На урок фізики треба вивчити закон Паскаля? Формула проста, але важливо зрозуміти суть і сенс закону. У цьому допоможуть приклади, які демонструють його дію і які можна повторити вдома. Запам’ятати закон зможете, якщо зрозумієте його практичну значущість.
Закон Паскаля: суть, формула
Точні науки, література і філософія — все це входило в широке коло інтересів ученого на прізвище Паскаль. Фізика також приваблювала його з юних років: хлопчик проводив багато експериментів, а згодом сформулював і довів низку важливих законів.
Названий пізніше на честь нього закон Паскаль виклав у праці під назвою «Трактат про рівновагу рідин». Написано його було 1653 року, а опубліковано через десять років. Перш ніж перейти до його суті, опишемо простий дослід, який демонструє дію закону:
- Наливають воду в поліетиленовий пакет і щільно зав’язують його.
- Опускають пакет у таз і натискають на нього.
- При цьому пакет проривається, вода з нього витікає.
Важливо зазначити, що розрив відбувається не в тому місці, де було чинено тиск. Тобто тиснемо на одну частину, а тиск передається на весь пакет. За надлишкового тиску відбувається розрив.
Закон Паскаля говорить: тиск, якому піддаються рідкі або газоподібні речовини, досягає кожної їхньої точки. У всьому їхньому об’ємі він буде переданий одним і тим самим чином.
Пояснити закон Паскаля для рідин і газів можна тим, що поведінка молекул під впливом зовнішнього тиску відрізняється від молекул твердих речовин. Здібності до руху в них різні. Для перших спостерігається відносно вільний рух, а ось у твердому тілі молекули досить обмежені.
Для останніх доступні тільки невеликі коливання з мінімальним відхиленням від вихідних положень. Водночас частинки, що вільно рухаються, передають тиск і поширюють його рівномірно.
Як математично висловити закон Паскаля? Формула записується так: P = F/S. У ній використовуються такі величини:
- Тиск (Р). Одиниця виміру — паскаль (Па).
- Сила (F), яка чинить дію на поверхню і вимірюється в ньютонах (Н).
- Площа поверхні (S), яку вимірюють у квадратних метрах.
Формула Паскаля читається так: один паскаль — це сила в 1Н, яка прикладена до площі в 1 кв. метр (1Па = 1Н/м²).
Якщо рідину або газ помістити в закриту посудину, то молекули постійно переміщатимуться і вдарятимуться об її стінки. За наявності місць з різним тиском, вони рухатимуться з місць високого тиску в місця з низьким. За рахунок цього процесу показник тиску досить швидко вирівнюється і стає однаковим по всій площі.
Таким є правильний закон Паскаля, який цей видатний учений сформулював ще в XVII столітті.
Закон Паскаля: застосування на практиці, значення
Ми з’ясували, що тиск у рідинах і газі здатен поширюватися на всі боки, навіть угору. Про це нам говорить закон Паскаля.
Приклади, що підтверджують закон Паскаля
Приклади також добре це демонструють:
- Через трубку з прозорого скла протягують нитку, на кінці якої закріплюють легкий диск.
- Якщо нитку натягнути, то диск має щільно торкатися трубки, а якщо її відпустити, то він відпаде.
- Занурюють отриманий пристрій у склянку, наповнену водою.
- Тепер, навіть якщо нитку відпустити, диск не відпадатиме від дна трубки.
Чому так відбувається? Річ у тім, що верхній шар води тисне на шари, розташовані нижче, а також на воду, що нижче від диска. Цей тиск передається на диск знизу. Саме завдяки цій силі й підтримується диск, притискаючись до краю трубки.
Цей дослід можна продовжити:
- Заповнюють трубку кольоровою водою так, щоб її рівень був нижчим, ніж у склянці.
- У цьому разі диск залишиться на місці.
- Це пов’язано з тим, що тиск води знизу перевищує тиск зверху.
- Далі додають води в порожнину трубки.
- Щойно її рівень стане більшим, ніж рівень води в склянці, диск відпаде від дна трубки. Це станеться, бо вода зверху тепер буде тиснути на нього сильніше, ніж знизу.
У цьому досліді вага диска не враховується, але вона не впливає на його пояснення.
Підтверджують цей закон і за допомогою експерименту із сирими та вареними яйцями. Якщо взяти гострий предмет (наприклад, довгий цвях) і проткнути яйця по черзі, то результати будуть різними. Круті яйця він проколює, а сирі розлітаються на дрібні шматочки. На останні закон поширюється, а на варені — ні.
Застосування на практиці
Він працює там, де ми й не здогадуємося:
- Звичайний водопровід. У ньому відбувається постійний рух молекул води, які переміщуються і чинять однаковий тиск на стіни труб.
- Робота гідравлічного преса. Рух і рівновага рідин — це основа основ для цього пристрою. Прес складається зі з’єднаних один з одним циліндра та поршнів, простір під яким заповнюється маслом. Коли на поршень із меншою площею діє певна сила, то до більшого поршня має додаватися сила, яка відповідає його площі, щоб тиск був рівним.
Роботу гідравлічного преса фізики описують таким рівнянням: F1/S1 = F2/S2. Звідси можна вивести співвідношення: F2/F1 = S2/S1. Тобто сила F2 буде настільки перевищувати силу F1, у скільки разів площа великого поршня перевищує площу малого.
Також цей закон говорить про те, що тиск рідин усередині посудин із будь-якою формою і розмірами на рівній глибині однаковий. Це можна довести на такому прикладі:
- Розглянемо як «посудину» бухту, в якій розташована підводна печера.
- Здається можливим, що тиск у ній не такий високий, як навколо.
- Якби це було так, то вода з моря (з області більшого тиску) мала б переміщатися в печеру. Її рівень у морі при цьому б знижувався.
- Завдяки тому, що вода в усьому цьому просторі перебуває в спокої, а її молекули переміщуються, показник тиску у всіх частинах виявляється однаковим, жодних змін рівня моря не відбувається.
За законом Паскаля працюють екскаватори з гідравлічними циліндрами, які приводять у рух його стрілу і ковші. Крім води, на практиці в багатьох приладах застосовується стиснене повітря. Наприклад:
- За допомогою відбійних молотків розкривається асфальт, розпушується мерзлий ґрунт, дробляться гірські породи.
- Кування та обробка металів відбувається із застосуванням пневматичних молотів і пневматичних пресів.
- Вантажні автомобілі та залізничний транспорт обладнують пневматичними гальмами.
- У вагонах метро стиснене повітря відкриває і закриває двері.
Закон Паскаля не тільки знайшов широке застосування, а й не був переглянутий і не втратив актуальності. З моменту його відкриття минуло майже чотири століття, а ми і сьогодні користуємося відкриттям талановитого вченого на ім’я Блез Паскаль.
