Сайт по физике

   Представим себе весьма малую площадку внутри жидкости, находя­щейся в покое. Жидкая среда произ­водит давление на эту площадку (сила давления, деленная на площадь). Если эта площадка настолько мала, что ве­личина ее почти равна нулю, то дав­ление на нее называется давлением в точке этой жидкости. Заметьте, что давление (определяемое как нормаль­ная сила давления на единицу пло­щади поверхности) является скаляр­ной, а не векторной величиной.

   Важно понимать, что давление в точке жидкости зависит только от вер­тикальной  глубины нахождения этой точки. Отсюда следует, что давление во всех точках на одном и том же го­ризонтальном уровне в жидкости должно быть одинаковым.

 Природа давления в жидкостях не­сколько отличается от природы дав­ления в твердых веществах и газах. В жидкостях силы, удерживающие мо­лекулы вместе, недостаточно сильны для придания жидкости определенной формы, и поэтому жидкость приходит­ся держать в сосуде. Молекулы в жид­кости движутся внутри ее и «сталки­ваются» со стенками сосуда. Хотя дви­жение молекул жидкости медленнее движения молекул газа, но зато в жидкостях гораздо больше молекул приходится на единицу объема, чем в газах. Как и у твердых тел, молекулы жидкости оказывают своим весом дав­ление на дно сосуда, и эта вертикаль­но направленная сила производит давление на горизонтальную поверх­ность, на которой стоит сосуд.

В твердых телах

   Давление, которое производит твердое тело на поверхность опоры, может быть объяснено в понятиях вза­имодействия между молекулами двух исследуемых тел. Когда две твердые поверхности плотно соприкасаются, колебания молекул приводят к пересе­чению электронных облаков соседних молекул в области соприкосновения и возникает сила отталкивания. Чем теснее поверхности войдут в соприкос­новение, тем больше и сила оттал­кивания. Поскольку молекулы в твер­дом теле колеблются вокруг опреде­ленного среднего положения, поэтому результирующей силой, возникающей при соударениях молекул поверхности одного тела с молекулами поверхности другого, можно пренебречь. Причиной возникновения силы, которая прижи­мает тело к опоре, является сила при­тяжения его Землей.

  Давление — это нормальная к по­верхности (перпендикулярная) сила, действующая на единицу площади: р = F/A. Единица давления в сис­теме СИ — H/м², она известна как паскаль Па.

Сила, с которой твердое тело дейст­вует на поверхность, на которую оно опирается, равна весу этого тела: W = mg (Н), Если поверхность горизон­тальна и площадь соприкосновения ме­жду твердым телом и этой поверхностью равна А (м²), то дав­ление р, оказываемое твердым телом па эту поверхность, определяется по формуле p =W/A = mg/A Па. Когда же поддерживающая поверхность на­клонена под углом 0 к горизонту (см. рис.), давление па поверхность равно mgcos0/A Па, потому что составляющая веса W действующего нормально к поверхности, равна mgcos0.

 Условие плавания тел следующее: если вес тела в точности равен весу вытесненной им жидкости, оно будет находиться в равновесии внутри жид­кости (плавать).

 Ареометры

Прибором, принцип действия ко­торого основан на законе Архимеда, является ареометр постоянного веса, который плавает на разных уровнях в жидкостях с различной плотностью. Один из видов такого ареометра по­казан на рисунке. Ареометр по­гружается в жидкость до тех пор, пока вес вытесненной жидкости не уравняется с его весом. Ареометр про градуирован для измерения плотности жидкости в кг-м^-3. Он плавает вер­тикально, потому что его колба на­гружена свинцовой дробью. Узкая стеклянная трубка ареометра дает большую точность показаний.

 Выталкивание имеет место не толь­ко в жидкостях, оно также может про­исходить и в газах. Например, и шары, наполненные горячим воздухом или водородом, и дирижабли, и пр. все могут плавать или даже подниматься в воздух вследствие выталкивания, когда объект вытесняет большой объем воздуха, вес которого равен весу объекта или превышает его. Представьте шар, надутый воздухом, как на рисунке. Вес воздуха внутри шара и вес материала, из ко­торого он сделан, в сумме всегда бу­дут больше веса воздуха, вытесняемого шаром, поскольку объем вытеснен­ного воздуха приблизительно равен объему воздуха внутри шара. Поэтому подъемная сила U₁меньше веса W₁ и результирующая сила, направленная вниз, которая действует на шар, за­ставляет его медленно опускаться. Су­ществует также тормозящая сила тре­ния F (сопротивление воздуха), воз­никающая вследствие движения шара в воздухе, которая замедляет это движение.

    Хорошо известно, что определен­ные твердые вещества, например проб­ка и дерево, плавают в воде, в то время как другие, такие, как стекло, камень и металлы, тонут. Какие же свойства твердого тела и жидкости определяют, утонет тело или нет? Решающим фак­тором является соотношение плотнос­ти твердого тела и плотности жид­кости. Если плотность твердого тела больше плотности жидкости, то его масса более плотно упакована в дан­ный объем. Поэтому вес жидкости, ко­торую он вытесняет, меньше его веса, и, таким образом, выталкивающая сила также меньше, чем вес твердого тела. Таким образом, присутству­ет направленная вниз результирую­щая сила (W - U) = (вес - вытал­кивающая сила), которая действует на твердое тело, и оно тонет.

    Ускорение твердого тела при погружении в воду будет меньше ускорения свободного падения. Вместе с тем сопротив­ление воды движению твердого тела мало, и поэтому оно ускоряется доста­точно быстро.

    Если стальной шарик брошен в вязкую жидкость, такую, как гли­церин, то все происходит совсем иначе. Когда шарик брошен в эту жидкость, он ускоряется; сила внутреннего тре­ния (вязкость) F глицерина, дейст­вующая на шарик, увеличивается со скоростью шарика до тех пор, пока эта и выталкивающая силы в сумме не станут равны его весу. Когда силы уравновесятся, шарик продолжит дви­жение с постоянной скоростью, извест­ной под названием предельной ско­рости падения.