Zgłoś uwagi
Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Fizyka jest użyteczna. Nie wierzysz? To spróbuj bez lewarka wymienić przebitą oponę w samochodzie, bez pompki napompować dętkę rowerową albo zatrzymać samochód nogą, a nie hamulcem! Dasz radę? Jeśli tak, to nie musisz już dalej czytać.

Źródło: Joe Shlabotnik (https://www.flickr.com), licencja: CC BY 2.0. Aby zrozumieć, dlaczego woda dociera do naszego kranu, należy znać jedno z praw dotyczących ciśnienia w cieczy
Już potrafisz
  • obliczyć wartość ciśnienia, które jest równe ilorazowi wywieranej siły na jednostkę powierzchni;

  • wykazać, że podstawową jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskal (Pa);

  • podać definicję ciśnienia hydrostatycznego;

  • obliczyć ciśnienie hydrostatyczne, które zależy od wysokości słupa cieczy i jej gęstości;

  • podać definicję ciśnienia atmosferycznego wywieranego przez gazową powłokę Ziemi;

  • podać, od czego zależy ciśnienie atmosferyczne, i wyjaśnić, w jaki sposób zmienia się ono wraz z wysokością;

  • wykazać, że ciśnienie atmosferyczne nie jest stałe i często się zmienia;

  • podać definicję ciśnienia normalnego;

  • wymienić przyrządy, które służą do pomiaru ciśnienia atmosferycznego;

  • wymienić przyrządy, które służą do pomiaru ciśnienia wywieranego przez gazy.

Nauczysz się
  • że ciśnienie zewnętrzne wywierane na gazy i ciecze przekazywane jest w całej ich objętości i jednakowo we wszystkich kierunkach;

  • podać treść prawa Pascala;

  • przeprowadzać proste doświadczenia potwierdzające słuszność prawa Pascala;

  • wymieniać i opisywać urządzenia, w których prawo Pascala znalazło swoje zastosowanie.

1. Ciśnienie w cieczach i gazach

Mimo, że ciecze i gazy wykazują wiele podobieństw, to jednak rządzą się różnymi prawami. Cząsteczki gazów znajdują się w bezustannym i chaotycznym ruchu, zderzają się wzajemnie oraz ze ściankami naczynia, w którym się znajdują. Podlegają regułom kinetycznej teorii gazów.

W cieczach oddziaływania między cząsteczkami są znacznie silniejsze niż w gazach, ale słabsze niż w ciałach stałych. O położeniu molekuły decyduje jej otoczenie. Każda zmiana rozmieszczenia sąsiadujących cząsteczek może spowodować przejście molekuły do nowej lokalizacji. Ten mechanizm pozwala cząsteczkom przemieszczać się w całej objętości cieczy, jest jednak różny od tego obserwowanego w gazach.

Fakt, że cząsteczki zarówno w gazach, jak i cieczach mogą poruszać się we wszystkich kierunkach, był podstawą prawa Pascala, sformułowanego doświadczalnie w XVII w.

Doświadczenie 1
Problem badawczy

Czy ciśnienie wywołane siłą zewnętrzną jest takie samo w całej objętości cieczy?

Hipoteza

Jeżeli na ciecz lub gaz będziemy wywierać parcie z zewnątrz, to wytworzy ono w cieczy lub gazie dodatkowe ciśnienie jednakowe w całej objętości tej cieczy lub gazu.

Co będzie potrzebne
  • strzykawka z grubą igłą;

  • igła lub szpilka;

  • woda;

  • piłeczka pingpongowa.

Instrukcja
  1. Za pomocą szpilki wykonaj otwory w piłeczce – równomiernie na całej jej powierzchni.

  2. Nabierz wodę do strzykawki.

  3. Przebij powierzchnię piłeczki igłą i wsuń ją dość głęboko.

  4. Napełnij piłeczkę wodą ze strzykawki. Jeśli wody w strzykawce nie wystarczy, odłącz ją od igły, nabierz do niej ponownie wodę, połącz z igłą i napełniaj piłeczkę, aż ta będzie pełna.

  5. Gdy piłeczka i strzykawka zostaną wypełnione wodą, naciśnij tłok strzykawki.

  6. Obserwuj strumienie wody tryskające z otworów na powierzchni piłeczki.

Podsumowanie

Siła z jaką naciskamy na tłok strzykawki, wytwarza takie samo ciśnienie w całej objętości cieczy. Widzimy, że z każdego otworu połeczki (położonego na dole, z boku, u góry) woda tryska tak samo. Pokazuje to, że we wszystkie strony działa takie samo parcie, wywołane naciskaniem tłoka.

Załącznik do doświadczenia
editor.block.ScienceExperimentDemonstration
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0. Gdy działa okreslonej wielkości siła zewnętrzna, ciśnienie wody wywierane na wewnętrzną ściankę piłeczki jest takie samo w każdym jej punkcie
Reguła: prawo Pascala

Jeżeli na ciecz lub gaz będziemy wywierać parcie z zewnątrz, to wytworzy ono w cieczy lub gazie dodatkowe ciśnienie jednakowe w całej objętości tej cieczy lub tego gazu.

Opisana przez prawo Pascala właściwość cieczy i gazów wynika z faktu, iż w tych ciałach oddziaływania międzycząsteczkowe mogą być przenoszone jednakowo we wszystkich kierunkach. Ciśnienie wytworzone w zbiorniku będzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu.

Ćwiczenie 1

2. Zastosowanie prawa Pascala

Prawo Pascala znalazło szerokie zastosowanie w konstrukcji pras, podnośników, pomp i hydraulicznych układów hamulcowych.

Zasada działania podnośnika hydraulicznego opiera się na prawie Pascala.
Jego zadaniem jest zwielokrotnienie zewnętrznej siły nacisku i wykorzystanie jej do wykonania pracy.

Zasada działania i zastosowanie prasy hydraulicznej

Wartość siły F2, uzyskanej za pomocą prasy. jest tyle razy większa od siły F1, działającej z zewnątrz na tłok, ile razy powierzchnia S2 większego tłoka jest większa od powierzchni S1 mniejszego tłoka.

= F1S1 = F2S2

Obecnie prasa hydrauliczna przyczynia się do rozwoju rynku samochodowego. Pozwala ona na szybką i sprawną produkcję części karoserii samochodowej, którą tłoczy się z fragmentów płaskiej blachy.

Animacja prezentująca tłoczenie blachy samochodowej.

Współczesne samochody mają układ hydrauliczny obsługujący przednie i tylne hamulce.

Zasada działania hamulców hydraulicznych w samochodach osobowych
Doświadczenie 2

Wykonanie prostego modelu układu hydraulicznego

Co będzie potrzebne
  • dwie strzykawki;

  • gumowy elastyczny wężyk o średnicy pozwalającej nasadzić go szczelnie na końcówki strzykawek;

  • woda.

Instrukcja
  1. Napełnij pierwszą strzykawkę wodą.

  2. Na drugą strzykawkę nałóż wężyk i nabierz do niego wody.

  3. Nałóż wolny koniec wężyka na pierwszą strzykawkę i naciśnij jej tłok.

  4. Uważaj, by w układzie nie było pęcherzyków powietrza. Małe pęcherzyki nie przeszkodzą, natomiast duże utrudnią działanie naszego modelu. Czy wiesz dlaczego?

Podsumowanie

Nacisk na tłok spowodował, że ciśnienie wody w strzykawce wzrosło. Zgodnie z prawem Pascala ciśnienie w wężyku spowodowało nacisk na tłok drugiej strzykawki i w rezultacie go wysunęło..

Załącznik do doświadczenia
Ćwiczenie 2
Ciekawostka

Teoria funkcjonowania prasy hydraulicznej powstała w 1651 r., ale w praktyce wykorzystano ją dopiero w 1820 r.! Posłużyła ona do wyciskania ołowianych rur, które wykorzystano w instalacjach wodnych.

3. Jak sprężamy gazy?

Sprężanie gazu polega na zwiększeniu jego ciśnienia. Jeżeli nie wzrośnie przy tym temperatura gazu, to można sprężyć go na dwa sposoby.

Pierwszy polega na zmniejszeniu objętości zbiornika, w którym znajduje się gaz. Wtedy wzrastają częstotliwość uderzeń cząsteczek w ścianki zbiornika. Wzrasta również średnia siła działająca na te ścianki, co prowadzi do wzrostu ciśnienia. Można to zaobserwować na przykładzie niezbyt mocno napompowanego balonika. Jego powierzchnia daje się łatwo ugniatać. Gdy jednak ściśniemy część balonika, to pozostała część będzie miała mniejszą objętość, ale powierzchnia będzie twardsza.

Sprężanie gazu przez zmianę jego objętości

Drugą metodą sprężania gazu jest zwiększenie ilości cząsteczek przy zachowaniu stałej objętości zajmowanej przez gaz.

Sprężanie gazu w stałej objętości przez zwiększanie ilości cząstek

Wraz ze zwiększaniem się ilości cząsteczek gazu zderzają się one częściej ze ściankami naczynia i wywierają na nie większe ciśnienie. Im bardziej sprężamy gaz, tym większe jest jego ciśnienie.

Ćwiczenie 3

Podsumowanie

  • Jeżeli na ciecz lub gaz będziemy wywierać parcie z zewnątrz, to wytworzy ono w cieczy lub gazie dodatkowe ciśnienie jednakowe w całej objętości tej cieczy lub tego gazu. Mówimy, że ciśnienie zewnętrzne wywierane na ciecz rozchodzi się we wszystkich kierunkach jednakowo. Prawo to sformułował Blaise Pascal i od jego nazwiska nosi nazwę .

  • Prawo Pascala znalazło szerokie zastosowanie m.in. w konstrukcji pras, podnośników, pomp i hydraulicznych układów hamulcowych.

  • Fizyczna zasada działania prasy hydraulicznej wykorzystuje prawo Pascala. Zadaniem prasy jest zwielokrotnienie zewnętrznej siły nacisku i wykorzystanie jej do wykonania pracy. Prasa hydrauliczna jest w praktyce najważniejszym elementem każdego siłownika.

  • Wartość siły F2 uzyskanej za pomocą prasy jest tyle razy większa od siły F1 działającej z zewnątrz na tłok, ile razy powierzchnia S2 większego tłoka jest większa od powierzchni S1 mniejszego tłoka.
    p=F1S1=F2S2

  • Sprężanie gazu polega na zwiększeniu jego ciśnienia. Można to zrobić na dwa sposoby. Pierwszy polega na zmniejszeniu objętości zbiornika, w którym znajduje się gaz. Drugą metodą sprężania gazu jest zwiększenie ilości cząsteczek przy zachowaniu stałej objętości gazu. W obu przypadkach cząsteczki częściej uderzają w ścianki zbiornika i w ten sposób zwiększają ciśnienie.

Praca domowa
Polecenie 1.1

Duży tłok podnośnika hydraulicznego unosi masę 450 kg, gdy na mały tłok działa siła o wartości 150 N. Oblicz, ile wynosi powierzchnia małego tłoka, jeżeli powierzchnia dużego tłoka jest równa 60 cm2. Przyjmij, że przyspieszenie ziemskie wynosi 10Nkg.

Polecenie 1.2

Szczepionka wstrzykiwana jest przez igłę strzykawki z siłą 0,01 N. Tłoczek strzykawki ma powierzchnię 3 cm2, a działająca na niego siła to 6 N. Oblicz pole powierzchni przekroju otworu w igle.

Polecenie 1.3

Mały tłok siłownika hydraulicznego o powierzchni 5 cm2 pod działaniem siły o wartości 250 N przesunie się o 8 cm. Oblicz, o ile przesunie się duży tłok siłownika mający powierzchnię 20 cm2.

Zobacz także

Zajrzyj do zagadnień pokrewnych:

itTqNx38cnCiśnienie. Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczneitnOdtxvUSCząsteczkowa budowa materii

Słowniczek

kinetyczna teoria gazów

– dział fizyki statystycznej, zajmujący się wyjaśnienie makroskopowych właściwości gazów na podstawie praw rządzących ruchem atomów, cząsteczek, jonów, elektronów itp.

podnośnik hydrauliczny

– urządzenie, którego zasada funkcjonowania opiera się na prawie Pascala; służy do podnoszenia przedmiotów o dużym ciężarze.

pompa hydrauliczna

– urządzenie, którego zadaniem jest utrzymywanie wysokiego poziomu ciśnienia oleju w układach hydraulicznych.

prasa hydrauliczna

– urządzenie zwielokrotniające siłę nacisku, działające zgodnie z prawem Pascala.

sprężanie gazu

– zwiększanie ciśnienia gazu znajdującego się w zamkniętym pojemniku; polega albo na zmianie objętości pojemnika, albo na zwiększeniu ilości cząsteczek (atomów) gazu przy zachowaniu stałej objętości.

układ hamulcowy

– hydrauliczny system zatrzymywania pojazdów znajdujących się w ruchu lub utrzymywania ich w spoczynku; zasada działania układu hamulcowego (podobnie jak prasy hydraulicznej) opiera się na prawie Pascala.

Zadania

Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5