Давление воды в разных сосудах

Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные между собой ниже уровня жидкости в каждом из сосудов. Таким образом жидкость может перемещаться из одного сосуда в другой.

Перед тем как понять принцип действия сообщающихся сосудов и варианты их использования необходимо определиться в понятиях, а точнее разобраться с основным уравнением гидростатики.

Итак, сообщающиеся сосуды имеют одно общее дно и закон о сообщающихся сосудах гласит:

Какую бы форму не имели такие сосуды, на поверхности однородных жидкостей в состоянии покоя на одном уровне действует одинаковое давление.

Для иллюстрации этого закона и возможностей его применения начнем с рассмотрения основного уравнения гидростатики.

Основное уравнение гидростатики

P = P1 + ρgh

где P1 – это среднее давление на верхний торец призмы,

P – давление на нижний торец,
g – ускорение свободного падения,
h – глубина погружения призмы под свободной поверхностью жидкости.

ρgh – сила тяжести (вес призмы).

Звучит уравнение так:

Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается в жидкости одинаково во всех направлениях.

Из написанного выше уравнения следует, что если давление, например в верхней точке изменится на какую-то величину ΔР, то на такую же величину изменится давление в любой другой точке жидкости

Доказательство закона сообщающихся сосудов

Возвращаемся к разговору про сообщающиеся сосуды.

Предположим, что имеются два сообщающихся сосуда А и В, заполненные различными жидкостями с плотностями ρ1 и ρ2. Будем считать, что в общем случае сосуды закрыты и давления на свободных поверхностях жидкости в них соответственно равны P1 и P2.

Пусть поверхностью раздела жидкостей будет поверхность ab в сосуде А и слой жидкости в этом сосуде равен h1. Определим в заданных условиях уровень воды в сообщающихся сосудах – начнем с сосуда В.

Гидростатическое давление в плоскости ab, в соответствии с уравнение гидростатики

P = P1 + ρgh1

если определять его, исходя из известного давления P1 на поверхность жидкости в сосуде А.

Это давление можно определить следующим образом

P = P2 + ρgh2

где h2 – искомая глубина нагружения поверхности ab под уровнем жидкости в сосуде В. Отсюда выводим условие для определения величины h2

P1 + ρ1gh1 = P2 + ρ2gh2

В частном случае, когда сосуды открыты (двление на свободной поверхности равно атмосферному), а следовательно P1 = P2 = Pатм , имеем

ρ1h1 = ρ2h2

или

ρ1 / ρ2 = h2 / h1

т.е. закон сообщающихся сосудов состоит в следующем.

В сообщающихся сосудах при одинаковом давлении на свободных поверхностях высоты жидкостей, отсчитываемые от поверхности раздела, обратно пропорциональны плотностям жидкостей.

Свойства сообщающихся сосудов

Если уровень в сосудах одинаковый, то жидкость одинаково давит на стенки обоих сосудов. А можно ли изменить уровень жидкости в одном из сосудов.

Можно. С помощью перегородки. Перегородка, установленная между сосудами перекроет сообщение. Далее доливая жидкость в один из сосудов мы создаем так называемый подпор – давление столба жидкости.

Если затем убрать перегородку, то жидкость начнет перетекать в тот сосуд где её уровень ниже до тех пор пока высота жидкости в обоих сосудах не станет одинаковой.

В быту этот принцип используется например в водонапорной башне. Наполняя водой высокую башню в ней создают подпор. Затем открывают вентили, расположенные на нижнем этаже и вода устремляется по трубопроводам в каждый подключенный к водоснабжению дом.

Приборы основанные на законе сообщающихся сосудов

На принципе сообщающихся сосудов основано устройство очень простого прибора для определения плотности жидкости. Этот прибор представляет собой два сообщающихся сосуда – две вертикальные стеклянные трубки А и В, соединенные между собой изогнутым коленом С. Одна из вертикальных трубок заполняется исследуемой жидкостью, а другая жидкостью известной плотности ρ1 (например водой), причем в таких количествах, чтобы уровни жидкости в среднем колене находились на одной и той же отметке прибора 0.

Затем измеряют высоты стояния жидкостей в трубках над этой отметкой h1 и h2. И имея ввиду, что эти высоты обратно пропорциональны плотностям легко находят плотность исследуемой жидкости.

В случае, когда оба сосуде заполнены одной и той же жидкостью – высоты, на которые поднимется жидкость в сообщающихся сосудах, будут одинаковы. На этом принципе основано устройство так называемого водометного стекла А. Его применяют для определения уровня жидкости в закрытых сосудах, например резервуарах, паровых котлах и т.д.

Принцип сообщающихся сосудов заложен в основе ряда других приборов, предназначенных для измерения давления.

Применение сообщающихся сосудов

Простейшим прибором жидкостного типа является пьезометр, измеряющий давление в жидкости высотой столба той же жидкости.

Пьезометр представляет собой стеклянную трубку небольшого диаметра (обычно не более 5 мм), открытую с одного конца и вторым концом присоединяемую к сосуду, в котором измеряется давление.

Высота поднятия жидкости в пьезометрической трубке – так называемая пьезометрическая высота – характеризует избыточное давление в сосуде и может служить мерой для определения его величины.

Пьезометр – очень чувствительный и точный прибор, но он удобен только для измерения небольших давлений. При больших давлениях трубка пьезометра получается очень длинной, что усложняет измерения.

В этом случае используют жидкостные манометры, в которых давление уравновешивается не жидкостью, которой может быть вода в сообщающихся сосудах, а жидкостью большей плотности. Обычно такой жидкостью выступает ртуть.

Так как плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды и при измерении одних и тех же давлений трубка ртутного манометра оказывается значительно короче пьезометрической трубки и сам прибор получается компактнее.

В случае если необходимо измерить не давление в сосуде, а разность давлений в двух сосудах или, например, в двух точках жидкости в одном и том же сосуде применяют дифференциальные манометры.

Сообщающиеся сосуды находят применение в водяных и ртутных приборах жидкостного типа, но ограничиваются областью сравнительно небольших давлений – в основном они применяются в лабораториях, где ценятся благодаря своей простоте и высокой точности.

Когда необходимо измерить большое давление применяются приборы основанные на механических принципах. Наиболее распространенный из них – пружинный манометр. Под действием давления пружина манометра частично распрямляется и посредством зубчатого механизма приводит в движение стрелку, по отклонению которой на циферблате показана величина давления.

Видео по теме

Ещё одним устройством использующим принцип сообщающихся сосудов хорошо знакомым автолюбителем является гидравлический пресс(домкрат). Конструктивно он состоит из двух цилиндров: одного большого, другого маленького. При воздействии на поршень малого цилиндра на большой передается усилие во столько раз большего давления во сколько площадь большого поршня больше площади малого.

Вместе со статьей “Закон сообщающихся сосудов и его применение.” читают:

Давление

«Давление». Значит, что-то на что-то давит. То есть воздействует. Хм… Кажется, у нас уже была физическая величина, которая показывала, как интенсивно что-то действует на что-то другое. Какая это величина, как вы думаете?

Какая величина описывает интенсивность действия одного тела на другое?

Работа.

Сила.

Импульс.

Кинетическая энергия.

Давление. «Опять новая величина? А что, тех величин, которые уже есть, недостаточно? – резонно можете спросить вы. – У нас есть понятие силы для того, чтобы описывать, как и что действует на некоторое тело. Зачем ещё и давление?» Понять, зачем нужно давление, вам поможет следующий пример.

Представьте себе ситуацию: есть 101010 человек, и на них сверху опускают тяжеленную коробку массой в 500500500 килограмм.

Смогут ли они удержать такую коробку? Смогут. Почему?

Почему десять человек смогут удержать коробку массой 500500500 кг?

Потому что они сильны духом.

Потому что с ними бог.

Потому что на одного человека приходится небольшая масса в 505050 кг.

Потому что 500500500 кг легко удержит и один человек.

А смог ли бы удержать коробку массой 500500500 кг один человек? Нет, скорее всего – она бы его раздавила.

Отсюда мы можем сделать вывод, что имеет значение не только масса тела, не только сила тяжести тела, не только интенсивность воздействия – то есть сила FFF – но и то, как распределяется эта нагрузка. Если сила действует на некоторое тело, которое имеет некоторый размер, то логично, что будет иметь значение, на какую площадь SSS воздействует эта нагрузка.

Давление – величина, которая учитывает распределение воздействия некоторой силы FFF на некоторую площадь SSS.

Как вы думаете, как будет правильно в таком случае записать формулу для давления ppp? Выберите правильный вариант.

p=F−Sp = F – Sp=F−S.

p=FSp = frac{F}{S}p=SF​.

p=SFp = frac{S}{F}p=FS​.

p=FSp = FS p=FS.

Итак, запишем формулу давления:

p=FSp=frac{F}{S}p=SF​.

Стоит отметить, что площадь SSS, которая входит в формулу давления, – это площадь соприкосновения предмета, «который давит», и предмета, «на который давят». Например, если человек идет по поверхности льда пруда площадью 400400400 кв. м., то в формулу давления, которое человек оказывает на лед, надо подставить площадь подошв его ботинок, а не всей поверхности пруда целиком.

Единица измерения давления – Паскаль:

[p]=[FS]=Ньютонметр2=Паскаль=Па [p] = [ frac{F}{S} ] =frac{Ньютон}{метр^2}= Паскаль = Па[p]=[SF​]=метр2Ньютон​=Паскаль=Па.

Разберем задачу.

Условие

Аквариум, изображённый на рисунке, доверху наполнили водой. Найдите давление воды на дно аквариума. Плотность воды равна ρrhoρ. Атмосферное давление не учитывать.

1. ρgarho gaρga
2. 2ρga32 rho g a^3 2ρga3
3. Pg2a2frac{Pg}{2a^2}2a2Pg​
4. 2ρga2 rho ga 2ρga

(Источник: ЕГЭ-2013. Физика. Реальный экзамен. Урал. Вариант 1)

Решение

Шаг 1. Вспомним формулу давления.

Выберите правильную формулу для давления.

p=F−Sp = F – Sp=F−S

p=FSp = frac{F}{S}p=SF​

p=SFp = frac{S}{F}p=FS​

p=FSp = FS p=FS

Какая сила давит на дно сосуда?

сила тяжести воды

сила реакции опоры сосуда

сила трения воды о стенки сосуда

сила вязкого внутреннего трения жидкости

Как можно вычислить силу тяжести воды?

F=mghF = mghF=mgh

F=mgF = mgF=mg

F=mgSF = frac{mg}{S}F=Smg​

F=mgSF = mgSF=mgS

Как можно вычислить силу тяжести, зная размеры сосуда и плотность?

F=mg=4ρa3gF = mg = 4 rho a^3 g F=mg=4ρa3g

F=mg=2ρagF = mg = 2 rho ag F=mg=2ρag

F=mg=ρagF = mg = rho ag F=mg=ρag

F=mg=ρgF = mg = rho g F=mg=ρg

Шаг 5. Вычислим давление по формуле p=FSp = frac{F}{S}p=SF​.
Подставим в формулу давления ранее полученное выражение для силы:

p=FS=4ρa3g2a⋅a=2ρagp = frac{F}{S} = frac{4 rho a^3 g}{2a cdot a} = 2 rho agp=SF​=2a⋅a4ρa3g​=2ρag.

Правильный ответ: 4) 2ρga2 rho ga2ρga.

Давление столба жидкости

Представьте, что вы опустились со специальным аквалангом на дно озера.

Если вы поднимите голову вверх, то увидите, что над вами находится толща воды. Целый водяной столб. И он находится прямо над вами.

Как вы думаете, что он делает с вами?

Ничего не делает.

Выталкивает меня наверх.

Давит на меня.

Пытается сместить меня вбок.

На столб действует сила тяжести: F=mgF = mgF=mg.

Если площадь человека в поперечине равна SSS, то на человека будет оказываться давление: p=FS=mgSp = frac{F}{S} = frac{mg}{S} p=SF​=Smg​.

Массу жидкости можно расписать.

Как правильно расписать массу жидкости?

m=ρVm = rho Vm=ρV

m=ρVm = frac{rho}{V}m=Vρ​

m=Vρm = frac{V}{rho}m=ρV​

m=ρ+Vm = rho + Vm=ρ+V

Как можно записать объем столба жидкости? Выберите правильную формулу.

V=hSV = frac{h}{S}V=Sh​

V=hSV = hS V=hS

V=h+SV = h + S V=h+S

V=ShV = frac{S}{h} V=hS​

Тогда давление столба жидкости можно записать следующим образом: p=FS=mgS=ρhSgS=ρghp = frac{F}{S} = frac{mg}{S} = frac{rho hSg}{S} = rho gh p=SF​=Smg​=SρhSg​=ρgh.

Итак, гидростатическое давление столба жидкости на глубине hhh рассчитывается по формуле p=ρgh.p = rho gh {.}p=ρgh.

Решим задачу.

Сосуд, изображённый на рисунке, доверху наполнили некоторой жидкостью. Найдите давление жидкости на дно сосуда. Плотность жидкости равна ρrhoρ. Атмосферное давление не учитывать.

(Источник: ЕГЭ-2013. Физика. Урал. Вариант 6)

2ρga32 rho g a^3 2ρga3

2ρga2 rho g a 2ρga

2ρga22 rho g a^2 2ρga2

ρga rho g a ρga

Гидростатика. Закон Паскаля

Раздел гидростатики в физике занимается давлениями неподвижных жидкостей. Нечто похожее у нас уже было в разделе «Статика», когда мы рассматривали неподвижность твёрдых тел, рассматривали правило моментов: чтобы вращающие моменты уравновешивали друг друга.

В гидростатике – нечто похожее: рассматриваются давления жидкости в условии, когда она неподвижна – то есть не течёт. Для этого раздела важен закон Паскаля:

Давление жидкости передаётся в любую точку без изменения во всех направлениях.

Сложная формулировка. Сложный закон. Понять его можно на примере. Возьмём полиэтиленовый пакет, нальём в него жидкость и сделаем несколько небольших дырочек. Будем давить сверху на этот пакет с жидкостью. Что мы увидим? Вода будет литься из каждой дырочки.

И можно заметить, что наше давление сверху на пакет будет передаваться без изменения в каждую «дырочку» пакета – струйки воды получатся примерно одинаковые, хоть и будут направлены в разные стороны.
Получается, что если до некоторой точки жидкости дошло давление, то давление от этой точки будет распространяться во все стороны.

На основе закона Паскаля основано действие различных гидравлических прессов и других механических устройств, в которых требуется передача давления чего-либо из одной точки – в другую точку (например – экскаватора, тормозной системы автомобилей). Такое устройство может представлять собой трубку, внутри которой находится жидкость. С одной стороны трубки – давят на жидкость, жидкость передаёт это давление – и давит на что-то с другого конца трубки.

Для того чтобы закон Паскаля стал вам окончательно понятен, приведём ещё один пример. Допустим, у нас есть палка. Просто палка. И мы давим этой палкой на землю. Действуем сверху вниз. Если земля не слишком твёрдая, то палка «уйдёт» у нас вниз. И только вниз. Ни вбок, ни вверх. Вниз.

Рассмотрим другой случай. Пусть у нас есть трубка, а на её конце – резиновый шарик. А внутри трубки и шарика – жидкость. Тогда, если мы будем давить на жидкость в трубке, то шарик у нас будет раздуваться во все стороны. Не только вниз, не только вбок – а во все стороны сразу. То есть давление в жидкости передаётся во все стороны, а давление в твёрдых телах – преимущественно в том направлении, в котором приложено давление.

Разберем задачу.

Условие

В широкую U-образную трубку с вертикальными прямыми коленами налиты неизвестная жидкость плотностью ρ1rho _1 ρ1​ и вода плотностью ρ2=1,0⋅103 кг/м3rho _2 = 1,0 cdot 10^3text{ }кг/м^3 ρ2​=1,0⋅103 кг/м3 (см. рисунок).

На рисунке b=10b = 10b=10 см, h=24h = 24h=24 см, H=30H = 30H=30 см. Чему равна плотность ρ1rho _1ρ1​?

1. 0,6⋅103 кг/м30,6cdot 10^3text{ }кг/м^30,6⋅103 кг/м3
2. 0,7⋅103 кг/м30,7cdot 10^3text{ }кг/м^30,7⋅103 кг/м3
3. 0,8⋅103 кг/м30,8cdot 10^3text{ }кг/м^30,8⋅103 кг/м3
4. 0,9⋅103 кг/м30,9cdot 10^3text{ }кг/м^30,9⋅103 кг/м3

(Источник: сайт решуегэ.рф)

Решение

Шаг 1. В задаче даны плотности и высоты столбов жидкости. Определим тип этой задачи.

Как вы думаете, на что может быть эта задача?

на силы

на гидростатическое давление жидкостей

на уравнение моментов сил

на объёмы

Кто кому в этой задаче противодействует?

Жидкости в левой части трубки противодействуют жидкости в правой части трубки.

Жидкость плотностью ρ1rho _1ρ1​ противодействует жидкости плотностью ρ2rho _2ρ2​.

Сила тяжести противодействует силе давления жидкости.

U-образная рубка противодействует жидкости.

Что давит в левой части трубки?

жидкость ρ1rho _1ρ1​ и небольшая часть жидкости ρ2rho _2ρ2​

жидкость ρ1rho _1ρ1​

жидкость ρ2rho _2ρ2​

материал трубки

Как правильно записать условие равенства гидростатических давлений?

ρ1gH+ρ2gb=ρ2ghrho _1 gH + rho _2 gb = rho _2 ghρ1​gH+ρ2​gb=ρ2​gh

ρ1g(H−b)+ρ2gb=ρ2ghrho _1 g(H – b) + rho _2 gb = rho _2 ghρ1​g(H−b)+ρ2​gb=ρ2​gh

ρ1gH=ρ2gh+ρ2gbrho _1 gH = rho _2 gh + rho _2 gbρ1​gH=ρ2​gh+ρ2​gb

ρ1g(H−b)=ρ2gh+ρ2gbrho _1 g(H – b) = rho _2 gh + rho _2 gbρ1​g(H−b)=ρ2​gh+ρ2​gb

Шаг 5. Преобразуем выражение и подставим численные значения.

Для начала заметим, что можно сократить всё выражение на ускорение свободного падения ggg:

ρ1g(H−b)+ρ2gb=ρ2gh⇔ρ1(H−b)+ρ2b=ρ2hrho _1 g(H – b) + rho _2 gb = rho _2 ghLeftrightarrowrho _1(H – b) + rho _2 b = rho _2 hρ1​g(H−b)+ρ2​gb=ρ2​gh⇔ρ1​(H−b)+ρ2​b=ρ2​h.

В задаче просят найти плотность жидкости ρ1rho _1ρ1​.

Сделаем это:

ρ1=ρ2h−ρ2bH−b=ρ2(h−b)H−b=ρ2h−bH−brho _1 = frac{rho _2 h – rho _2 b}{H – b} = frac{rho _2 (h – b)}{H – b} = rho _2 frac{h – b}{H – b}ρ1​=H−bρ2​h−ρ2​b​=H−bρ2​(h−b)​=ρ2​H−bh−b​.

Подставим численные значения:

ρ1=ρ2h−bH−b=1⋅103кгм3⋅24см−10см30см−10см=rho _1 = rho _2 frac{h – b}{H – b} = 1 cdot 10^3 frac{кг}{м^3} cdot frac{24 см – 10 см}{30 см – 10 см} =ρ1​=ρ2​H−bh−b​=1⋅103м3кг​⋅30см−10см24см−10см​=

=103кгм3⋅0,7=700кгм3= 10^3 frac{кг}{м^3} cdot 0,7 = 700 frac{кг}{м^3}=103м3кг​⋅0,7=700м3кг​.

Правильный ответ: 2) 0,7⋅103 кг/м30,7 cdot 10^3text{ }кг/м^30,7⋅103 кг/м3.