Решение задачи про сообщающиеся сосуды

Из-за перепадов высот реки имеют разные глубины, что затрудняет или даже делает невозможным движение по ним судов. Поэтому строят шлюзы, которые рассчитывают по принципу сообщающихся сосудов. Формулы, используемые для вычислений, были получены в результате теоретического анализа, а после подтверждены экспериментально. Эти правила применяют при строении фонтанов, гидравлических прессов, плотин и различных устройств.

Общие сведения

В древние времена перед человечеством возникла проблема доставки воды в свои жилища. Так появились акведуки, а после и водопроводные трубы, канализация. В те времена механизмы ещё не были придуманы, поэтому задача решалась с помощью природных сил. Суть изобретений заключалась в организации самотёка жидкости за счёт изменения высот желобов и труб.

Использование таких систем хоть и позволяло справляться с поставленной задачей, но приносило определённые неудобства. Работа трубопроводов заключалась в использовании свойств жидкости перетекать из одного места в другое за счёт изменения оказываемого давления.

В 1684 году Паскаль продемонстрировал парадокс. Для этого он использовал:

• закрытую бочку с водой;
• герметичную трубку;
• кружку.

Его опыт заключался в следующем. Один конец трубки был вставлен в бочку, а второй вертикально поднят на высоту порядка шести метров. В свободный конец Паскаль вылил кружку воды. Из-за малого диаметра трубки вода стала подниматься, а бочка лопнула. Как оказалось, в середине ёмкости создалось большое давление, привёдшее к её повреждению.

Этот парадокс объясняется законом Архимеда. Он гласит, что на тело, погруженное в воду, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости. Значит, тело не сможет плавать в ней. Но это ошибочное рассуждение. Так как на самом деле архимедова сила появляется из-за гидростатического давления, зависящего от размера водяного столба, а не веса воды.

Поэтому тело и может находиться на поверхности резервуара, если его масса будет меньше веса воды. Это возможно, когда резервуар ненамного превышает размеры физического тела. Например, судно не тонет в ограниченном доке, так же как в и открытом океане, несмотря на то что масса воды между плавающим средством и стенами порта может быть меньше, чем вес корабля.

Закон Паскаля описывается формулой давления: P = F / S, где:

• p — давление;
• F — приложенная сила;
• S — площадь поверхности сосуда.

Из выражения следует, что увеличение силы на стенки удерживающие возрастает пропорционально. Давление принято изменять в ньютонах на квадратный метр или в паскалях. Этот закон нашёл применение в тормозных системах, гидравлических прессах.

Условие равновесия

Пусть имеются два сосуда, при этом они могут иметь разную форму и размеры. В нижней части они сообщаются, то есть соединяются с помощью трубки, которая имеет запорный вентиль. Ёмкость, стоящую слева, удобно обозначить цифрой один, соответственно, с правой стороны — два. В первую колбу можно налить жидкость, высота столба которой составляет h1. Её плотность пусть будет равняться p1. Во втором сосуде налито другое вещество с плотностью p и расстоянием от поверхности до дна h2.

Можно предположить, что высоты столбов подобраны так, что при открытии крана движение водного раствора не произойдёт. То есть он не будет перетекать из одной ёмкости в другую. Это важно для рассуждений, так как в другом случае жидкости просто перемешаются. Поэтому пусть растворы находятся в состоянии равновесия. Значит, давление и в первом, и во втором сосудах в нижних точках трубки будет одинаковым.

Действительно, если представить, что вместо крана стоит лёгкая перегородка, то для того, чтобы она осталась на своём месте, давление с её двух сторон должно быть скомпенсировано. Другими словами, в системе должны действовать одинаковые силы.

Так как растворы находятся в равновесии, то можно записать: P1 = P2. Давление можно выразить через плотность и высоту столба. Для рассматриваемого случая оно будет гидростатическим. Определяют его по формуле: p = ρ * g * h, где:

• ρ — плотность искомой жидкости;
• g — ускорение свободного падения;
• h — высота столба.

Полученное равенство справедливо как для первой, так и второй ёмкости. Его можно подставить в равенство равновесия: ρ1 * g * h1 = ρ2 * g * h2. После того как левую и правую часть сократить на g, формула примет вид: ρ1 * h1 = ρ2 * h2. Последнее выражение для сообщающихся сосудов и описывает условие равновесия.

Теперь можно рассмотреть частный случай, когда обе ёмкости заполнены однородной жидкостью. Это означает, что ρ1 = ρ2 = ρ. Условие равновесия примет вид: ρh1 = ρh2. Выражение можно сократить на плотность. Отсюда следует, что h1 = h2. Найденное правило называют математическим действием закона сообщающихся сосудов.

Опираясь на выведенную формулу, можно сформулировать закон словами. Но для этого нужно вспомнить, что такое h1 и h2. По сути, это расстояние от свободной поверхности жидкости, рассчитываемое по вертикали. Отсюда следует определение, что свободные поверхности однородной жидкости в соединённых ёмкостях устанавливаются на одинаковой высоте.

Опыт на сообщение

Чтобы открыть свой закон, Паскалю понадобилось использовать для опытов только два сосуда. Всё дело в том, что, согласно формуле, на установившийся уровень жидкости не влияет форма, размер, масса и другие характеристики. Если они сообщающиеся, то высота столба во всех ёмкостях будет одинаковой.

Для того чтобы самостоятельно убедиться в действии закона, можно провести простой эксперимент. Понадобится взять два любых шприца, наполнить один из них водой и соединить с другим трубочкой. Затем поднять их на любой уровень и убедиться, что водяная линия столбов будет находиться в одной горизонтали. Причём она не изменится даже при наклоне сосудов.

Проведённый опыт не будет называться полным, если не провести эксперимент с разными жидкостями. Так, если налить растворы с отличающейся плотностью, то можно наблюдать, что водяной столб не сможет выровняться.

Например, такое явление особо заметно, если попробовать смешать раствор поваренной соли и воды. Интересно то, что высота столба будет настолько меньше, насколько отличается плотность.

Решение примеров

В школе после рассмотрения темы преподаватель часто предлагает школьникам написать реферат или подготовить небольшое сообщение для видеоурока. В таком докладе, кроме теории, рекомендуется приводить несколько задач. Их решение желательно сопровождать рисунками, чтобы наглядно продемонстрировать в проекте, как работают сообщающиеся сосуды.

Физики обычно демонстрируют полезность явления на следующих двух примерах:

1. Труба с площадью сечения S погружена в чашу со ртутью на одну треть. Не изменяя положение нижнего конца трубки, её наклон изменили на угол j. Определить, как поменялась высота. Если принять размер столба ртути за h, то, зная площадь сечения трубки, можно вычислить объём жидкости: V = S * h. Длину, которую занимает жидкость, можно определить так: l = h / cos (j). Значит, объём будет равняться: V1 = S * l = (S * h) / cos (j). Отсюда возможно определить изменение объёма в трубке: ΔV = V1 — V = (S * h) / c o s (j) — S * h. Так как площадь ёмкости равняется: S = π * D2 / 4, то искомая высота составит: Δh = Δ V * S = 4 * S * h * (1 − cos (j) / cos (j) * π * D 2 ).
2. Какой площадью нужно изготовить отливной поршень в водяном прессе, чтобы выигрыш был в шесть раз? Площадь большого рычага равна двум метрам. Рассматриваемая система есть не что иное, как гидравлический пресс. То есть это два сообщающихся сосуда. Если принять, что большему поршню S соответствует сил F, а меньшему — S1 и F1, то по закону Паскаля они будут относиться друг к другу как F / S = F1 / S1. Из этого равенства можно выразить искомую площадь: S1 = F1 * S / F. Согласно условию: F1 / F = 6. Значит, расчётная формула примет вид: S = S * n = 2 * 6 = 12.

Даже не заглядывая в Википедию, можно привести множество примеров использования свойства как в быту, так и в природе. Например, перелив в ванной, поилка для домашних птиц, различные устройства полива, чайник, фонтаны, шлюзы. В работе всех этих вещей используется закон для сообщающихся сосудов. Но самый простой пример — это применяемый в строительстве водяной уровень. Причём его конструкция настолько проста, что повторить её сможет любой даже в домашних условиях.