой в сосуд жидкости $h$.
Формула для расчета давления жидкости тогда будет выглядеть так: $p = rgh$. Далее можно сделать расчет силы давления. Для этого необходимо ввести в нашу общую формулу площадь дна используемого сосуда. Мы при осуществлении расчетов берем во внимание, что давление в каждой точке нашего сосуда будет одинаковым. Она действует на дно с одинаковой силой, поэтому можно вывести искомую формулу $F = rghS$.
Рисунок 2. Факторы давления жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Из этой формулы можно определить, что сила давления жидкости на дно нашего сосуда будет такой же, как вес самой жидкости. При этом сосуд должен быть правильной цилиндрической формы. Однако определено, что подобные вычисления будут иметь правильной характер даже в случае изучения сосудов различной формы. Подобные высказывания можно трансформировать в правило, где давление жидкости на дно остается одинаковым во всех точках, когда площадь дна и высота уровня жидкости также одинакова. Однако это никак не сочетается с реальным весом жидкости, которая будет залита в сосуд неправильной формы. Вес может быть меньше или больше силы давления на дно, при этом конечное значение, указанное в формулах выше останется на удовлетворительном уровне и не станет противоречить нашим вычислениям.
Опыты Паскаля
Одним из первых ученых, который смог сформировать основные формулы, связанные с давлением жидкости, стал Паскаль. Он в своих практических опытах пользовался прибором, который позже назвали в его честь. Главной особенностью подобного научно-исследовательского прибора стало использование специальных приспособлений в виде подставок. На них можно было закреплять различные сосуды с жидкостями и проводить практические вычисления. Эти сосуды могли быть разной формы, поэтому его применение стало прорывным в области изучения физических процессов, связанных с поведением жидкостей в естественной среде. В том числе закреплялись сосуды с отсутствием дна. Функцию дна сосуда осуществляла пластина, которая плотно крепилась снизу. Она находилась на одном из плечей коромысла весов.
При установке и перемещении груза на подставке другого коромысла исследователь наполнял чашу жидкостью. При создании силы жидкости давлением, которое было больше веса груза, жидкость переливалась из-под пластины наружу. Измерения происходили следующим образом. Паскаль мерил высоту столба с водой, а после этого мог понять численное значение силы давления жидкости на дно сосуда. При этом он сопоставлял свои результаты с весом груза.
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:
- залить воду;
- наблюдать, чтобы пространство над поршнем заполнялось жидкостью равномерно;
- в конце опыта цилиндр поднимается вверх.
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
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.
