Сообщающиеся сосудами называются такие сосуды

Закон сообщающихся сосудов

Сообщающиеся сосуды – это взаимодействующие друг с другом сосуды, которые имеют общее дно.

Рис. 1. Сообщающиеся сосуды

Закон сообщающихся сосудов гласит, что в таких сосудах, какую бы форму они не имели, поверхности однородных жидкостей в состоянии покоя находятся на одном уровне, то есть давление, оказываемое на стенки на любом горизонтальном уровне является одинаковым.

Если же в сосуде жидкости разные, то уровень выше в сосуде, в котором жидкость обладает меньшей плотностью. То есть, если в один сосуд налить жидкость, обладающую одной плотностью, а во второй – другой, то при равновесии их уровни не будут одинаковыми. Следовательно отсюда можно вывести формулу:

ρ1/ρ2=h2/h1

Где:

• ρ – плотность жидкости;
• h – высота столба.

Также для сообщающихся сосудов важной является формула:

p=gρh

Где:

• g – ускорение свободного падения;
• ρ – плотность жидкости (кг/куб.м);
• h – глубина (высота столба жидкости).

Этой формулой определяется давление жидкости на дно сосуда.

Свойства сообщающихся сосудов

В сообщающихся сосудах уровень жидкости одинаковый. Это происходит потому, что жидкость производит одинаковое давление на стенки сосуда. Достичь разного уровня однородной жидкости в сообщающихся сосудах можно с помощью перегородки между ними.

Перегородка перекроет сообщение между сосудами, и тогда можно в один из них долить жидкость, чтобы уровень изменился. В данной ситуации возникает напор – давление, производимое весом столба жидкости высотой, равной разности уровней. И если убрать перегородку, то именно это давление станет причиной тому, что жидкость будет перетекать в тот сосуд, где ее уровень ниже, до тех пор, пока уровни не станут одинаковыми.

Применение закона о сообщающихся сосудах

Принцип действия сообщающихся сосудов используется при сооружении фонтанов, водопроводов, шлюзов. Чайник и его носик тоже являются сообщающимися сосудами, так как вода, налитая в чайник, заполняет носик и всю остальную часть до одинаковой высоты. Применение свойств таких сосудов, могут даже помочь провести корабль через гору. И для этого как раз понадобиться шлюз. Шлюз – это лифт для судов. Если водное пространство перегорожено плотиной, то уровень воды в водохранилище выше, чем в реке ниже по течению. И чтобы добраться до этого уровня, судно должно зайти в шлюз, который отгорожен двумя водными непроницаемыми воротами. Когда шлюз полностью заполняется водой, судно выходит из шлюза и продолжает свой путь (уровень воды в шлюзе и водохранилище выравнивается по закону сообщающихся сосудов).

Рис. 2. Шлюз

Тест по теме

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:

Цель урока: создать условия для усвоения учащимися понятия о сообщающихся сосудах и их свойстве; повторить закон Паскаля и зависимость давления жидкости от высоты ее столба и плотности. С целью развития кругозора учащихся познакомить их с практическим применением свойства сообщающихся сосудов.

Ход урока

1. Оргмомент

2. Проверка домашнего задания

3. Проверка усвоения ранее изученного материала

4. Изучение нового материала

В начале изучения нового материала я хочу продемонстрировать вам небольшой видеофрагмент.

Видео «Наводнение».

На фоне видеофильма

“Я видел гнев стихии водной…
Себя почуявши свободной,
И широка, и глубока,
Неслася бешено река.
Всё беспощадно сокрушая
И всё ломая на пути –
Живое, мёртвое смывая,
Она неслась, не уставая –
Кто от неё нас мог спасти?”

Два века назад в 1783 году сильное половодье на Москве-реке повредило опоры Большого каменного моста.

По поводу этого происшествия Московский главнокомандующий граф Чернышёв сообщал Екатерине II:

«Обвалились три арки моста и бывшие на них 11 лавок каменных с разными мебелями купца Епанишникова, суммой на 1100 руб. Упал один стоявший в это время на мосту и убит, а развалинами задавлены бывший под мостом рыбак и две женщины, у берега для мытья платья находившиеся».

Итак, москвичи столкнулись с проблемой – наводнения.

Вы сегодня работаете в рабочих листах.

Прочитайте текст, сформулируйте определение понятия «наводнение» и укажите способы, позволяющие предотвратить наводнение.

Физический смысл: поднимается уровень воды.

Как избежать:

• Сооружение водохранилищ, которые регулируют сток воды
• Расширение русла реки
• Укрепление набережных гранитными стенками

Но существует еще один способ решения этой проблемы.

Это техническое решение так и осталось с тех пор на карте Москвы. Что это?

Водоотво́дный кана́л (Обводно́й канал, Водоотводно́й канал, Обво́дный канал, Канава)

Действие водоотводного канала основано на принципе действия сообщающихся сосудов. Именно о них и пойдет речь сегодня на уроке.

Запишите в рабочих листах тему урока «Сообщающиеся сосуды».

1. Понятие о сообщающихся сосудах.

Свойства сообщающихся сосудов издревле используются человеком.

Давайте посмотрим фрагмент из известного вам мультфильма.

Видео «Алиса. Чаепитие».

Герои мультфильма пьют чай. И мы каждый день мы пользуемся тем, что вода в чайнике и его носике находится на одном горизонтальном уровне. При медленном наклоне чайника этот уровень не меняется, в результате вода из носика начинает выливаться.

В современных электрических чайниках нет длинного носика, но часто имеется указатель уровня воды, который также представляет собой колено сообщающегося сосуда, в котором плавает на поверхности яркий индикатор.

Сформулируйте определение понятия «сообщающиеся сосуды».

Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные между собой трубкой.

Научное открытие сообщающихся сосудов датируется 1586 годом (голландский ученый Симон Стевин), но, судя по устройству священной неиссякаемой чаши, оно было известно еще жрецам Древней Греции.

2. Свойство сообщающихся сосудов

Демонстрационный опыт «Сообщающийся сосуд» (Проводит ребенок под руководством учителя – комментировано).

Задание. Установите зависимость формы и сечения сообщающегося сосуда и уровня поверхности однородной жидкости. Подчеркните верный ответ.

Для этого заполним сообщающийся сосуд водным раствором перманганата калия (KMnO4).

Вывод: в сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкости устанавливаются на (разных уровнях/одном уровне).

3. Зависимость высоты столба жидкостей от их плотностей

Физика – наука экспериментальная. Физический эксперимент может выполнять двойственную функцию: во-первых, служит источником нового знания, во-вторых, подтверждает или опровергает имеющееся суждение.

Работа в группах (по рядам) (Фоновая музыка)

4. Применение сообщающихся сосудов

На реке или канале для перевода судов с одного уровня на другой, например, перед плотиной, используя ШЛЮЗЫ. Это гидротехническое сооружение представляет собой камеру, огражденную продольными стенками и воротами.

Шлюзы – камеры, расположенные между водоемами с различными уровнями воды.

По материалам пермской газеты «Новый компаньон» от 18 мая 2004 года.

10 мая 1962 года в 14 часов 45 минут капитан парохода «Дмитрий Фурманов», на борту которого находились 423 пассажира, 52 человека команды и капитан груженного лесом грузового теплохода «Криуши» с командой в 11 человек получили разрешение для прохода в шлюз.

В 15 часов 05 минут швартовка судов была закончена, и с них подали сигналы о готовности к шлюзованию. В это время на участке протяженностью 110 метров, в пределах 1-4 секций, произошло обрушение правой стенки левой камеры в сторону межкамерного пространства.

…В связи с обрушением… поток воды хлынул в образовавшийся проран и мгновенно заполнил межкамерное пространство и правую камеру шлюза. Мощным потоком корму парохода «Дмитрий Фурманов» занесло в проран стенки…

Работу шлюза можно описать с помощью строгой последовательности действий, которая приводит к заданному результату. Как в информатике называется такая последовательность? Алгоритм.

Как называется алгоритм, в котором определенная последовательность действий повторяется многократно? Циклический алгоритм (цикл).

Исполнитель «Шлюз» может выполнять 3 команды:

• Открыть ворота
• Закрыть ворота
• Выровнять уровень воды

Задание. Используя команды исполнителя, составьте циклический алгоритм, позволяющий оптимально (не выполняя лишних действий) и безопасно функционировать гидротехническому сооружению – шлюзу. Проверьте правильность алгоритма с помощью интерактивной модели.

(9 шагов)

Молодцы! Зная свойство сообщающихся сосудов и умея составлять циклический алгоритм, мы успешно справились с передвижением судна по каналу.

Судоходные каналы с применением шлюзов связали внутренние водоемы европейской части России с морями: Чебоксарский шлюз, Шекснинский шлюз и др.

В Липецкой области на Матырском водохранилище уровень воды такде регулируется с помощью шлюзов.

По шлюзам Панамского канала суда могут одновременно проходить в обе стороны. На Панамском канале 3 каскада шлюзов.

Фоновая музыка.

Александр Николаевич Бенуа сказал «Фонтаны в Версале – изящное украшение, без которого можно обойтись. Петергоф – резиденция царя морей. Фонтаны в Петергофе не придаток, а главное».

Видеоролик «Петергоф».

На фоне фильма:

Под руководством русского мастера Василия Туволкова в течение лета 1721 года были построены канал и другие водоводы общей длиной 24 километра, по ним из водоемов Ропшинских высот вода самотеком пошла в накопительные бассейны Верхнего сада Петродворца. Здесь можно было уже устроить небольшие по высоте струи-фонтаны. А вот в Нижнем парке, раскинувшемся у подножия террасы на 16 метров ниже Верхнего сада, вода по трубам из накопительных бассейнов по принципу сообщающихся сосудов взмывает вверх множеством высоких струй в фонтанах парка. Далее она по прямому Морскому каналу, обрамленному множеством фонтанов, стекает в Финский залив.

Многие уверены, что шикарные фонтаны дворцового комплекса работают на насосах. Однако из-за дороговизны такого процесса даже фонтаны во французском королевском дворце Версале включают только на 2 часа 2 раза в неделю. А в России, благодаря гениальной задумке Петра I и точному расчету русского инженера, тысячи российских и иностранных туристов могут наслаждаться великолепием этих фонтанов ежедневно в течение всего лета.

В 2007 году учащиеся 7 Г класса, ныне 11 Б Алексеева Ольга, Бирюкова Дарья, Крутова Дарья и Лебедева Татьяна в рамках фестиваля проектов изготовили действующую модель фонтана.

Рассказ о фонтане (Алексеева Оля)

Приборы и материалы, которые мы использовали: кусок фанеры, башню из ДВП, металлическую банку, соединительную трубку, сливную короткую трубку, овальную пластиковую банку. Принцип работы фонтана заключается в том, что по действию сообщающихся сосудов вода из основного резервуара выливается в приемные резервуар. Высота струи зависит от высоты, на которой находится основной резервуар и от диаметра трубки.

Проект «Волшебным миром я фонтанов очарован…» был представлен на гимназическом фестивале учебных проектов, где занял 1 место и был признан одним из лучших по школе.

В мае 2008 года данная работа была отправлена на Всероссийский конкурс «РОССИЯ – СТРАНА, КОТОРУЮ ВЫ НЕ ЗНАЛИ», организованный национальным туристическим проектом «Время отдыхать в России». Работа отмечена специальным призом за самый творческий проект.

Образ фонтанов всегда был привлекателен.

В форме фонтана были представлены стихи.

Образ фонтана становиться арт-объектом.

Липецкие фонтаны стали неотъемлемой частью образа города. 

Где же еще применяются сообщающиеся сосуды.

Работа с текстами в парах.

Применение сообщающихся сосудов

Артезианский колодец. Действие артезианского колодца основано на принципе сообщающихся сосудов. Местоположение скважины колодца выбирают в самой нижней точке ландшафта, по которому текут подземные воды. По принципу сообщающихся сосудов вода начинает подниматься по скважине.

Природный сообщающийся сосуд. На материках существуют участки, расположенные ниже уровня моря. Моря и находящиеся на одном уровне с ними низменности суши образуют сообщающиеся сосуды. Вода пытается выровнять уровни в двух сосудах, вот почему в областях, расположенных ниже уровня моря, очень сыро. Мертвое море является самым низким участком суши (392 м ниже уровня мирового океана).

Чайники, кофейники, лейки.

Водопровод. По принципу сообщающихся сосудов были устроены и водопроводы в Древнем Риме.

РИМСКИЕ АКВЕДУКИ

«Акведуки — главное свидетельство величия Римской империи», — утверждал сенатор Юлий Фронтин, заведовавший в начале II в. водоснабжением Рима.

Само слово произошло от двух латинских слов: aqua — вода и duco — веду. А называют так мосты или эстакады, на которых располагаются труб?