закон паскаля и его практические приложения
Практическая значимость закона Паскаля
Введение
Закон Паскаля стал известен в 1663 году. Именно это открытие легло в основу создания суперпрессов с давлением свыше 750 000 кПа, гидравлического привода, который в свою очередь обусловил появление гидроавтоматики, управляющей современными реактивными лайнерами, космическими кораблями, станками с числовым программным управлением, могучими самосвалами, горными комбайнами, прессами, экскаваторами. Таким образом, закон Паскаля нашел огромное применение в современном мире. Однако, все эти механизмы достаточно сложны и громоздки, поэтому мне захотелось создать устройства, в основе действия которых лежит закон Паскаля, чтобы убедиться самому и убедить одноклассников, многие из которых считают, что глупо тратить время на «древность», когда нас окружают современные приборы, что тема эта по-прежнему интересна и актуальна. Кроме того, приборы, созданные своими руками, как правило, вызывают интерес, заставляют думать, фантазировать, да и на открытия «старины глубокой» смотреть другими глазами.
Объектом моего исследования является закон Паскаля.
Цель работы: опытное подтверждение закона Паскаля.
Гипотеза: знание закона Паскаля может пригодиться для конструирования строительной техники.
Практическая значимость работы: В моей работе представлены опыты для демонстрации на уроках физики в 7 классе средней общеобразовательной школы. Разработанные опыты можно демонстрировать как на уроке при изучении явлений (надеюсь, что это поможет сформировать некоторые понятия при изучении физики), так и в качестве домашних заданий учащимся.
Предложенные установки являются универсальными, одна установка может быть использована для показа нескольких опытов.
Глава 1.Все наше достоинство – в способности мыслить 1
Блез Паска́ль(1623-1662 г.г.)– французский математик, механик, физик, литератор и философ. Классик французской литературы, один из основателей математического анализа, теории вероятностей и проективной геометрии, создатель первых образцов счётной техники, автор основного закона гидростатики. В историю физики Паскаль вошел, установив основной закон гидростатики, и подтвердил предположение Торичелли о существовании атмосферного давления. В честь Паскаля называется единица измерения давления системы СИ. Закон Паскаля гласит: давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. Даже известный закон Архимеда – это частный случай закона Паскаля.
Объяснить закон Паскаля можно с помощью свойств жидкостей и газов, а именно: молекулы жидкости и газа, ударяясь о стенки сосуда, создают давление. Давление увеличивается (уменьшается) при увеличении (уменьшении) концентрации молекул.
Широко распространена задача, с помощью которой можно понять действие закона Паскаля: при выстреле из винтовки в вареном яйце образуется отверстие, так как давление в этом яйце передаётся лишь по направлению ее движения. Сырое яйцо разбивается вдребезги, так как давление пули в жидкости, согласно закону Паскаля, передается одинаково по всем направлениям.
Кстати, известно, что сам Паскаль, используя открытый им закон, в ходе проведенных экспериментов изобрел шприц и гидравлический пресс.
Практическая значимость закона Паскаля
На законе Паскаля основана работа многих механизмов, по-другому, такие свойства газа, как сжимаемость и способность передавать давление во все стороны одинаково, нашли широкое применение в конструкции различных технических устройств.
Рис.1. ПЛ в надводном положении: цистерны главного балласта (ЦГБ) не заполнены
Глава 2. Душа науки – это практическое применение её открытий 2
Опыт 1 (видео, метод моделирования принципа действия данного прибора на презентации)
Действие закона Паскаля можно проследить на работе лабораторного гидравлического пресса, состоящего из двух соединенных между собой левого и правого цилиндров, равномерно наполненных жидкостью (водой). Черным цветом выделены пробки (грузы), указывающие на уровень жидкости в этих цилиндрах.
Рис. 3 Схема гидравлического пресса
Рис. 4. Применение гидравлического пресса
Что здесь произошло? Мы надавили вниз на пробку в левом цилиндре, которая вытеснила жидкость из этого цилиндра по направлению к правому цилиндру, вследствие чего пробка в правом цилиндре, испытывая давление жидкости снизу, поднялась. Таким образом, жидкость передала давление.
Тот же самый эксперимент только несколько в ином виде я провел у себя дома: демонстрация эксперимента с двумя соединенными друг с другом цилиндрами – медицинскими шприцами, соединенными друг с другом и наполненными жидкостью-водой.
Опыт 2 (видео, использование метода моделирования для демонстрации сборки данного прибора на презентации)
В развитие предыдущего эксперимента для демонстрации закона Паскаля мною была также собрана модель деревянного мини-экскаватора, основа работы которого – цилиндры-поршни, наполненные водой. Что интересно, в качестве поршней, поднимающих и опускающих стрелу и ковш экскаватора, я использовал медицинские шприцы, изобретенные самим Блезом Паскалем в подтверждение его закона.
Итак, система состоит из обыкновенных медицинских шприцов по 20 мл (функция рычагов управления) и таких же шприцов по 5 мл (функция поршней). В эти шприцы мною была залита жидкость – вода. Чтобы соединить шприцы была использована система капельниц (обеспечивает герметизацию).
Для того чтобы указанная система заработала, мы надавливаем в одном месте на рычаг, давление воды передается в поршень, на пробку, пробка поднимается – экскаватор приходит в движение, опускается и поднимается стрела экскаватора и ковш.
Данный эксперимент можно продемонстрировать, отвечая на вопрос после § 36, стр. 87 учебника А.В.Перышкина для 7 класса : «На каком опыте можно показать особенность передачи давления жидкостями и газами?», опыт так же интересен с точки зрения доступности используемых материалов и практического применения закона Паскаля.
Опыт 3 (видео)
Присоединим к трубке с поршнем (шприцу) полый шар (пипетку) с множеством маленьких отверстий.
Наполним шар водой и нажмём на поршень. Давление в трубке увеличится, вода начнёт выливаться через все отверстия, при этом напор воды во всех струйках воды будет одинаковым.
Такой же результат можно получить, если вместо воды использовать дым.
Данный эксперимент является классическим для демонстрации закона Паскаля, однако использование материалов, доступных для каждого ученика, делает его особо эффектным и запоминающимся.
Заключение
В ходе подготовки к конкурсу я:
Выводы
Закон Паскаля, открытый в 17 веке, актуален и широко применяется и в наше время при конструировании технических устройств и механизмов, облегчающих работу человека.
Надеюсь, что собранные мной установки будут интересны моим друзьям и одноклассникам и помогут лучше разобраться в законах физики.
Закон Паскаля. В чём же заключается основной закон гидростатики?
Нам известно, что тела, из-за действия на них силы тяжести, способны создавать ДАВЛЕНИЕ. Известно также, что давление возникает, как результат действия некоторой силы на некоторую поверхность и поэтому, чем больше действующая сила, тем больше и этот результат, но чем больше площадь поверхности, на которую действует сила, тем меньше результат воздействия. То есть давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади поверхности. Нам также известно, что давление принято измерять в паскалях в честь французского учёного Блеза Паскаля. Но почему именно в честь него? Какое открытие было им сделано или какое изобретение создано? Об этом и пойдёт речь далее.
2. Блез Паскаль
Французский учёный Блез Паскаль прожил очень короткую, но невероятно насыщенную открытиями и изобретениями жизнь. Например, именно им была создана первая вычислительная машина на основе связанных шестерёнок — «паскалина». Им был проведён эксперимент, доказывающий существование атмосферного давления и подтверждающий результаты опыта по измерению этого давления, который впервые был проведён учеником Галилео Галилея — Эванджелистой Торричелли. Паскаль предложил основную идею гидравлического пресса или домкрата, которая и сейчас применяется во всех гидравлических подъёмных или прессовальных устройствах. Как видим, тот факт, что его именем названа единица измерения давления вовсе не случаен. И самое главное — именно им был открыт ОСНОВНОЙ ЗАКОН ГИДРОСТАТИКИ, называемый также ЗАКОНОМ ПАСКАЛЯ.
3. Закон Паскаля
В чём же заключается основной закон гидростатики? Попробуем в этом разобраться. Известно, что если некоторое твёрдое тело оказывает на некоторую поверхность давление, то при воздействии на это тело с какой-либо силой, тело передаёт это воздействие в виде давления ровно в направлении этого воздействия. То есть, если нажать на стол сверху вниз в том месте, где находится одна из его ножек, то его давление на пол усилится строго в направлении воздействия и только в том месте, где эта самая ножка касается пола. Давление на пол со стороны остальных ножек не изменится. Совсем не так, как оказалось, передаётся давление в жидкостях (и газах). Все мы знаем и легко можем проверить, что если воздействовать на жидкость (или газ) в какой-либо точке, то это воздействие будет передано одинаково во всех направлениях. В этом и заключается основной закон гидростатики — жидкость (или газ) передаёт оказываемое на неё давление одинаково во всех направлениях. Пожалуй, самой зрелищной демонстрацией этого закона является эксперимент, в котором из пневматического ружья стреляют в куриное яйцо — сначала в варёное, в котором нет жидкости, а затем в сырое. Результат выстрела в варёное яйцо — два маленьких отверстия в скорлупке в направлении движения пули. Результат выстрела в сырое яйцо — его разрывание на множество осколков, разлетающихся во всех направлениях. Почему так происходит? В полном соответствии с законом Паскаля. В твёрдом варёном яйце давление передаётся только в направлении движения пули и яйцо остаётся целым и с двумя отверстиями, а в сыром яйце жидкость передаёт давление, создаваемое пулей, во всех направлениях одинаково и скорлупа разлетается на осколки.
4. Применение закона Паскаля
Основной закон гидростатики применяется во всех видах гидравлической техники — домкраты, прессовальные машины, поднимающиеся кузова самосвалов, жидкостные тормоза в автомобилях, а также в различных пневматических (использующих не жидкость, а воздух) системах — пневматическая почта, стоп-краны в поездах и многое другое. Применяя закон, открытый Паскалем в 17 веке, мы сегодня создаём огромное разнообразие устройств, в которых вода, масло, воздух или какой-либо газ передают давление в тех направлениях, в которых нам необходимо.
5. Методические указания для учителей
1) Перед рассказом о законе Паскаля необходимо напомнить учащимся, что такое давление само по себе, как возникает и от чего оно зависит.
2) История жизни Блеза Паскаля и его открытия и изобретения — неотъемлемая часть урока по данной теме.
3) Хорошо, если для демонстрации закона Паскаля используется «шар Паскаля», но в случае отсутствия этого оборудования можно изготовить его самостоятельно из шприца и шарика для настольного тенниса.
4) Эксперимент по демонстрации закона Паскаля с варёным и сырым яйцом проводился в программе «Галилео», видео этого эксперимента находится в свободном доступе на канале Ютуб, желательно, чтобы дети его посмотрели — на уроке или дома.
Закон Паскаля простыми словами: суть и значимость
Изучаем физику: Freepick
На урок физики надо выучить закон Паскаля? Формула проста, но важно понять суть и смысл закона. В этом помогут примеры, которые демонстрируют его действие и которые можно повторить дома. Запомнить закон сможете, если поймете его практическую значимость.
Закон Паскаля: суть, формула
Точные науки, литература и философия — все это входило в широкий круг интересов ученого по фамилии Паскаль. Физика также привлекала его с юных лет: мальчик проводило много экспериментов, а впоследствии сформулировал и доказал ряд важных законов.
Названный позже в честь него закон Паскаль изложил в труде под названием «Трактат о равновесии жидкостей». Написан он был в 1653 году, а опубликован спустя десять лет. Прежде чем перейти к его сути, опишем простой опыт, который демонстрирует действие закона:
Важно отметить, что разрыв происходит не в том месте, где было оказано давление. То есть давим на одну часть, а давление передается на весь пакет. При избыточном давлении происходит разрыв.
Блез Паскаль: Wikimedia
Закон Паскаля гласит: давление, которому подвергаются жидкие или газообразные вещества, достигает каждой их точки. Во всем их объеме оно будет передано одним и тем же образом.
Объяснить закон Паскаля для жидкостей и газов можно тем, что поведение молекул под воздействием внешнего давления отличается от молекул твердых веществ. Способности к движению у них разные. Для первых наблюдается относительно свободное движение, а вот в твердом теле молекулы достаточно ограничены.
Для последних доступны только небольшие колебания с минимальным отклонением от исходных положений. В то же время свободно двигающиеся частички передают давление и распространяют его равномерно.
Как математически выразить закон Паскаля? Формула записывается так: P = F/S. В ней используются такие величины:
Формула Паскаля читается так: один паскаль — это сила в 1Н, которая приложена к площади в 1 кв. метр (1Па = 1Н/м²).
Если жидкость или газ поместить в закрытый сосуд, то молекулы будут постоянно перемещаться и ударяться об его стенки. При наличии мест с разным давлением, они будут двигаться из мест высокого давления в места с низким. За счет этого процесса показатель давления достаточно быстро выравнивается и становится одинаковым по всей площади.
Таков правильный закон Паскаля, который этот выдающийся ученый сформулировал еще в XVII веке.
Закон Паскаля: применение на практике, значение
Мы выяснили, что давление в жидкостях и газа способно распространяться во все стороны, даже вверх. Об этом нам говорит закон Паскаля.
Примеры, подтверждающие закон Паскаля
Примеры также хорошо это демонстрируют:
Почему так происходит? Все дело в том, что верхний слой воды давит на слои, расположенные ниже, а также на воду ниже диска. Это давление передается на диск снизу. Именно благодаря этой силе и поддерживается диск, прижимаясь к краю трубки.
Этот опыт можно продолжить:
В данном опыте вес диска не учитывается, но он не влияет на его объяснение.
Подтверждают данный закон и с помощью эксперимента с сырыми и вареными яйцами. Если взять острый предмет (например, длинный гвоздь) и проткнуть яйца по очереди, то результаты будут разными. Крутые яйца он прокалывает, а сырые разлетаются на мелкие кусочки. На последние закон распространяется, а на вареные — нет.
Применение на практике
Он работает там, где мы и не догадываемся:
Гидравлический пресс: Wikimedia
Работу гидравлического пресса физики описывают таким уравнением: F1/S1 = F2/S2. Отсюда можно вывести соотношение: F2/F1 = S2/S1. То есть сила F2 будет настолько превышать силу F1, во сколько раз площадь большого поршня превышает площадь малого.
Также данный закон говорит о том, что в давление жидкостей внутри сосудов с любой формой и размерами на равной глубине одинаковое. Это можно доказать на таком примере:
По закону Паскаля работают экскаваторы с гидравлическими цилиндрами, которые приводят в движение его стрелу и ковши. Кроме воды, на практике во многих приборах применяется сжатый воздух. Например:
Закон Паскаля не только нашел широкое применение, но и не был пересмотрен и не потерял актуальности. С момента его открытия прошло практически четыре столетия, а мы и сегодня пользуемся открытием талантливого ученого по имени Блез Паскаль.
Уникальная подборка новостей от нашего шеф-редактора
Закон Паскаля
Давление
Идущий по рыхлому снегу человек будет в него постоянно проваливаться. А вот на лыжах он сможет передвигаться по тому же самому снегу спокойно. Казалось бы, ничего не меняется — человек воздействует на снег с одинаковой силой и на лыжах, и без них.
Дело в том, что «проваливание» в снег характеризуется не только силой — оно также зависит от площади, на которую эта сила воздействует. Площадь поверхности лыжи в 20 раз больше площади поверхности подошвы, поэтому человек, стоя на лыжах, действует на каждый квадратный сантиметр с силой в 20 раз меньшей, чем без них.
Или, например, если вы будете с одинаковой силой втыкать кнопки в пробковую доску, легче войдет та кнопка, у которой более заостренный конец, так как его площадь меньше.
Резюмируем: результат действия силы зависит не только от ее модуля, направления и точки приложения, но и от площади поверхности, к которой эта сила приложена.
А теперь подтвердим этот вывод опытами, как настоящие физики.
Возьмем небольшую доску и вобьем гвозди в ее углы. Также возьмем емкость с песком и поставим конструкцию из доски и гвоздей в эту емкость. Сначала расположим конструкцию шляпками вниз и поставим на нее гирю. Конструкция не утонет в песке, а только чуть-чуть углубится в него.
Затем перевернем конструкцию так, чтобы шляпки гвоздей оказались сверху и также поставим на доску гирю. Теперь конструкция утонет в песке.
От того, какая сила действует на каждую единицу площади поверхности, зависит результат действия силы.
Во всех примерах мы говорили о действии силы, перпендикулярной поверхности. Чтобы охарактеризовать это действие, используется величина давление.
Давление
p = F/S
p — давление [Па]
F — сила [Н]
S — площадь [м 2 ]
Как уменьшить или увеличить давление
Тяжелый гусеничный трактор производит давление на почву, равное 40–50 кПа. Мальчик массой 45 кг производит давление всего лишь в 3 раза меньше, чем такой трактор. Это связано с большой площадью гусениц трактора.
В зависимости от того, какое давление хотят получить, площадь опор уменьшают или увеличивают. Например, чтобы уменьшить давление здания на грунт, в процессе строительства увеличивают площадь нижней части фундамента.
Шины грузовых автомобилей делают значительно шире легковых автомобилей. Чтобы убедиться в этом, обратите внимание на колеса какой-нибудь большой фуры. Самые широкие шины можно увидеть на автомобилях, предназначенных для передвижения в пустыне. Тот же лайфхак используется в шасси самолетов.
Обратную зависимость тоже применяют, например, при создании лезвий колющих и режущих инструментов. Острое лезвие имеет малую площадь, поэтому даже при небольшом нажатии создается большое давление.
Задачка раз
Книга лежит на столе. Масса книги равна 0,6 кг. Площадь ее соприкосновения со столом равна 0,08 м2. Определите давление книги на стол.
Решение
На стол будет давить сила, равная весу книги. Так как она покоится, ее вес будет равен силе тяжести. Следовательно:
p = mg/S = 0,6 × 10 / 0,08 = 75 Па
Ответ: давление книги на стол будет равно 75 Па.
Задачка два
Решение:
p = mg/S = 6 610 × 10 / 1,4 = 47 214 Па = 47,2 кПа
Ответ: давление трактора на почву составляет 47,2 кПа.
Задачка три
Человек массой 80 кг с сумкой весом 100 Н стоит неподвижно на полу. Сила давления подошв его ботинок на пол равномерно распределена по площади 600 см2. Какое давление человек оказывает на пол?
Решение
Масса человека: m = 80 кг.
Вес сумки, которую держит человек: Pc = 100 Н.
600 см 2 = 600 / 10 000 м 2 = 0,06 м 2
Давление — это отношение силы к площади, на которую она действует. В данном случае на площадь действует сила, равная сумме силы тяжести человека и веса сумки:
Поэтому давление, оказываемое человеком с сумкой на пол, равно:
p = (mg + Pс) / S = (80 × 10 + 100) / 0,06 = 15 000 Па = 15 кПа
Ответ: давление человека с сумкой на пол равно 15 кПа.
Определение закона Паскаля
Итак, мы подошли к формулировке закона Паскаля, и звучит она так:
Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку одинаково во всех направлениях.
Обратите внимание — закон работает только с жидкостями и газами. Дело в том, что молекулы жидких и газообразных веществ под давлением ведут себя совсем не так, как молекулы твердых тел. Если молекулы жидкости и газа движутся почти свободно, то молекулы твердых тел так не умеют. Они могут лишь колебаться, немного отклоняясь от исходного положения. Именно благодаря свободному передвижению молекулы газа и жидкости оказывают давление во всех направлениях.
Рассмотрим опыт с шаром Паскаля, чтобы стало понятнее.
Присоединим к трубе с поршнем полый шар со множеством небольших отверстий. Зальем в шар воду и будем давить на поршень. Давление в трубе вырастет и вода будет выливаться через отверстия, причем напор всех струй будет одинаковым. Такой же результат получится, если вместо воды в шарике будет газ.
Давление жидкости
Из закона Паскаля следует, что раз давление передается одинаково во всех направлениях, то верхние слои жидкости давят на средние, средние — на нижние, нижние — на дно сосуда.
Давление внутри жидкости на одном и том же уровне одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается.
Это утверждение проверяется с помощью манометра — прибора для измерения давления. Чем глубже мы измеряем давление, тем больше показания.
