Давление и сила давления

В прошлом году мы выполнили проектную работу на тему «Давление и его значение в практической деятельности». Нас заинтересовало значение давления в окружающем нас мире. Было интересно найти применение наших знаний в практических целях.

Нам очень нравится ходить на прогулки в зимний лес. Стало интересно: почему можно проваливаться в сугроб, стоя без лыж, а на лыжах можно скользить по любым снежным горкам. Дома, садясь на жёсткий табурет, не возможно просидеть очень долго, а на мягком кресле можно сидеть часами. Почему?

Разглядывая различные машины, мы обращаем внимание на различные размеры колёс. Почему у большегрузных машин и вездеходов шины очень широкие?

Понятие давления.

Давление и сила давления

Нам неоднократно приходилось наблюдать, как действие одной и той же силы приводит к разным результатам. Например, как бы сильно мы не давили на доску, нам вряд ли удастся проткнуть её пальцем. Но действуя с той же силой на шляпку канцелярской кнопки, мы легко загоняем острый конец в ту же самую доску. Чтобы не проваливаться в глубокий снег, человек надевает лыжи. И хотя вес человека при этом не меняется, на лыжах он не продавливает поверхность снега.

Эти и множество других примеров показывают, что результат действия силы зависит не только от её численного значения, но и площади поверхности, одна и та же сила оказывает разное давление.

Давлением называют отношение силы, действующей на поверхность тела перпендикулярно этой поверхности, к площади этой поверхности:

ДАВЛЕНИЕ = СИЛА_

ПЛОЩАДЬ

Давление принято обозначать буквой р. Поэтому можно записать формулу, используя буквенные обозначения (вспомним, что сила обозначается буквой F, а площадь – S): р = _F_

Давление показывает, какая сила действует на единицу площади поверхности тела. Единица давления – паскаль (Па). Давление в один Паскаль оказывает сила в один ньютон на площадь в один квадратный метр: 1 Па = 1 Н/1м².

Силу, которая создаёт давление на какую-либо поверхность, называют силой давления.

Если умножить давление на величину площади поверхности, то можно вычислить силу давления: сила давления = давление площадь, или то же самое в буквенных обозначениях:

F = р ∙ S

Чтобы уменьшить давление, достаточно увеличить площадь, на которую действует сила. Например, увеличивая площадь нижней части фундамента, тем самым уменьшают давление дома на грунт. У тракторов и танков большая опорная площадь гусениц, поэтому, несмотря на значительный вес, их давление на грунт не так велико: эти машины могут проходить даже по топким болотистым почвам.

В случаях, когда необходимо увеличить давление, уменьшают площадь поверхности (при этом сила давления остаётся той же). Так, для увеличения давления затачивают колющие и режущие инструменты – ножницы, ножи, иглы, кусачки.

2. Давление на глубине

Водолаз в лёгком снаряжении может погрузиться в воду на глубину примерно до 80 метров. При необходимости более глубокого погружения применяют специальные скафандры, а также используют специальные глубоководные аппараты–подводные лодки, батискафы. Они защищают человека от громадного давления, действующего на тело, погруженного на глубину. Как возникает это давление?

Мысленно разобьём жидкость на горизонтальные слои. На верхний слой жидкостей действует сила тяжести, поэтому вес верхнего слоя жидкости создаёт давление на второй слой. На второй слой также действует сила тяжести, и вес второго слоя создаёт давление на третий слой. Однако, по закону Паскаля, второй слой без изменения передаёт третьему слою ещё и давление верхнего слоя. Значит, третий слой находится под большим давлением, чем второй. Аналогичная картина наблюдается с последующими слоями: чем глубже, тем давление больше. В сжатой этим давлением жидкости возникает сила упругости, которая оказывает давление на стенки и дно сосуда и на дно поверхности погруженных в жидкость тел.

Рассчитаем, какое давление оказывает столб жидкости высотой h на дно сосуда, площадь которого S. На дно сосуда оказывает давление вес равный силе тяжести. Силу тяжести подсчитываем по известной нам формуле: Fтяж = m g, где m- это масса жидкости. Хотя масса нам неизвестна, мы можем её рассчитать по объёму и плотности: m = p V

Плотность возьмём из таблицы, а объем V вычислим. Объём, как известно, равен произведению площади основания S на высоту h; V=s h. Масса жидкости получится равной: m = p V= p S h

Подставим массу в формулу для расчёта силы тяжести:

Fтяж= m g = p S h g

Определим давление жидкости на дно сосуда:

P= p h g.

Как видно из формулы, давление жидкости на дно сосуда прямо пропорционально высоте столба жидкости.

По этой же формуле можно вычислить давление столба жидкости: тогда в качестве h мы должны подставить глубину, на которой хотим определить давление.

Поскольку закон Паскаля справедлив не только для жидкостей, но и для газов, то все приведённые выше рассуждения и выводы относятся не только к жидкостям, но и к газам.

Часто говорят, что мы живём на дне воздушного слоя воздуха, окружающего Землю. Это – атмосферное давление. Известно, что с увеличением высоты над уровнем моря, атмосферное давление убывает. Это легко объяснить: чем выше мы поднимаемся, тем меньше высота столба воздуха h, а значит, меньше и создаваемое им давление.

3. Передача давления жидкостями и газами

Твёрдые тела передают оказываемое на них давление в направлении действия силы. Например, кнопка продавливает доску в том же направлении, в котором на неё давит палец.

Совсем иначе обстоит дело с жидкостями и газами. Если мы надуваем воздушный шарик, то своим дыханием оказываем давление во вполне определённом направлении. Однако при этом шарик раздувается во все стороны.

Играя с самодельными брызгалками, мальчишки сдавливают с боков пластмассовые баночки, заполненные водой. При этом вода бьет из отверстия в пробке – направление давления изменяется. Эти и подобные опыты подтверждают закон Паскаля, который гласит: жидкости и газы передают оказываемое на них давление без изменения в каждую точку жидкости или газа.

Такое свойство жидкостей и газов объясняется их строением. В том месте жидкости или газа, на котором оказывается давление, частицы вещества расположатся более плотно, чем раньше. Но частицы вещества в жидкости и газе подвижны, и по этой причине не могут располагаться в одном месте более плотно, чем в другом. Поэтому частицы снова распределяются равномерно, но на более близком расстоянии друг от друга. Давление, оказанное на часть частиц вещества, предаётся всем остальным частицам.

Закон Паскаля лежит в основе конструкции гидравлических и пневматических машин и устройств.

Основу гидравлических машины составляют два цилиндрических сосуда разного диаметра, заполненные жидкостью, как правило маслом. Сосуды соединены между собой трубкой. В каждом из сосудов есть поршень, который плотно прилегает к стенкам сосуда, но в то же время может свободно перемещаться вверх и вниз.

Если на поршень малого цилиндра подействовать силой F1, то, зная его площадь (обозначим её S1), легко вычислить оказываемое на него давление:

P = F1 : S1 (1)

По закону Паскаля, жидкость передаст это давление большому поршню без изменения: снизу на большой поршень жидкость оказывает давление р. Учитывая, что площадь большого поршня S2, вычислим силу давления F2:

F2 = p S2 (2)

Выразим из формулы (2) давление и получим:

P = F 2 : S2 (3)

Обратим внимание, что левые части равенства (1) и (3) равны друг другу. Значит, равны и правые части этих равенств, то есть:

F1 = F2

Откуда следует, что

F2 = S2

Таким образом, мы получили следующий результат: во сколько раз площадь второго поршня больше площади первого, во столько же раз гидравлическая машина даёт выигрыш в силе.

Конструкции, созданные на основе принципа гидравлической машины, находят широкое применение в технике.

Глава 2. Практическое применение

1. Расчёт давления человека на лыжах и без них.

Для того, чтобы рассчитать давление человека, которое он оказывает, стоя на лыжах воспользуемся формулой: p =

Моя масса равна 46 килограммов. Зная, что сила тяжести рассчитывается по формуле

Fт = mg ; основная формула примет следующий вид: p = ; где S – площадь обеих лыж, зная размеры лыж, вычислим её.

Размеры лыжи 1,6м 0,04 м; то S1 = 1,6 0,04 = 0,064 (м ²) (Это площадь одной лыжи, а у нас их две). В результате конечная расчетная формула будет иметь следующий вид: p = = = 3593 = 3593Па

Теперь рассчитаем давление, которое я оказываю, стоя на полу. Вычислим размеры подошвы обуви 26см * 10,5 см, то

S2 = 0,26м * 0,105м = 0,027м² (это площадь одной подошвы, у нас их две). В результате конечная расчетная формула будет иметь следующий вид:

Р2 = = 8518 Па

В результате полученных вычислений выяснили – давление на лыжах равно 3595 Па, а давление без лыж на опору 8518 Па.

Р 1 < Р 2

3593 Па < 8518 Па в 2,3 раза

В результате полученных вычислений площадь лыж равна 0,128м², а площадь подошвы равна 0,054 м².

S1 > S2

0,128м² > 0,054м² в 2,3 раза.

Отсюда можно сделать следующий вывод: во сколько раз увеличиваем площадь опоры, во столько же раз уменьшается давление, которое мы создаем на опору.

2. Расчёт давления на опору в разных положениях бруска.

Нам необходимо это сделать для того, чтобы выяснить, как делать кладку из кирпичей на даче? В каком из случаев будет оказываться меньшее давление?

Измерим экспериментальны брусок. Размеры бруска 10см * 6см * 4 см. Для расчетов воспользуемся следующими формулами: p = Fт = mg p =

Найдём площади граней:

S1 = 0,1м * 0,06м = 0,006 м²

S2 = 0,1м * 0,04м = 0,004 м²

S3 = 0,06 * 0,04м = 0,0024м²

Взвесим брусок. m = 100г = 0,1 кг

Выполним необходимые расчёты.

р1 = = Па = 167 Па р2 = = Па = 250 Па р3 = Па = 417 Па

Рассмотрев зависимость давления от площади опоры, приходим к выводу: во сколько раз увеличиваем площадь опоры, во столько же раз уменьшается давление, которое мы создаем на опору.

р1 (167 Па) < р2 (250 Па) < р3 (417 Па), т. к.

S1 (0,006м²) > S2 (0,004м²) > S3 (0,0024м²)

3. Расчёт давления жидкости на дно сосудов.

В практической жизни мы встречаемся с сосудами различной формы: банки разных размеров, бутылки, кастрюли, кружки. Рассчитаем, какое давление на дно сосудов разной формы оказывает столб воды.

Нальём воду в 3-х литровую и литровую банку 1 литр воды и рассчитаем давление жидкости на дно сосудов. Высота столба жидкости в банках различная. В 3-х литровой банке равна 5 см, а литровой 14 см.

Расчетная формула для нахождения давления в жидкости:

Р = ρ g h ρ = 1000 кг/м² (плотность воды) h1= 14 см = 0,14 м h2 = 5 см =0,05 м

Давление на дно литровой банки: Р1 = 1000кг/м * 10Н/кг * 0,14м = 1400Н/м = 1400Па

Давление на дно 3-х литровой банки: Р2 = 1000кг/м * 10Н/кг * 0,05м = 500Н/кг = 500Па h1 (0,14 м) > h2 (0,05м) р1 (1400 Па) > р2 (500 Па)

В результате эксперимента мы выяснили, что одинаковое количество воды оказывает различное давление на дно сосудов и напрямую зависит только от высоты столба жидкости.

Глава 3. Давление в природе и технике.

Когда мы знакомились с литературой по теме Давление», то узнали очень много интересного и поучительно.

1. Атмосферное давление в живой природе

Мухи и древесные лягушки могут держаться на оконном стекле благодаря крошечным присоскам, в которых создаётся разряжение, и атмосферное давление удерживает присоску на стекле.

Рыбы-прилипалы имеют присасывающую поверхность, состоящую из ряда складок, образующих глубокие «карманы». При попытке оторвать присоску от поверхности, к которой она прилипла, глубина карманов увеличивается, давление в них уменьшается и тогда внешнее давление ещё сильнее прижимает присоску.

Слон использует атмосферное давление всякий раз, когда хочет пить. Шея у него короткая, и он не может нагнуть голову в воду, а опускает только хобот и втягивает воздух. Под действием атмосферного давления хобот наполняется водой, тогда слон изгибает его и выливает воду в рот.

Засасывающее действие болота объясняется тем, что при поднятии ноги под ней образуется разряжённое пространство. Перевес атмосферного давления в этом случае может достигать 1000Н на площадь ноги взрослого человека. Однако копыта парнокопытных животных при вытаскивании из трясины пропускают воздух через свой разрез в образовавшееся разряжённое пространство. Давление сверху и снизу копыта выравнивается, и нога вынимается без особого труда.

2. Использование давления в технике.

давление на морских глубинах очень велико, поэтому человек не может находиться на глубине без специальных аппаратов. С аквалангом человек может опуститься на глубину около 100 метров. Защитив себя корпусом подводной лодки, человек может опуститься уже до километра в глубь моря. И лишь специальные аппараты – батискафы и батисферы – позволяют опускаться до глубин нескольких километров.

В прошлом году прошли глубоководные исследования нашего озера Байкал. Аппарат, который опускался на дно священного озера, называется «Мир». Были сделаны уникальные фотографии ландшафта, флоры и фауны Байкала. Взяты пробы грунта дна озера. Планируется дальнейшее продолжение начатой работы по изучению самого глубокого озера мира.

при глубоком погружении с аквалангом человек должен предохранить себя от кессонной болезни. Она возникает, если аквалангист быстро поднимается с глубины на поверхность. Давление воды резко уменьшается и растворённый в крови воздух расширяется. Образующиеся пузырьки закупоривают кровеносные сосуды, мешая движению крови, и человек может погибнуть. Поэтому аквалангисты всплывают медленно, чтобы кровь успевала уносить образующиеся пузырьки воздуха в легкие.

Атмосфера вращается вокруг земной оси вместе с Землей. Если бы атмосфера была неподвижна, то на Земле постоянно бы царил ураган со скоростью ветра свыше 1500км/ч.

из-за давления атмосферы на каждый квадратный сантиметр нашего тела действует сила 10Н.

некоторые планеты солнечной системы тоже имеют атмосферы, однако их давление не позволяет человеку находиться там без скафандра. На Венере, например, атмосферное давление около 100 атм, на Марсе – около 0,006 атм.

барометры Торричелли являются самыми точными барометров. Ими оборудованы метеорологические станции и по их показаниям проверяется работа Барометров-анероидов.

барометр-анероид – очень чувствительный прибор. Например, поднимаясь на последний этаж 9-ти этажного дома, из-за различия атмосферного давления на различной высоте мы обнаружим уменьшение атмосферного давления на 2-3 мм рт. ст.

искусственное понижение или повышение атмосферного давления в специальных помещениях – барокамерах – используют в лечебных целях. Одним из методов баротерапии (греч. «терапия» - лечение) является постановка стеклянных медицинских банок в домашних условиях.

втыкая иглу или булавку в ткань, мы создаём давление около 100МПа.

3. Интересные факты

*Почему на простом табурете сидеть жестко, в то время как на стуле, тоже деревянном, нисколько не жестко? Почему мягко лежать в верёвочном гамаке, который сплетён низ довольно твёрдых шнурков?*

Нетрудно догадаться. Сиденье простого табурета плоско; наше тело соприкасается с ним лишь по небольшой поверхности, на которой и сосредоточивается вся тяжесть туловища. У стула же сиденье вогнутое; оно соприкасается с телом по большой поверхности; по этой поверхности и распределяется вес туловища: на единицу поверхности приходится меньший груз, меньшее давление.

Для большегрузных автомобилей изготавливают очень широкие шины. Это позволяет снизить давление на дорогу. Давление следует уменьшать при движении по заболоченной поверхности. Для этого настилают деревянные чаги, по которым могут ехать даже танки.

Иглы, лезвия, режущие предметы остро оттачиваются, чтобы при малых силах на острие создавалось большое давление. Такими инструментами намного проще работать.

В животном мире это тоже можно наблюдать. Это – клыки у зверей, когти, клювы и т. д.

Как мы пьём?

Неужели и над этим можно задуматься? Конечно. Мы приставляем стакан или ложку с жидкостью ко рту и «втягиваем» в себя их содержимое. Вот это-то простое «втягивание» жидкости, к которому мы так привыкли, и надо объяснить. Почему, в самом деле, жидкость устремляется к нам в рот? Что её увлекает? Причина такова: при питье мы расширяем грудную клетку и тем разрежаем воздух во рту; под давлением наружного воздуха жидкость устремляется в то пространство, где давление меньше, и таким образом проникает в наш рот.

Наоборот, захватив губами горлышко бутылки, вы никакими усилиями не «втяните» из неё воду в рот, так как давление воздуха во рту и над водой одинаково.

Итак, строго говоря, мы пьём не только ртом, но и лёгкими; ведь расширение лёгких – причина того, что жидкость устремляется в наш рот.

Выводы:

В ходе выполненной работы мы глубоко узнали понятие «Давления» с физической точки зрения. Рассмотрели его применение в различных жизненных ситуациях, в природе и технике. Узнали значимость этого понятия для животного мира, рассмотрели случаи практического применения давления в жизни человека и живой природы. Рассчитали, применяя математические навыки и изучили закономерности проявления давления в следующих ситуациях:

• давление человека в различных ситуациях;

• давление жидкости на дно сосудов;

• давление твёрдого тела на опору;

• давление собственного тела в экстремальной ситуации.

В результате исследований были получены следующие выводы:

1. В твёрдых телах давление можно уменьшить, увеличив площадь опоры.

2. В жидкостях и газах давление напрямую зависит от высоты столба жидкости или газа