Давление и равновесие жидкостей

Слайд 1. Давление и равновесие жидкостей

Физика, 10 класс. Основы гидростатики и практическое применение.

Слайд 2. Что такое давление?

Давление — это физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности.

Формула: $p=\frac{F}{S}$

В системе СИ измеряется в Паскалях (Па). 1 Па — это давление, которое создает сила в 1 Н на площадь 1 м².

Слайд 3. Закон Паскаля: передача давления

Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.

Принцип работы: В отличие от твердых тел, молекулы жидкостей и газов подвижны, что позволяет им транслировать внешнюю силу $F$ равномерно по всему объему.

Практика: Этот закон лежит в основе работы гидравлического пресса, тормозных систем автомобилей и домкратов.

Вопрос: Почему при сжатии тюбика с пастой она выходит из отверстия, даже если вы давите на его середину?

Ответ: Давление от ваших пальцев передается через пасту во все стороны, в том числе и к открытому горлышку.

Слайд 4. Гидростатическое давление

Давление, создаваемое весом столба неподвижной жидкости, называется гидростатическим. Оно зависит только от плотности жидкости $\rho$ и глубины погружения $h$.

Расчетная формула: $p=\rho gh$

На одной и той же глубине внутри жидкости давление одинаково по всем направлениям.

Слайд 5. Давление в разных средах

Практически несжимаемы. Давление растет строго линейно с глубиной. Зависит от плотности конкретной жидкости.

Легко сжимаемы. Плотность газа меняется с высотой, поэтому давление убывает нелинейно (экспоненциально).

Слайд 6. Принцип сообщающихся сосудов

В сообщающихся сосудах любой формы поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне.

Равновесие наступает, когда давление $p=\rho gh$ на выбранном горизонтальном уровне одинаково во всех коленах.

Примеры в быту: носик чайника и лейки всегда выше или вровень с корпусом, иначе вода выльется.

Система шлюзов и гидравлический уровень работают на этом же физическом принципе.

Вопрос для обсуждения: как изменится высота столбов, если в одно из колен налить менее плотное масло поверх воды?

Слайд 7. Сравнение плотностей и уровней

При уравновешивании столбом воды, жидкости с меньшей плотностью будут занимать больший объем и высоту, чтобы создать такое же давление на дно.

Слайд 8. Где мы это используем?

Пресс и домкрат позволяют поднимать тяжелые грузы, прикладывая малую силу.

Водонапорные башни создают давление в кранах за счет разности уровней.

Система сообщающихся сосудов позволяет кораблям переходить между уровнями рек.

Измерение артериального давления и работа капельниц основаны на законах гидростатики.

Слайд 9. Рост давления с глубиной: как это работает

Зависимость

Практика

График

Вопрос

Давление в жидкости растёт линейно: $p=\rho gh$. Чем выше столб жидкости над объектом, тем сильнее он «давит» своим весом на каждый квадратный метр площади.

Глубоководные аппараты (батискафы) строят со сферическими корпусами из титана. Сфера лучше всего распределяет колоссальное давление, которое на глубине 10 км достигает $1000$ атмосфер.

Визуально зависимость $p(h)$ — это прямая линия, выходящая из точки атмосферного давления $p_0$. Каждые 10 метров воды добавляют примерно $10^5$ Па ($1$ атм).

Как изменится давление на дно бассейна, если его площадь увеличится вдвое при неизменном уровне воды? Подсказка: зависит ли $p$ от формы сосуда?

Слайд 10. Закон Архимеда

На тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх.

$F_A={\rho }_{\text{ж}}g{V}_{\text{погр}}$

Сила Архимеда равна весу вытесненной этим телом жидкости. Она возникает из-за разности давлений на нижнюю и верхнюю грани тела.

Слайд 11. Условия плавания тел

Тело тонет, если его плотность больше плотности жидкости (сила тяжести больше силы Архимеда).

Тело плавает внутри жидкости, если плотности тела и жидкости равны.

Тело всплывает, если его плотность меньше плотности жидкости.

При всплытии часть тела выходит из воды, пока сила Архимеда не станет равна весу тела.

Слайд 12. Практический пример: Подводная лодка

Слайд 13. Вопросы для обсуждения

1. Почему плотину строят так, чтобы её основание было значительно шире верхней части?

2. Изменится ли уровень воды в стакане, если плавающий в нем кусок льда растает?

3. Будет ли работать гидравлический тормоз на космической станции в условиях невесомости?

4. Почему водолазы не могут быстро подниматься с большой глубины на поверхность?

Слайд 14. Подведем итоги

Давление в жидкости передается во все стороны без изменений (Закон Паскаля).

Гидростатическое давление $p=\rho gh$ зависит только от плотности и глубины.

В сообщающихся сосудах уровни однородной жидкости всегда равны.

Сила Архимеда выталкивает тела и определяет условия их плавания.