Сосуды в физике это
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:
Источник
Статьи
Основное общее образование
Линия УМК А.В. Перышкина. Физика (7-9)
Физика
Все мы ежедневно пользуемся сообщающимися сосудами – это чайник, лейка, в общем, это любая система ёмкостей, в которых жидкость, к примеру, вода, может свободно перетекать из одной ёмкости в другую. В чайнике, например, такими ёмкостями являются корпус и носик или корпус чайника и специальная ёмкость для определения уровня воды в нём. Что особенного в сообщающихся сосудах? Каким свойством или свойствами они обладают? Чем заслуживают наше внимание?
26 апреля 2019
Закон сообщающихся сосудов
Сосуды соединенные между собой, жидкость в которых может свободно перетекать, имеющие общее дно, называются сообщающимися. В соответствии с законом Паскаля, жидкость передаёт оказываемое на неё давление во всех направлениях одинаково. В открытых сосудах, атмосферное давление над каждым из них одинаково, значит, и давление жидкости на стенки сосудов будет одинаковым на любом уровне. Так как давление жидкости прямо пропорционально её плотности и глубине, в случае одинаковой жидкости в сообщающихся сосудах на одинаковой глубине будет одинаковое давление, что и объясняет выравнивание уровней жидкости в них. В случае разных жидкостей, чтобы на одинаковой глубине было одинаковое давление, жидкость с меньшей плотностью должна иметь больший уровень в сравнении с жидкостью большей плотности. Т.е.
ρ1 / ρ2 = h2 / h1
Физика. 7 класс. Учебник
Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту основного общего образования. Большое количество красочных иллюстраций, разнообразные вопросы и задания, а также дополнительные сведения и любопытные факты способствуют эффективному усвоению учебного материала.
Купить
Свойство сообщающихся сосудов
Возьмем несколько различных по размеру и форме открытых сосудов, проделаем в каждом из них отверстие и соединим отверстия в сосудах трубками, чтобы жидкость, которую мы будем наливать в один из них, могла свободно перетекать из одного сосуда в другой. Для большего эффекта, пожмем трубки, которые их соединяют и наполним один из сообщающихся сосудов водой. Теперь откроем трубки и увидим, что когда жидкость перестанет перетекать, то, вне зависимости от формы и размера сосудов, уровни жидкости в каждом будут совершенно одинаковыми. Или проведём иной опыт – возьмём пластиковую бутыль и срежем донышко, а крышку плотно прикрутим, проделаем в ней небольшое отверстие и вставим в него небольшой шланг, место соединения шланга и крышки бутыли сделаем герметичным с помощью пластилина. Теперь закрепим бутыль вверх дном, а шланг расположим параллельно бутыли открытым концом чуть выше её срезанного дна. Заполним бутыль жидкостью, например, подкрашенной водой. И вновь мы увидим, что вне зависимости от высоты сообщающихся сосудов, уровень воды в бутыли будет точно таким же, как и уровень воды в шланге. В этом и заключается первое и основное свойство сообщающихся сосудов: в открытых сообщающихся сосудах уровни одинаковой жидкости будут одинаковыми. Это замечательное свойство нашло широкое применение в практике, но об этом поговорим чуть позже. А теперь возьмём U-образную стеклянную трубку. Это тоже сообщающиеся сосуды, их, в данном случае, называют коленами трубки. В правое колено нальём воду и она, конечно же, перетечёт в левое колено так, что уровни воды в обоих коленах будут одинаковыми – мы уже знаем, что так и должно быть, хоть пока что и не знаем, почему. А теперь в левое колено, очень аккуратно, чтобы жидкости не смешивались, нальём керосин или подкрашенный спирт. И мы увидим, что теперь верхние уровни каждой жидкости в коленах будут отличаться. Уровень спирта или керосина будет выше уровня воды. Заглянем заодно в таблицу плотности жидкостей и увидим, что плотность керосина или спирта меньше плотности воды, а уровень, наоборот, выше. Из этого эксперимента можно сделать вывод – если в открытых сообщающихся сосудах налиты две разные жидкости, то уровень будет выше у той, чья плотность меньше. Иными словами, плотности жидкостей и их уровни будут обратно пропорциональными. Настала пора объяснить, почему так получается.
Читайте также:
Проекты на уроках физики: плюсы и минусы
Что такое радуга?
Почему море соленое?
Почему небо голубого цвета?
Применение на практике
Благодаря своим свойствам, сообщающиеся сосуды нашли широкое применение в различных технических и бытовых устройствах. Перечислим некоторые из них:
- измерители плотности,
- жидкостные манометры,
- определители уровня жидкости (водомерное стекло, к примеру),
- домкраты,
- гидравлические прессы,
- шлюзы,
- фонтаны,
- водопроводные башни и т.д.
Свойство сообщающихся сосудов реализуется не только в физике. Такая известная поговорка «Если где-то прибыло, значит где-то убыло» фактически напрямую связана со свойством сообщающихся сосудов и означает, что в окружающем нас мире всё взаимосвязано, а значит – стремится к равновесию. Когда человек смещает это равновесие в одну сторону, это немедленно сказывается в чём-то другом. Над этим стоит задуматься, не так ли?
Материал по физике на тему «Сообщающиеся сосуды» для 7 класса.
Методические советы учителям
- При изучении этой темы обязательно необходима демонстрация. Описанные в статье эксперименты обязательно нужно показать детям в живом исполнении.
- Желательно продемонстрировать принцип действия фонтана (это также довольно не сложно сделать своими руками).
- Обратите внимание учащихся на формулу для двух жидкостей – это обратная пропорция. На нескольких примерах поясните смысл обратной пропорциональности.
- Рассмотрите ситуацию с тремя жидкостями (решите соответствующую задачу).
- А вот действие шлюзов лучше всего продемонстрировать с помощью видео.
#ADVERTISING_INSERT#
Источник
Всем известно, что нужно сделать с чайником, чтобы из его носика полилась вода, – просто наклонить. А вот вопрос, можно ли перевести корабль через гору в море или другой водоем, вызовет у нас сомнение. Чтобы ответить на него, сначала следует узнать, что из себя представляют сообщающиеся 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.
Древним римлянам было неизвестно определение сообщающихся сосудов, поэтому их акведуки – водопроводы занимали огромную протяженность над поверхностью земли и строились с равномерным уклоном вниз.
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.
В жизни очень часто можно встретить естественный напор. И таких примеров довольно много. Например, им обладает вода в горных реках, когда падает с высоты. Плотина также является примером естественного напора. Чем она выше, тем больше будет напор воды, поднятой плотиной.
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
Что мы узнали?
Из этой темы по физики за 7 класс можно ясно понять, какие сосуды называются сообщающимися. Ими могут называться лишь те сосуды, обладающие общим дном, где жидкость может свободно перетекать из одного сосуда в другой. Также сообщающиеся сосуды играют огромную роль в нашей повседневной жизни, облегчая ее и помогая выходить из трудных ситуаций. Принципы сообщающихся сосудов лежат в основе различных чайников, кофейников, водомерных стекол на паровых котлах.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда – пройдите тест.
-
Полина Борисенко
9/10
Алика Квегмайр
10/10
Яна Василькова
10/10
Елена Куренкова
9/10
Мария Егорова
8/10
Тимофей Черный
10/10
Максим Скарнович
10/10
Люба Музыченко
10/10
Владимир Шитов
9/10
Константин Никитич
9/10
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.2. Всего получено оценок: 884.
Источник
Немного истории
Связывающие сосуды, если налить в них воду, представляют собой систему ёмкостей, заполненных однородной жидкостью, соединённых у основания и подвергаемых одинаковому атмосферному давлению.
Правило равновесия:
- Когда жидкость (газ, ртуть) оседает, она доходит до одинакового уровня во всех контейнерах, независимо от их формы и объёма.
- Если в один контейнер добавляется дополнительная жидкость, во всех подключённых сосудах будет установлен новый равный уровень.
Этот процесс является частью закона Паскаля и происходит потому, что сила тяжести и давление постоянны в каждом сосуде (гидростатическое давление). Паскаль доказал в семнадцатом веке, что давление, оказываемое на молекулу жидкости, передаётся полностью и с одинаковой интенсивностью во всех направлениях.
Со времён Древнего Рима концепция влияния сосудов использовалась для сантехники внутри помещений через водоносные горизонты и свинцовые трубы. Вода достигнет одинакового уровня во всех частях системы, которая действует как сосуды, независимо от того, что является самой низкой точкой труб. Но на практике самая низкая часть сечения системы зависит от способности водопровода противостоять давлению жидкости. В городах часто используются водонапорные башни, так что сеть будет функционировать как ёмкости, распределяющие воду на верхние этажи зданий с достаточным давлением.
Гидравлические прессы, применяющие системы класса взаимодействующих ёмкостей, широко используются в различных промышленных процессах.
Параметры гидравлических прессов, которые в совокупности определяют их технологические возможности и конструктивные особенности:
- номинальная сила;
- рабочий ход;
- скорость движения прижимной балки;
- размеры контейнера.
Тема влияния сосудов часто используется в качестве общего примера в преподавании физики. Статическое свойство этой системы также применяется в других предметных областях, например, в социологии и экономике. Широко распространено мнение о том, что жидкость в соседних контейнерах достигает одинаковой высоты, измеряемой относительно общей контрольной точки, независимо от формы взаимодействующих ёмкостей.
Технологические решения
Если ёмкости находятся на разных высотах, давление будет работать на выходе из трубки, соединяющей эти сосуды. Когда контейнеры расположены на разных высотах, вода из верхнего сосуда будет течь в нижний резервуар.
Если посмотреть на ситуацию с технологиями, то существует большое количество случаев, когда использовались сообщающиеся сосуды. Физика, следящая за этим явлением, иногда может творить чудеса. Как великолепны, например, фонтаны! Но они строятся без использования сложных технологий, электродвигателей и другого оборудования. И здесь в чистом виде используются взаимодействующие ёмкости. Резервуары с водой выше значений фонтанов, что фактически гарантирует приток воды к ним без каких-либо устройств под атмосферным давлением.
Или другой образец, где всё понятно — водяная башня. Вода закачивается в нее и находится на огромном холме, в дом поступает жидкость, причём не только на первых этажах. Здесь снова работают сообщающиеся сосуды. Давление, величина которого оправдана разницей высот между водонапорной башней и краном, будет обеспечивать подачу воды до верхних этажей.
Римляне ничего не знали о сообщающихся ёмкостях, и когда они возводили акведуки, чтобы обеспечить поселения водой, они делали их каждый раз с постоянным сокращением от источника, но во многих местах у них была возможность скопировать рельеф земли и установить трубы на небольшие склоны. Но каждый раз они возводили акведуки на возвышенности и с постоянным отклонением от источника.
Но китайцы знали о взаимодействующих ёмкостях и, применяя их качества, начали строить замки. Принцип работы довольно прост. Рядом находятся 2 камеры с замком, объединённые специальным каналом. Ворота шлюза закрываются, затем открывается канал, соединяющий две камеры, и вода течёт в меньшей степени в соответствии с законом о сообщающихся судах. Используя систему площади этих шлюзов, удалось реализовать движение судов в районах со значительной разницей в высоте.
Естественно, вышеизложенное не охватывает все случаи практического использования взаимодействующих ёмкостей, но позволяет получить представление о том, что это превосходный материальный закон, и о том, как он применяется в повседневной жизни.
Закон и концепция
Сообщающиеся цилиндрические ёмкости — это те контейнеры, которые взаимосвязаны ниже значения воды на каждом из сосудов. Таким образом, жидкость имеет способность перемещаться из одного сосуда в другой, например, как в капельнице.
До сих пор следует понимать принцип разности и влияния сосудов и возможности их использования для решения основного гидростатического уравнения.
Поперечные открытые объединённые сосуды имеют одно сплошное дно, а закон о них гласит:
- Независимо от формы этих водомерных ёмкостей из стекла, одно и то же давление действует на плоскость однородной жидкости в покое на одном и том же уровне.
- При влиянии сосудов с одинаковым давлением на свободную поверхность воды действует высота подачи, измеренная от поверхности, пропорциональная плотности жидкости.
Водонапорная башня
По опыту, если степень в сосудах одинакова, жидкость будет давить на стенки обоих контейнеров. Разделение между контейнерами такое же. Время от времени добавление жидкости из сосудов, например, приводит к напору водного столба. Если придумать, что перегородка есть, жидкость начнёт попадать в сосуд, где её уровень будет ниже, а высота воды в обоих сосудах будет одинаковой.
В повседневной жизни этот принцип можно использовать в водонапорной башне. Наполнение самой высокой башни жидкостью любой температуры заставляет её работать. После этого открывают клапаны, расположенные на первом этаже, и вода потечёт по трубопроводам в любое жилое пространство, подключённое к источнику воды.
Это устройство выделяет два соединительных контейнера — две вертикальные стеклянные трубки А и В, соединённые согнутым коленом С. Затем определяют высоту воды в трубах выше значений Н1 и Н2. В то время как эти высоты фактически пропорциональны плотности воды для тестирования. В случае, когда оба сосуда заполнены одной и той же жидкостью, высота подъёма жидкости в комбинированных сосудах будет одинаковой. Парадокс соединения ёмкостей лежит в основе многих других приборов, предназначенных для измерения давления.
Введение прибора учёта давления
Пьезометр — общий прибор, который измеряет давление воды. Например, высота жидкости в пьезометрической трубе называется пьезоэлектровысотой, она характеризуется избыточным давлением в сосуде и может служить мерой для определения её величины.
Пьезометр — довольно понятный инструмент, но он удобен только для измерения малых давлений. При высоких давлениях задача пьезометрической трубки более сложна. Трубка довольно длинная, что на самом деле буквально усложняет измерение. При этом жидкие манометры, в которых давление не уравновешивается жидкостью, практически берут воду в комбинированных ёмкостях, но нужна жидкость с более высокой плотностью.
Закон Паскаля
В этом случае дело касается значения давления воды, которое считается результатом действия внешней силы. Фактически он говорит, что давление воды, вызванное воздействием внешних сил, равномерно распространяется. Таким образом, увеличение давления идентично как в водном компоненте, так и в каждой точке плоскости, которую ограничивает жидкость.
Закон Паскаля применяется на практике при проектировании различных типов домкратов, прессов и гидравлических тормозов. Все эти устройства считаются обычными машинами, потому что они дают возможность работать с наименьшим усердием на длинных дорогах, а не с большей мощностью на меньших участках пути.
Использованный принцип сообщающихся сосудов виден хорошо при строительстве фонтанов, водопроводов, шлюзов. Используя сообщающиеся сосуды, формулы, можно переместить корабль через гору. Если вода перекрыта плотиной, то уровень воды в водохранилище выше, чем в реке ниже по течению. Корабль должен подойти к воротам. Когда шлюз полностью заполняется водой, судно покидает его и продолжает свой путь.
Источник