気泡内の最大過剰圧力を測定することによる液体の表面張力係数の決定。 プレッシャーの下で
圧力は、自然と人間の生活において特別な役割を果たす物理量です。 この目に見えない現象は症状に影響を与えるだけではありません 環境、しかし、誰もが非常によく感じています。 それが何であるか、どのような種類が存在するか、さまざまな環境での圧力 (公式) を見つける方法を理解しましょう。
物理学や化学における圧力とは何ですか?
この用語は重要な熱力学量を指し、圧力が作用する表面積に対して垂直にかかる圧力の比で表されます。 この現象は、それが動作するシステムのサイズには依存しないため、集中的な量を指します。
平衡状態では、圧力はシステムのすべての点で同じになります。
物理学と化学では、それは文字「P」で示されます。これは、 ラテン名用語 - プレッシャーラ。
もし 私たちが話しているのは液体の浸透圧（細胞内外の圧力のバランス）については、「P」という文字が使用されます。
圧力単位
国際 SI システムの標準に従って、問題の物理現象はパスカル (キリル文字 - Pa、ラテン語 - Ra) で測定されます。
圧力の公式に基づくと、1 Pa は 1 N (ニュートンを 1 で割ったもの) に等しいことがわかります。 平方メートル（面積の単位）。
ただし、この単位は非常に小さいため、実際にはパスカルを使用するのは非常に困難です。 この点において、SI 規格に加えて、この量は別の方法で測定することもできます。
以下はその最も有名な類似物です。 そのほとんどは旧ソ連で広く使用されています。
- バー。 1 バールは 105 Pa に相当します。
- トル、または水銀柱ミリメートル。約 1 torr は 133.3223684 Pa に相当します。
- ミリメートルの水柱。
- メートルの水柱。
- テクニカルな雰囲気。
- 物理的な雰囲気。 1 atm は 101,325 Pa および 1.033233 atm に相当します。
- キログラム力/平方センチメートル。トン力とグラム力も区別されます。 さらに、平方インチあたりのポンド力に相当するものもあります。
圧力の一般式（中学 1 年生の物理）
与えられた物理量の定義から、それを見つける方法を決定できます。 下の写真のような感じです。
ここで、F は力、S は面積です。 言い換えれば、圧力を求める公式は、圧力をその力が作用する表面積で割ったものになります。
次のように書くこともできます: P = mg / S または P = pVg / S。したがって、この物理量は他の熱力学的変数、つまり体積と質量に関連していることがわかります。
圧力の場合、次の原理が適用されます。力の影響を受ける空間が小さいほど、そこにかかる押圧力の量は大きくなります。 (同じ力で) 面積が増加すると、目的の値は減少します。
静水圧の計算式
物質の凝集の異なる状態により、互いに異なる特性が存在します。 これに基づいて、それらの P を決定する方法も異なります。
たとえば、水圧 (静水圧) の式は次のようになります: P = pgh。 ガスにも当てはまります。 ただし計算には使えません 大気圧高度と空気密度の違いによるものです。
この式で、p は密度、g は重力による加速度、h は高さです。 これに基づいて、物体や物体が深く沈めば沈むほど、液体（気体）内でそれにかかる圧力が高くなります。
検討中のオプションは、古典的な例 P = F / S を応用したものです。
力が自由落下速度による質量の微分値 (F = mg) に等しく、液体の質量が密度による体積の微分値 (m = pV) であることを覚えている場合、圧力の式は次のようになります。 P = pVg / S と表されます。この場合、体積は面積と高さの積になります (V = Sh)。
このデータを挿入すると、分子と分母の面積が出力で削減できることがわかります (上記の式: P = pgh)。
液体中の圧力を考えるとき、固体とは異なり、液体では表面層の曲率が発生する可能性があることを覚えておく価値があります。 そして、これがさらなる圧力の形成に寄与します。
このような状況では、わずかに異なる圧力式、P = P 0 + 2QH が使用されます。 この場合、P 0 は非曲面層の圧力、Q は液体の張力面です。 H は表面の平均曲率で、ラプラスの法則: H = 1/2 (1/R 1 + 1/R 2) に従って決定されます。 成分 R 1 および R 2 は主曲率の半径です。
分圧とその計算式
P = pgh 法は液体と気体の両方に適用できますが、後者の圧力は少し異なる方法で計算する方が適切です。
実際のところ、自然界では混合物が優勢であるため、原則として完全に純粋な物質はほとんど見つかりません。 そして、これは液体だけでなく気体にも当てはまります。 そしてご存知のとおり、これらのコンポーネントのそれぞれは、部分圧力と呼ばれる異なる圧力を及ぼします。
定義するのは非常に簡単です。 これは、検討中の混合物 (理想気体) の各成分の圧力の合計に等しくなります。
このことから、分圧の式は次のようになります。構成成分の数に応じて、P = P 1 + P 2 + P 3 ... などとなります。
空気圧を決定する必要がある場合がよくあります。 ただし、誤って P = pgh のスキームに従って酸素のみを使用して計算を実行する人もいます。 しかし、空気はさまざまな気体の混合物です。 窒素、アルゴン、酸素、その他の物質が含まれています。 現在の状況に基づいて、空気圧の式はすべてのコンポーネントの圧力の合計です。 これは、上記の P = P 1 + P 2 + P 3 ... をとるべきであることを意味します。
圧力を測定するための最も一般的な機器
上記の式を使用して問題の熱力学量を計算することは難しくないという事実にもかかわらず、場合によっては、計算を実行する時間がまったくない場合があります。 結局のところ、常にさまざまなニュアンスを考慮する必要があります。 したがって、利便性を高めるために、人間の代わりにこれを行う多くのデバイスが数世紀にわたって開発されてきました。
実際、この種のほとんどすべてのデバイスは一種の圧力計です (気体や液体の圧力を測定するのに役立ちます)。 ただし、設計、精度、適用範囲が異なります。
- 大気圧は気圧計と呼ばれる圧力計を使用して測定されます。 真空 (つまり、大気圧より低い圧力) を測定する必要がある場合は、別のタイプの真空計が使用されます。
- それを知るために 動脈圧人間では血圧計が使用されます。 これは、非侵襲性血圧モニターとしてほとんどの人によく知られています。 このような装置には、水銀機械式から全自動デジタル式まで、さまざまな種類があります。 精度は、製造される材料と測定場所によって異なります。
- 環境内の圧力降下（英語では圧力降下）は、差圧計（動力計と混同しないでください）を使用して測定されます。
圧力の種類
圧力、それを求める公式、さまざまな物質の変化を考慮すると、この量の種類について学ぶ価値があります。 それらは5つあります。
- 絶対。
- 気圧
- 過剰です。
- 真空のメトリック。
- 差動。
絶対
これは、大気中の他のガス成分の影響を考慮せずに、物質または物体が置かれている全圧力の名前です。
これはパスカルで測定され、超過圧力と大気圧の合計です。 気圧式と真空式の違いでもあります。
これは、式 P = P 2 + P 3 または P = P 2 - P 4 を使用して計算されます。
地球の条件下での絶対圧力の開始点は、空気が除去された容器内の圧力 (つまり、古典的な真空) です。
ほとんどの熱力学的公式では、このタイプの圧力のみが使用されます。
気圧
この用語は、地球自体の表面を含む、その中にあるすべての物体および物体にかかる大気の圧力 (重力) を指します。 ほとんどの人はそれを雰囲気として知っています。
1 つに分類され、その値は測定した場所や時間、気象条件、海抜の高低によって異なります。
気圧の大きさは、それに垂直な 1 単位の領域にわたる大気の力の係数に等しくなります。
安定した大気では、この物理現象の大きさは、面積 1 の基底上の空気柱の重さに等しくなります。
通常の気圧は 101,325 Pa (摂氏 0 度で 760 mm Hg) です。 さらに、物体が地表から高くなればなるほど、その物体にかかる気圧は低くなります。 8kmごとに100Paずつ減少します。
この性質のおかげで、山ではやかんの水が自宅のストーブよりもはるかに早く沸騰します。 実際のところ、圧力は沸点に影響を与えます。圧力が低下すると、沸点も低下します。 およびその逆。 圧力鍋やオートクレーブなどの調理器具はこの性質を利用して動作します。 内部の圧力の増加は、より多くの物質の形成に寄与します。 高温コンロ上の通常の鍋よりも。
気圧の計算には気圧高度の式が使用されます。 下の写真のような感じです。
P は高度での目標値、P 0 は地表付近の空気密度、g は自由落下加速度、h は地球上の高さ、m はガスのモル質量、t はシステムの温度、 r は普遍気体定数 8.3144598 J⁄( mol x K)、e は 2.71828 に等しいアイヒラー数です。
多くの場合、大気圧に関する上記の式では、R の代わりに K - ボルツマン定数が使用されます。 普遍気体定数は、アボガドロ数の積によって表されることがよくあります。 粒子の数をモル単位で指定すると、計算に便利です。
計算を行うときは、地理的緯度だけでなく、気象状況の変化や海抜高度の上昇による気温の変化の可能性を常に考慮する必要があります。
ゲージとバキューム
大気圧と測定された周囲圧力の差は、過剰圧力と呼ばれます。 結果に応じて、数量の名前が変わります。
正の場合はゲージ圧と呼ばれます。
得られた結果にマイナス記号が付いている場合、それはバキュームメトリックと呼ばれます。 気圧を超えることはできないことを覚えておく価値があります。
ディファレンシャル
この値は圧力差です。 いろいろな点測定。 原則として、これはあらゆる機器の圧力損失を決定するために使用されます。 これは特に石油業界に当てはまります。
どのような種類の熱力学的量が圧力と呼ばれるか、またそれがどのような公式で求められるかを理解したので、この現象は非常に重要であり、したがってそれに関する知識は決して不必要ではないと結論付けることができます。
タスク
絶対圧力を決定する PO水の自由表面で 下部容器、上部の容器内の液体が灯油 T-1 の場合。 既知の h 1 および h 2 .h 1 = 210 mm; h 2 = 170 mm。
ρ k = 808 kg/m 3 - 灯油密度。
ρ = 1000kg/m3 - 水の密度。
解決。
流体静力学の基本方程式によると р abs = р 0 + ρgh、 どこ p0 -液体の表面にかかる圧力。 ρ - 流体密度。 はーポイントの浸漬深さ。
下部容器内の表面圧力は次のようになります。 PO.
すると・9.81？ 0.21+1000? 9.81? 0.17 = 103330 Pa。
答え: 下の容器の水面の絶対圧力は 103330 Pa です。
タスク2。
直径の水平円筒形容器の円錐形の蓋にかかる圧力を求めます。 D温度 C の水で満たされ、圧力計の測定値 うーん。 力の垂直成分と水平成分、および円錐形のカバーにかかる圧力の合計を図に示します。 D=a。
p・m = 0.4 MPa = 400,000 Pa; あ= 1000 mm = 1m; D = 1.2 メートル; ρ = 1000 kg/m3。
解決。
円錐形の蓋は湾曲した壁を持っています。 この壁にかかる静水圧の力は次のようになります。
| うーん |
| D |
| あ |
| D |
| シズ |
| ピクセル |
| Pz |
| P |
ここで、P x は水平軸上の力の投影です。
P z - 垂直軸への力の投影。
P x = p c s z = pgh c s z、ここで rs- カバーの垂直投影の重心における圧力 S×= 
;
h c - カバーの垂直投影の重心の浸漬深さ S z。 
メートル;
Pz- 円錐形の蓋 V の容積内の液体の重量。
それから 全力円錐形のカバーにかかる静水圧は次のようになります。
答え： R = 451 000N
タスク3。
平角シールドAB幅 V=2 m、地平線に対して角度 α = 60 度に位置し、深さ 1 の長方形の水路の水位を維持します。 H=4メートル。 シールドにかかる静水圧の力と圧力中心の位置を決定します。 静水圧の図を作成します。
解決。 過剰な静水圧の力は式 (M.2) で求められます。 私たちの場合には h c = H/ 2. そしてシールドの面積
S =宿/sinα = 2・4 / 0.866 = 9.25 平方メートル。
R= ρgh c S = 998 ? 9.81? 9.25 = 181,480 H.
圧力中心の位置は次の式で求められます。
,
どこ 
メートル4
したがって、 
タスク4。
水の層を支える円筒壁の 4 分の 1 AB にかかる静水圧の大きさと方向を決定します。 h = r= 2 m の曲面の幅。 b= 4 メートル。
タスク5。
解決。 この公式を使用して、力 P X の水平成分を決定します。
R X = 
= 1000 · 9.81 · 2 2 /2 · 4 = 80,000 N。
式によると、p z = pgV
力の垂直成分を求めてみましょう。 圧力体の体積は次の式を使用して計算されます。
.
式を使用して、合成圧力を求めます。
静水圧の方向は地平線に対する傾斜角によって決まり、その接線は力の三角形 tgα から求められます。 = PZ/PX = 122 970/80 000= 1,54 , α=57 0С .
円の中心（点O）を通り、地平線に対して角度αで直線を引くと、方向Pが得られ、この直線と円柱の母線の交点が圧力の中心、点Dを与えます。 。
流体力学
全長の水平パイプに沿って 私= 10 m、内径 d = 60 mm、水は温度 t = 20 ℃で供給されます。パイプにはバルブ K (抵抗係数 ξ = 5) と、過剰な圧力を記録する圧力計が装備されています。 R入口で 1 = 2・10 5 Pa、 R出口での 2 = 1.5・10 5 Pa。
水の消費量を決定する Q計算では油圧摩擦係数 λ = 0.023 を採用し、スケールに合わせてパイプの圧力ラインとピエゾメトリック ラインを構築します。
解決。 水の流量を決定するには、セクション 1-1 と 2-2 のベルヌーイ方程式を適用して、パイプラインを通る水の移動の平均速度を求めます。
(A)
パイプ軸 0-0 を通過する平面を比較平面として取り上げます。 指定されたパイプラインの直径は一定であるため、次のようになります。
ベロシティヘッド av 2 /2gセクション 1-1 と 2-2 の値は等しくなります。
油圧損失の合計 h 1-2 は局所抵抗の損失で構成されます h mと長さの損失 h tr:
損失値をベルヌーイ方程式 (B) に代入して、平均速度を決定してみましょう。
,
次の式を使用して水の消費量を決定してみましょう。
圧力線とピエゾメトリック線を構築するには、次のように計算します。
1) 速度圧力 h ck = av 2 /2g;
,
ここで、υ は 20℃ における水の動粘度係数です。
流れ状態は乱流であるため、a = 1、
;
2) セクション 1-1 の全圧力:
3) セクション 2-2 の全圧:
4) バルブKの圧力損失
;
5) 長さ l にわたる圧力損失: 2:
式 (B) を使用して確認します。
20,39 = 15,29 + 2,9 + 2?1,11
それらの。 計算が正しく実行された場合、相対誤差は (0.02:20.4)·100 = 0.1% です。
上記の値を使用して線を描きます。 セクション 1-1 の比較面 0-0 からの全圧 H 1 = 20.97 m をスケール上に置き、そこから水の移動に伴う損失を差し引きます。 
圧力ラインが得られます。 そこからのスピードプレッシャーを軽減する h sk、ピエゾメトリックラインが得られます。
タスク6。
液体が貯留層から直径 d、長さ 2L の水平パイプラインを通って大気中へ移動するとき、パイプの長さの途中に設置されたピエゾメーターのレベルは h になります。 タンク内の静圧が一定で N に等しい場合、水の流量とパイプの油圧摩擦係数 L を決定します。 . ピエゾメトリック ラインと圧力ラインを構築します。 配管入口の抵抗は無視してください。
H = 7 m、h = 3 m、l = 3 m、d = 30 mm = 0.03 m、p = 1000 kg/m 3。
解決。 セクション 1-1 と 2-2 のベルヌーイ方程式を作成しましょう。比較平面はパイプ 0-0 の軸を通過します。 
,
どこ z- 0-0 平面からセクションの重心までの距離。
断面のピエゾメトリック高さ。
セクション内の速度の高さ;
h p1-2- セクション間の油圧抵抗による圧力損失。
それから 
,
ここで、L は油圧摩擦係数です。
- 摩擦による圧力損失、
セクション 2-2 と 3-3 のベルヌーイ方程式を作成し、平面 0-0 に関して解いてみましょう。
,
ここから 
共同で得られた式を解く
液体流量 m 3 /s。
定義しましょう:
答え: λ = 0.03、Q = 0.00313 m 3 /s。
5.3 穴やノズルからの液体漏れ
タスク7。
直径 D の円筒形タンクを深さ H まで空にするパイプの長さ L を、同じ直径 d の穴を通る場合の 2 倍の速度で決定します。 パイプ内の油圧摩擦係数を λ=0.025 とします。
高さ = 8 メートル、 d= 0.5 メートル。
解決。
薄い壁の穴を通る流量は、 
,
ここで、μ は穴を通って流れるときの流量係数です。m = 0.62、
S - 穴の断面積、 
;
N - 圧力。
長さ l、直径のパイプを通る流れ d問題の状態は次のようになります。
ここで、M TP はパイプを通る流量係数です。
可変圧力で容器を空にする時間は、次の式で決定されます。 t = 2v/Qd、ここで、V はタンクに圧力が加えられたときの液体の体積です。 N; Q D - 実際の流量。
問題の状況に応じて 
、 または 
.
それから 
。 この式からパイプの長さ l がわかります。
答え: チューブの長さ 私= 19.5メートル。
5.4 パイプ内のウォーターハンマー
タスク8。
水の量 Q直径の鋳鉄パイプを通してポンプで送られます d、 長さ 私壁の厚さで 
。 パイプの自由端にはシャッターが装備されています。 水撃によるパイプ内の圧力上昇が超えない範囲で、バルブを閉じる時間を決定します。 
パ。 バルブを瞬時に閉じると圧力はどのように上昇しますか?
Q =0.053 m 3 /s。 d= 0.15m、 私= 1600m、 = 9.5 mm、 
= 1,000,000 Pa、p =1000 kg/m3。
解決。
ただし、シャッターが完全に閉まるまでの時間は、 
, 衝撃波等しくなります 
,
ここで、p は液体の密度です。
v は初期の流体流速です。
私- パイプの長さ;
T - ウォーターハンマーフェーズ。
この式から次のことがわかります
.
問題の条件によれば?p=1,000,000Pa。 
メートル。
T = 
と。
バルブが瞬時に閉じると、過剰な圧力が発生します。
,
どこ E F- 液体の弾性率、 E F = 
パ;
Eはパイプ材料の弾性率、 E = 152 
パ;
d - パイプの直径;
δはパイプ壁の厚さです。
kPa。
答え: T = 0.1 秒、/\p = 3900 kPa。
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スキーを持っている人もいない人も。
人は緩い雪の上を歩くのが大変で、一歩ごとに深く沈みます。 しかし、スキーを履いたので、ほとんど転ぶことなく歩くことができます。 なぜ？ スキーの有無にかかわらず、人は自分の体重と同じ力で雪の上に作用します。 ただし、スキー板がある場合とない場合では、人が押す表面積が異なるため、この力の影響は両方の場合で異なります。 スキー板の約20倍の表面積 より多くのエリア靴底。 したがって、スキー板の上に立つとき、人はスキー板を履かずに雪の上に立つ場合に比べて、雪面の 1 平方センチメートルあたりに作用する力が 20 分の 1 になります。
生徒は新聞をボタンでボードに固定し、各ボタンを同じ力で操作します。 ただし、ボタンの端が尖っていると、木に刺さりやすくなります。
これは、力の結果がその係数、方向、作用点だけでなく、力が作用する表面の領域（力が作用する垂直方向）にも依存することを意味します。
この結論は物理実験によって確認されています。
経験: 与えられた力の作用の結果は、単位表面積にどのような力が作用するかによって決まります。
小さな板の角に釘を打ち込む必要があります。 まず、ボードに打ち込んだ釘の先端を上にして砂の上に置き、ボードの上に重りを置きます。 この場合、釘の頭は砂にわずかに押し込まれるだけです。 次に、ボードを裏返し、端に釘を置きます。 この場合、支持面積は小さくなり、同じ力の下で釘は砂の中にかなり深く入ります。
経験。 2番目のイラスト。
この力の作用の結果は、表面積の各単位にどのような力が作用するかによって決まります。
検討した例では、力は物体の表面に対して垂直に作用しました。 男の体重は雪の表面に対して垂直でした。 ボタンに作用する力はボードの表面に対して垂直です。
表面に垂直に働く力とこの表面の面積の比に等しい量を圧力といいます.
圧力を決定するには、表面に垂直に作用する力を表面積で割る必要があります。
圧力 = 力 / 面積.
この式に含まれる量を表しましょう: 圧力 - p、表面に作用する力は Fそして表面積 - S.
次に、次の式が得られます。
p = F/S
同じ面積に大きな力が作用すると、 さらなるプレッシャー.
圧力の単位は、この表面に垂直な面積 1 m2 の表面に作用する 1 N の力によって生成される圧力とみなされます。.
圧力の単位 - ニュートン/平方メートル(1N/m2)。 フランスの科学者に敬意を表して ブレーズ・パスカル それはパスカルと呼ばれます（ パ）。 したがって、
1Pa = 1N/m2.
他の圧力単位も使用されます。 ヘクトパスカル (hPa） そして キロパスカル (kPa).
1 kPa = 1000 Pa;
1 hPa = 100 Pa;
1Pa = 0.001kPa;
1 Pa = 0.01 hPa。
問題の条件を書き出して解いてみましょう。
与えられた : m = 45 kg、S = 300 cm 2 ; p = ?
SI 単位: S = 0.03 m2
解決：
p = F/S,
F = P,
P = グラムメートル,
P= 9.8 N · 45 kg ≈ 450 N、
p= 450/0.03 N/m2 = 15000 Pa = 15 kPa
「答え」: p = 15000 Pa = 15 kPa
圧力を下げる方法と高める方法。
重いクローラートラクターは土壌に40〜50 kPaに等しい圧力を生成します。つまり、体重45 kgの少年の圧力のわずか2〜3倍です。 これは、トラック駆動によりトラクターの重量がより広い領域に分散されるという事実によって説明されます。 そして私たちはそれを確立しました サポートエリアが広いほど、 プレッシャーが少ないこのサポート上の同じ力によって生成されます .
低圧力が必要か高圧が必要かに応じて、サポート面積が増減します。 たとえば、建設中の建物の圧力に土壌が耐えられるようにするために、基礎の下部の面積が増加します。
トラックのタイヤや飛行機のシャーシは、乗用車のタイヤよりもはるかに幅広に作られています。 砂漠を走行するために設計された車のタイヤは、特に幅広に作られています。
線路の支持面積が広いトラクター、戦車、湿地帯車両などの大型車両は、人が通れない湿地帯を通過します。
一方、表面積が小さいと、小さな力で大きな圧力を発生させることができます。 たとえば、ボタンをボードに押すとき、約 50 N の力でボタンに作用します。ボタンの先端の面積は約 1 mm 2 であるため、ボタンによって生成される圧力は次のようになります。
p = 50 N / 0.000 001 m 2 = 50,000,000 Pa = 50,000 kPa。
比較のために、この圧力は、クローラー トラクターによって土壌に加えられる圧力よりも 1000 倍大きくなります。 このような例は他にもたくさんあります。
切断器具の刃や刺し器具（ナイフ、ハサミ、カッター、ノコギリ、針など）の先端は特別に研がれています。 鋭利な刃物は刃先の面積が小さいため、小さな力でも大きな圧力がかかり、作業がしやすい工具です。
切断および穿刺器具は、生きている自然界にも見られます。これらは、歯、爪、くちばし、スパイクなどです。それらはすべて硬い材料でできており、滑らかで非常に鋭いです。
プレッシャー
気体分子はランダムに運動することが知られています。
固体や液体とは異なり、気体はそれが入っている容器全体を満たすことはすでにわかっています。 たとえば、ガスを貯蔵するための鋼製シリンダー、車のタイヤのインナーチューブ、バレーボールなどです。 この場合、ガスは、それが配置されているシリンダー、チャンバー、またはその他の本体の壁、底部、蓋に圧力を加えます。 ガス圧力は圧力以外の要因によって発生します 固体サポートについて。
気体分子はランダムに運動することが知られています。 それらが移動すると、それらは互いに衝突するだけでなく、ガスが入っている容器の壁とも衝突します。 気体中には多くの分子が存在するため、その衝突の数は非常に多くなります。 たとえば、部屋内の空気分子が1秒間に1cm 2 の面積の表面に衝突する回数は、23桁の数字で表されます。 個々の分子の衝撃力は小さいですが、容器の壁に対するすべての分子の影響は大きく、ガス圧が発生します。
それで、 容器の壁（およびガス中に置かれた人体）にかかるガスの圧力は、ガス分子の衝突によって引き起こされます。 .
次の実験を考えてみましょう。 エアポンプのベルの下にゴムボールを置きます。 彼には含まれています 少量の空気を含んでおり、不規則な形状をしています。 次に、ベルの下から空気を送り出します。 ボールの殻は周囲の空気がますます希薄になり、徐々に膨らみ、通常のボールの形になります。
この経験をどう説明すればいいでしょうか？
圧縮ガスの保管と輸送には、耐久性に優れた特殊鋼製シリンダーが使用されています。
私たちの実験では、移動するガス分子がボールの内側と外側の壁に衝突し続けます。 空気が排出されると、ボールのシェルの周囲のベル内の分子の数が減少します。 しかし、ボールの中で彼らの数は変わりません。 したがって、分子が殻の外壁に衝突する回数は、内壁に衝突する回数よりも少なくなります。 ボールは、ゴムシェルの弾性力がガス圧の力と等しくなるまで膨張します。 ボールの殻はボールの形をしています。 これは次のことを示しています ガスはその壁を全方向に均等に押します。。 言い換えれば、表面積 1 平方センチメートルあたりの分子衝突の数は、どの方向でも同じです。 全方向に同じ圧力がかかるのは気体の特徴であり、膨大な数の分子のランダムな動きの結果です。
気体の質量が変わらないように、気体の体積を減らしてみましょう。 これは、気体 1 立方センチメートルごとに分子の数が増え、気体の密度が増加することを意味します。 すると、分子が壁に衝突する回数が増加します。つまり、ガスの圧力が増加します。 これは経験によって確認できます。
画像上 あガラス管の一端が薄いゴム膜で閉じられている様子を示しています。 ピストンがチューブに挿入されます。 ピストンが移動すると、チューブ内の空気の体積が減少します。つまり、ガスが圧縮されます。 ゴム膜が外側に曲がり、チューブ内の空気圧が上昇したことがわかります。
逆に、同じ質量の気体の体積が増加すると、1立方センチメートルあたりの分子の数は減少します。 これにより、容器の壁への衝撃の数が減り、ガスの圧力が低くなります。 実際、ピストンがチューブから引き抜かれると、空気の体積が増加し、容器内でフィルムが曲がります。 これはチューブ内の空気圧の低下を示します。 空気の代わりに他のガスが管内に存在する場合にも、同じ現象が観察されます。
それで、 気体の質量と温度が変わらなければ、気体の体積が減少すると圧力が増加し、体積が増加すると圧力が減少します。.
気体を一定の体積で加熱すると圧力はどのように変化しますか? 気体分子は加熱すると速度が速くなることが知られています。 より速く移動すると、分子はより頻繁に容器の壁にぶつかります。 さらに、壁に対する分子の各衝撃はより強くなります。 その結果、容器の壁はより大きな圧力を受けることになります。
したがって、 ガス温度が高いほど、密閉容器内のガス圧力は大きくなりますガスの質量と体積が変化しない場合に限ります。
これらの実験から、一般的に次のように結論付けることができます。 ガスの圧力は、分子が容器の壁に衝突する頻度が高くなるほど増加します。 .
ガスを保管および輸送するには、ガスを高度に圧縮します。 同時に、圧力が増加するため、ガスは特別な非常に耐久性のあるシリンダーに封入されなければなりません。 たとえば、このようなシリンダーには、潜水艦の圧縮空気や金属の溶接に使用される酸素が含まれています。 もちろん、ガスシリンダーは、特にガスが充填されている場合には加熱できないことを常に覚えておく必要があります。 なぜなら、すでに理解しているように、爆発は非常に不快な結果を伴う可能性があるからです。
パスカルの法則。
圧力は液体または気体のあらゆる点に伝達されます。
ピストンの圧力はボールを満たす流体の各点に伝達されます。
今はガスです。
固体とは異なり、液体と気体の個々の層と小さな粒子は、相互にあらゆる方向に自由に移動できます。 たとえば、コップの水面に軽く息を吹きかけて水を動かすだけで十分です。 川や湖では、わずかな風で波紋が現れます。
気体と液体の粒子の移動性は次のことを説明します。 加えられる圧力は力の方向だけでなくあらゆる点に伝わります。。 この現象をさらに詳しく考えてみましょう。
画像上では、 あ気体（または液体）が入った容器を示します。 粒子は容器全体に均一に分散されます。 容器は上下に動くピストンによって密閉されています。
力を加えるとピストンがわずかに内側に移動し、ピストンの直下にある気体（液体）が圧縮されます。 すると、この場所に粒子（分子）が以前よりも密に配置されることになります（図b）。 移動性により、ガス粒子はあらゆる方向に移動します。 その結果、それらの配置は再び均一になりますが、以前よりも密度が高くなります（図c）。 したがって、ガス圧力はどこでも上昇します。 これは、追加の圧力が気体または液体のすべての粒子に伝達されることを意味します。 したがって、ピストン自体の近くの気体（液体）の圧力が 1 Pa 増加すると、すべての点で 内部気体でも液体でも圧力は同じ分だけ大きくなります。 容器の壁、底部、ピストンにかかる圧力は 1 Pa 増加します。
液体や気体にかかる圧力は、どの点にも全方向に均等に伝わります。 .
このステートメントは次のように呼ばれます パスカルの法則.
パスカルの法則に基づいて、次の実験を簡単に説明できます。
写真は、各所に小さな穴が開いた中空のボールです。 ボールにはチューブが取り付けられており、その中にピストンが挿入されています。 ボールに水を入れてピストンをチューブ内に押し込むと、ボールのすべての穴から水が流れ出します。 この実験では、ピストンがチューブ内の水面を押します。 ピストンの下にある水の粒子は圧縮され、その圧力がより深いところにある他の層に伝達されます。 したがって、ピストンの圧力はボールを満たす流体の各点に伝達されます。 その結果、水の一部がすべての穴から流れ出る同一の流れの形でボールから押し出されます。
ボールが煙で満たされている場合、ピストンがチューブに押し込まれると、ボールのすべての穴から均等な煙の流れが出始めます。 これにより、次のことが確認されます。 気体は、それにかかる圧力を全方向に均等に伝達します。.
液体および気体の圧力。
液体の重さの影響で、チューブ内のゴム底が曲がります。
地球上のすべての物体と同様、液体は重力の影響を受けます。 したがって、容器に注がれた液体の各層はその重量によって圧力を発生させ、パスカルの法則に従って圧力は全方向に伝わります。 したがって、液体の中には圧力が存在します。 これは経験によって検証できます。
ガラス管に水を注ぎ、その底の穴を薄いゴム膜で閉じます。 液体の重さの影響で、チューブの底が曲がります。
経験上、ゴム膜の上の水柱が高くなるほど、ゴム膜はより曲がりやすくなります。 しかし、ゴムの底が曲がるたびに、重力に加えて、伸びたゴム膜の弾性力が水に作用するため、チューブ内の水は平衡状態になります（停止します）。
ゴム膜に働く力は、 |
両側とも同じです。 |
図。
底部は重力の圧力によりシリンダーから遠ざかります。
水が注がれているゴム底の管を、水の入った別の幅の広い容器に下げてみましょう。 チューブを下げると、ゴム膜が徐々に真っ直ぐになることがわかります。 フィルムを完全に真っ直ぐにすると、上と下からフィルムに作用する力が等しいことがわかります。 チューブと容器内の水位が一致すると、フィルムが完全に真っ直ぐになります。
図aに示すように、側孔をゴム膜で覆ったチューブでも同じ実験を行うことができます。 このチューブを水の入った別の容器に図のように浸してみましょう。 b。 チューブと容器内の水位が等しくなるとすぐにフィルムが再び真っ直ぐになることがわかります。 これは、ゴム膜に作用する力がどの面でも同じであることを意味します。
底が抜けてしまう可能性のある器を考えてみましょう。 水の入った瓶に入れてみましょう。 底が容器の端にしっかりと押し付けられ、落ちません。 下から上に向かう水圧の力で押されます。
慎重に水を容器に注ぎ、底を観察します。 容器の水位が瓶の水位と一致するとすぐに、瓶は容器から落ちます。
分離の瞬間、容器内の液体の柱が上から下に圧力をかけ、瓶の中にある同じ高さの液体の柱からの圧力が下から上、そして底に伝わります。 これらの圧力は両方とも同じですが、底部はシリンダー自身の重力の作用によりシリンダーから遠ざかります。
上記では水を使った実験について説明しましたが、水の代わりに他の液体を使っても実験結果は同じになります。
したがって、実験は次のことを示しています 液体内には圧力があり、同じレベルではすべての方向で圧力は等しいです。 圧力は深さとともに増加します.
気体にも重量があるため、この点では液体と変わりません。 しかし、気体の密度は液体の密度より数百倍も小さいことを覚えておく必要があります。 容器内のガスの重量は小さく、多くの場合、その「重量」圧力は無視できます。
容器の底と壁にかかる液体の圧力の計算。
容器の底と壁にかかる液体の圧力の計算。
容器の底と壁にかかる液体の圧力を計算する方法を考えてみましょう。 まず直方体のような形状の容器の問題を解いてみましょう。
力 Fこの容器に注がれた液体が底を押す力は、重さに等しい P容器の中の液体。 液体の重さは、その質量を知ることで求めることができます メートル。 ご存知のとおり、質量は次の式を使用して計算できます。 m = ρ・V。 選択した容器に注ぐ液体の量は簡単に計算できます。 容器内の液体の柱の高さを文字で表すと、 h、および容器の底の面積 S、 それ V = Sh.
液体の塊 m = ρ・V、 または m = ρ S h .
この液体の重さは P = g・m、 または P = g ρ S h.
液体の柱の重さは、液体が容器の底を押す力に等しいので、その重さを割ると、 P広場へ S、流体圧力を取得します p:
p = P/S、または p = g・ρ・S・h/S、
容器の底の液体の圧力を計算する式が得られました。 この式から明らかなように、 容器の底の液体の圧力は、液柱の密度と高さにのみ依存します。.
したがって、導出された式を使用して、容器に注がれた液体の圧力を計算できます。 任意の形状（厳密に言えば、私たちの計算は直角柱と円柱の形状を持つ容器にのみ適しています。研究所の物理学の授業では、この式が任意の形状の容器にも当てはまることが証明されました。） さらに、容器の壁にかかる圧力の計算にも使用できます。 同じ深さの圧力はどの方向でも同じであるため、底から上までの圧力を含む液体内の圧力もこの式を使用して計算されます。
圧力を計算式で計算する場合 p = グーρh密度が必要です ρ キログラム/立方メートル (kg/m3) で表され、液柱の高さ h- メートル (m)、 g= 9.8 N/kg の場合、圧力はパスカル (Pa) で表されます。
例。 油柱の高さが 10 m、密度が 800 kg/m 3 の場合、タンク底部の油の圧力を求めます。
問題の状態を書き出して書き出してみましょう。
与えられた :
ρ = 800 kg/m 3
解決 :
p = 9.8 N/kg · 800 kg/m 3 · 10 m ≈ 80,000 Pa ≈ 80 kPa。
答え : p ≈ 80 kPa。
連絡船。
連絡船。
この図は、ゴムチューブによって互いに接続された 2 つの容器を示しています。 このような船はこう呼ばれます 通信する。 じょうろ、ティーポット、コーヒーポットは連通容器の例です。 経験から、たとえばじょうろに注がれた水は、注ぎ口と内部で常に同じレベルにあることがわかっています。
私たちは通信する船によく遭遇します。 たとえば、ティーポット、じょうろ、コーヒーポットなどです。 |
均質な液体の表面は、あらゆる形状の連通容器内で同じレベルに設置されます。 |
異なる密度の液体。 |
次の簡単な実験は、通信血管を使用して行うことができます。 実験の初めに、ゴム管を真ん中で固定し、一方の管に水を注ぎます。 次にクランプを開くと、水はすぐにもう一方の管に流れ込み、両方の管の水面が同じ高さになります。 チューブの 1 つを三脚に取り付け、もう 1 つを上げたり下げたり、さまざまな方向に傾けたりできます。 この場合、液体が落ち着くとすぐに、両方のチューブ内のレベルが均等になります。
あらゆる形状および断面の連通容器内で、均質な液体の表面は同じレベルに設置されます。(液体上の空気圧が同じである場合) (図 109)。
これは次のように正当化できます。 液体は容器から容器へ移動することなく静止しています。 これは、両方の容器内の圧力がどのレベルでも同じであることを意味します。 両方の容器内の液体は同じです、つまり同じ密度を持っています。 したがって、その高さは同じでなければなりません。 1 つの容器を持ち上げたり、そこに液体を加えたりすると、容器内の圧力が上昇し、圧力が均衡するまで液体は別の容器に移動します。
ある密度の液体が連絡容器の 1 つに注がれ、別の密度の液体が 2 番目の容器に注がれる場合、平衡状態ではこれらの液体のレベルは同じではありません。 そしてこれは理解できます。 容器の底の液体の圧力は塔の高さと液体の密度に正比例することがわかっています。 この場合、液体の密度は異なります。
圧力が等しい場合、密度が高い液体の柱の高さは密度が低い液体の柱の高さよりも低くなります（図）。
経験。 空気の質量を決定する方法。
空気の重さ。 大気圧。
大気圧の存在。
大気圧は容器内の希薄な空気の圧力よりも高くなります。
空気は、地球上の他の物体と同様に重力の影響を受けるため、空気には重さがあります。 空気の重さは、質量が分かれば簡単に計算できます。
空気の質量を計算する方法を実験的に示します。 これを行うには、ストッパー付きの耐久性のあるガラス球とクランプ付きのゴムチューブを使用する必要があります。 ポンプで空気を抜き、クランプでチューブを固定し、秤の上でバランスを取りましょう。 次に、ゴムチューブのクランプを開いて空気を入れます。 そうなると天秤のバランスが崩れてしまいます。 それを元に戻すには、秤のもう一方の皿に重りを置く必要があります。その質量はボールの体積内の空気の質量と等しくなります。
実験により、温度 0 °C、通常の大気圧では、体積 1 m 3 の空気の質量は 1.29 kg に等しいことが証明されました。 この空気の重さは簡単に計算できます。
P = g・m、P = 9.8 N/kg 1.29 kg ≈ 13 N。
地球を取り囲む空気の殻はと呼ばれます 雰囲気 (ギリシャ語より アトモス- 蒸気、空気、 球- ボール）。
人工地球衛星の飛行観測からわかるように、大気は高度数千キロメートルまで広がっています。
重力により、海水と同様に大気の上層は下層を圧縮します。 地球に直接隣接する空気層は最も圧縮されており、パスカルの法則に従って、空気層にかかる圧力が全方向に伝わります。
この結果、地球の表面とその上にある物体は、空気の層全体から圧力を受けることになります。または、そのような場合によく言われるように、 大気圧 .
大気圧の存在は、私たちが人生で遭遇する多くの現象を説明できます。 それらのいくつかを見てみましょう。
この図はガラス管を示しており、その内部には管の壁にしっかりとフィットするピストンがあります。 チューブの端を水中に下げます。 ピストンを持ち上げると後ろから水が上がってきます。
この現象はウォーターポンプなどで利用されています。
図は円筒形の容器を示しています。 タップ付きチューブを差し込んでストッパーで閉めます。 空気はポンプで容器から汲み出されます。 次に、チューブの端を水の中に置きます。 ここで蛇口を開けると、容器の中に噴水のように水が噴き出します。 大気圧が容器内の希薄な空気の圧力よりも高いため、水が容器に入ります。
地球の空気のエンベロープはなぜ存在するのでしょうか?
すべての物体と同様に、地球の空気のエンベロープを構成するガス分子は地球に引き寄せられます。
しかし、ではなぜそれらはすべて地球の表面に落ちないのでしょうか? 地球の空気層と大気はどのように保存されているのでしょうか? これを理解するには、気体分子が連続的かつランダムに運動していることを考慮する必要があります。 しかし、別の疑問が生じます。なぜこれらの分子は宇宙空間、つまり宇宙に飛び去らないのでしょう。
宇宙船やロケットなどの分子が地球から完全に離れるためには、非常に高速 (少なくとも 11.2 km/s) でなければなりません。 これはいわゆる 第 2 脱出速度。 地球の空気の殻にあるほとんどの分子の速度は、この脱出速度よりも大幅に遅いです。 したがって、それらのほとんどは重力によって地球に結びついており、地球を越えて宇宙に飛び出す分子はごくわずかです。
分子のランダムな動きとそれらに対する重力の影響により、ガス分子は地球近くの空間に「浮遊」し、空気のエンベロープ、つまり私たちに知られている大気を形成します。
測定によれば、空気密度は高度とともに急速に減少します。 したがって、地球上空 5.5 km の空気密度は、地表の密度の 2 分の 1、高度 11 km では 4 分の 1 になります。密度が高くなるほど、空気の密度は低くなります。 そして最後に、最上層（地球上空数百、数千キロメートル）では、大気は徐々に空気のない空間に変わります。 地球の空気のエンベロープには明確な境界がありません。
厳密に言えば、重力の作用により、密閉容器内のガス密度は容器の体積全体にわたって同じではありません。 容器の底部ではガス密度が上部よりも高いため、容器内の圧力は同じではありません。 容器の上部よりも下部の方が大きくなります。 しかし、容器内に含まれる気体の場合、この密度と圧力の差は非常に小さいため、多くの場合、それが知られているだけで完全に無視できます。 しかし、数千キロメートルにわたって広がる大気の場合、この違いは重大です。
大気圧を測定します。 トリチェリの経験。
液柱の圧力を計算する公式 (§ 38) を使用して大気圧を計算することは不可能です。 このような計算を行うには、大気の高さと空気密度を知る必要があります。 しかし、大気には明確な境界がなく、空気密度は 異なる高さ違う。 ただし、大気圧は 17 世紀にイタリアの科学者によって提案された実験を使用して測定できます。 エヴァンジェリスタ・トリチェッリ , ガリレオの弟子。
トリチェリの実験は次のようなもので構成されています。一端が密閉された長さ約 1 m のガラス管に水銀が満たされています。 次に、管のもう一方の端をしっかりと閉じ、管をひっくり返して水銀の入ったカップの中に下げ、そこで管のこの端を水銀のレベルの下で開きます。 液体を使った他の実験と同様、水銀の一部はカップに注がれ、一部は管内に残ります。 管内に残る水銀柱の高さは約 760 mm です。 チューブ内の水銀の上には空気がなく、空気のない空間があるため、ガスはこのチューブ内の水銀柱に上から圧力を加えず、測定に影響を与えません。
上記の実験を提案したトリチェリ氏もその説明を行っています。 大気がカップ内の水銀の表面を圧迫します。 水星は平衡状態にあります。 これは、チューブ内の圧力が次のレベルであることを意味します。 ああ 1 (図を参照) は大気圧に等しい。 大気圧が変化すると、管内の水銀柱の高さも変化します。 圧力が増加すると、カラムは長くなります。 圧力が低下すると、水銀柱の高さが減少します。
管の上部の水銀より上には空気がないため、レベル aa1 の管内の圧力は管内の水銀柱の重量によって生成されます。 したがって、 大気圧は管の中の水銀柱の圧力に等しい 、つまり
pＡＴＭ＝ p水星
トリチェリの実験では、大気圧が高くなるほど水銀柱の高さが高くなります。 したがって、実際には、大気圧は水銀柱の高さ (ミリメートルまたはセンチメートル単位) で測定できます。 たとえば、大気圧が 780 mm Hg であるとします。 美術。 （彼らは「水銀柱ミリメートル」と言います）、これは、空気が高さ 780 mm の水銀の垂直柱と同じ圧力を生み出すことを意味します。
したがって、この場合、大気圧の測定単位は 1 ミリメートル水銀 (1 mm Hg) です。 この単位と私たちが知っている単位との関係を調べてみましょう - パスカル(パ)。
高さ 1 mm の水銀柱 ρ の圧力は次のようになります。
p = g・ρ・h, p= 9.8 N/kg · 13,600 kg/m 3 · 0.001 m ≈ 133.3 Pa。
ということで、1mmHg。 美術。 = 133.3 Pa。
現在、大気圧は通常ヘクト パスカル (1 hPa = 100 Pa) で測定されます。 たとえば、天気予報では、気圧が 1013 hPa であると発表されることがありますが、これは 760 mmHg と同じです。 美術。
トリチェッリは、管内の水銀柱の高さを毎日観察し、この高さが変化すること、つまり大気圧は一定ではなく、増加したり減少したりする可能性があることを発見しました。 トリチェッリ氏はまた、気圧が天候の変化に関係しているとも指摘した。
トリチェリの実験で使用された水銀管に垂直スケールを取り付けると、最も単純な装置が得られます。 水銀気圧計 (ギリシャ語より バロス- 重さ、 メトレオ- 私は測定する）。 大気圧を測定するために使用されます。
気圧計 - アネロイド。
実際の気圧の計測にはメタルバロメーターと呼ばれる金属製の気圧計が使用されます。 アネロイド (ギリシャ語から翻訳 - アネロイド）。 気圧計には水銀が含まれていないため、このように呼ばれています。
アネロイドの外観を図に示します。 その主要部分は、波状（波形）表面を有する金属製の箱１である（他の図を参照）。 この箱から空気がポンプで排出され、大気圧で箱が潰れないように、蓋 2 がバネで上に引っ張られています。 大気圧が上昇すると、蓋がたわみ、バネが締め付けられます。 圧力が低下すると、スプリングによってキャップが真っ直ぐになります。 矢印４は伝達機構３を介してバネに取り付けられており、圧力が変化すると左右に動く。 矢印の下には目盛りがあり、その目盛りは水銀気圧計の測定値に従ってマークされています。 したがって、アネロイド針が立っている数字 750 (図を参照) は、水銀気圧計の現時点での水銀柱の高さが 750 mm であることを示しています。
したがって、大気圧は750mmHgとなります。 美術。 または ≈ 1000 hPa。
気圧の変化は天気の変化と関連しているため、気圧の値は今後数日の天気を予測する上で非常に重要です。 気圧計は気象観測に欠かせない機器です。
さまざまな高度での大気圧。
ご存知のように、液体中の圧力は液体の密度と液体の柱の高さに依存します。 圧縮率が低いため、異なる深さの液体の密度はほぼ同じになります。 したがって、圧力を計算するときは、その密度が一定であるとみなし、高さの変化のみを考慮します。
ガスの状況はさらに複雑です。 ガスは非常に圧縮性が高いです。 そして、ガスが圧縮されるほど、その密度は大きくなり、生成される圧力も大きくなります。 結局のところ、ガス圧力はその分子が物体の表面に衝突することによって発生します。
地球の表面の空気の層は、その上にあるすべての空気層によって圧縮されます。 しかし、空気の層が地表から高くなるほど、圧縮が弱くなり、密度が低くなります。 したがって、生成される圧力は小さくなります。 たとえば、気球が地表から上昇すると、気球にかかる気圧が小さくなります。 これは、その上の気柱の高さが減少するだけでなく、空気の密度が減少することによっても発生します。 上部よりも下部の方が小さいです。 したがって、気圧の高度への依存性は液体の依存性よりも複雑です。
観測によると、海抜ゼロメートルの地域の大気圧は平均 760 mm Hg です。 美術。
温度0℃における高さ760mmの水銀柱の圧力に等しい大気圧を常圧といいます。.
通常の大気圧 101,300 Pa = 1013 hPa に相当します。
海抜が高くなるほど、気圧は低くなります。
小さな上昇では、平均して 12 m 上昇するごとに、圧力は 1 mmHg 低下します。 美術。 (または 1.33 hPa まで)。
気圧の高度依存性がわかれば、気圧計の測定値を変更することで海抜高度を判断できます。 海抜の高さを直接測定できる目盛りを持つものをアネロイドといいます。 高度計 。 航空や登山などに使われています。
圧力計。
気圧計が大気圧の測定に使用されることはすでに知られています。 大気圧より高いまたは低い圧力を測定するには、それが使用されます。 圧力計 (ギリシャ語より マノス- 珍しい、緩い、 メトレオ- 私は測定する）。 圧力計もあるよ 液体そして 金属.
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まずはデバイスとアクションを考えてみましょう 液圧計を開く。 それは液体が注がれる二本足のガラス管で構成されています。 容器エルボ内の液体表面には大気圧のみが作用するため、液体は両方のエルボに同じレベルで設置されます。
このような圧力計がどのように機能するかを理解するには、片面がゴムフィルムで覆われた丸い平らな箱にゴムチューブで圧力計を接続します。 フィルムを指で押すと、ボックスに接続されている圧力計のエルボの液面が下がり、もう一方のエルボの液面が上がります。 これは何で説明されますか?
フィルムを押すとボックス内の気圧が高まります。 パスカルの法則によれば、この圧力増加は、ボックスに接続されている圧力計エルボ内の流体にも伝達されます。 したがって、このエルボ内の流体にかかる圧力は、大気圧のみが流体に作用する他のエルボよりも大きくなります。 この過剰な圧力の力により、液体は動き始めます。 圧縮空気のあるエルボでは液体は下がり、もう一方のエルボでは液体は上昇します。 圧縮空気の過剰な圧力が、圧力計のもう一方の脚にある過剰な液体の柱によって生成される圧力と釣り合うと、流体は平衡状態 (停止) に達します。
フィルムを強く押すほど、余分な液柱が高くなり、その圧力が大きくなります。 したがって、 圧力の変化はこの余分な柱の高さで判断できます.
図は、このような圧力計が液体内の圧力をどのように測定できるかを示しています。 チューブが液体に深く浸かるほど、圧力計エルボ内の液柱の高さの差が大きくなります。、したがって、そして 流体によってより多くの圧力が発生します.
デバイスボックスを液体内のある程度の深さに設置し、フィルムを上、横、下に回転させても、圧力計の指示値は変化しません。 それはそうあるべきです、なぜなら 液体内の同じレベルでは、圧力はどの方向でも同じです.
写真は示す 金属製圧力計 。 このような圧力計の主要部分は、パイプ状に曲げられた金属管です。 1 、一端が閉じられています。 タップを使用してチューブのもう一方の端を 4 圧力が測定される容器と通信します。 圧力が増加すると、チューブの曲がりが戻ります。 レバーを使用して閉じた端を移動します 5 そして歯 3 矢に伝わる 2 、計器のスケールの近くを移動します。 圧力が減少すると、チューブはその弾性により元の位置に戻り、矢印は目盛りのゼロの目盛りに戻ります。
ピストン液体ポンプ。
以前に検討した実験 (§ 40) では、ガラス管内の水が大気圧の影響を受けてピストンの後ろで上向きに上昇することが証明されました。 これがアクションのベースになっています。 ピストンパンプス
ポンプは図に概略的に示されています。 それはシリンダーで構成されており、その中でピストンが容器の壁にぴったりと隣接して上下に移動します。 1 。 バルブはシリンダーの底部とピストン自体に取り付けられています 2 、上方向にのみ開きます。 ピストンが上方に移動すると、大気圧の影響で水がパイプに入り、下部のバルブを持ち上げてピストンの後ろに移動します。
ピストンが下方に移動すると、ピストンの下の水が底部のバルブを押し、バルブが閉じます。 同時に水圧によりピストン内のバルブが開き、ピストン上部の空間に水が流れ込みます。 次にピストンが上方に移動すると、その上の水も上昇して出口パイプに流れ込みます。 同時に、新しい水の部分がピストンの後ろで上昇し、その後ピストンが下降すると水がピストンの上に現れます。この手順全体がポンプの動作中に何度も繰り返されます。
油圧プレス。
パスカルの法則はその行動を説明する 油圧機械 (ギリシャ語より 油圧- 水）。 これらは、流体の運動と平衡の法則に基づいて動作する機械です。
油圧機械の主要部分は、ピストンと接続チューブを備えた異なる直径の 2 つのシリンダーです。 ピストンとチューブの下の空間は液体 (通常は鉱物油) で満たされています。 ピストンに力が作用しない限り、両方のシリンダーの液柱の高さは同じです。
ここで、次の力があると仮定しましょう。 F 1と F 2 - ピストンに作用する力、 S 1と S 2 - ピストン領域。 最初の (小さい) ピストンの下の圧力は次の値に等しいです。 p 1 = F 1 / S 1、2 つ目以下 (大) p 2 = F 2 / S 2. パスカルの法則によれば、圧力は静止している流体によって全方向に均等に伝達されます。 p 1 = p 2または F 1 / S 1 = F 2 / S 2、以下から:
F 2 / F 1 = S 2 / S 1 .
したがって、強度は F 2 何倍ものパワー F 1 , 大きいピストンの面積は小さいピストンの面積より何倍大きいですか?。 たとえば、大きいピストンの面積が 500 cm2、小さいピストンの面積が 5 cm2 で、小さいピストンに 100 N の力が作用した場合、100 倍、つまり 10,000 N の力がかかります。大きいピストンに作用します。
したがって、油圧機械の助けを借りて、小さな力で大きな力のバランスをとることが可能です。
態度 F 1 / F 2は強度の向上を示しています。 たとえば、上記の例では、強度の増加は 10,000 N / 100 N = 100 です。
プレス（絞り）する際に使用する油圧機械を「油圧機械」といいます。 油圧プレス .
より大きな力が必要な場合は、油圧プレスが使用されます。 たとえば、製油所で種子から油を搾る場合、合板、ボール紙、干し草をプレスする場合などです。 の上 冶金工場油圧プレスは、鋼製機械シャフト、鉄道車輪、その他多くの製品の製造に使用されます。 最新の油圧プレスは、数千万ニュートン、数億ニュートンの力を発生させることができます。
油圧プレスの構造を模式的に図に示します。 加圧体 1 (A) は、大型ピストン 2 (B) に接続されたプラットフォーム上に配置されます。 小さなピストン 3 (D) の助けにより、液体に高圧が発生します。 この圧力は、シリンダーを満たす流体のあらゆる点に伝達されます。 したがって、同じ圧力が 2 番目の大きいピストンに作用します。 ただし、2番目（大きい）ピストンの面積は小さいピストンの面積より大きいため、それに作用する力はピストン3（D）に作用する力より大きくなります。 この力の影響でピストン 2 (B) が上昇します。 ピストン 2 (B) が上昇すると、本体 (A) が固定上部プラットフォームに寄りかかり、圧縮されます。 圧力計４（Ｍ）は流体の圧力を計測する。 安全弁5(P)は流体圧力が許容値を超えると自動的に開きます。
小さなピストン 3 (D) の繰り返しの動きによって、小さなシリンダーから大きなシリンダーへ液体が圧送されます。 これは次のように行われます。 小ピストン (D) が上昇すると、バルブ 6 (K) が開き、ピストンの下の空間に液体が吸い込まれます。 液体の圧力の影響で小さなピストンが下がると、バルブ 6 (K) が閉じ、バルブ 7 (K'') が開き、液体が大きな容器に流れ込みます。
水とガスが浸漬された身体に及ぼす影響。
空中では持ち上げるのが難しい石を、水中では簡単に持ち上げることができます。 コルクを水の中に入れて手を離すと、コルクは水面に浮き上がります。 これらの現象はどのように説明できるでしょうか?
私たちは、液体が容器の底と壁を押すことを知っています (§ 38)。 また、液体の中に固体が置かれている場合、容器の壁と同様に圧力がかかります。
液体に浸された物体に液体から作用する力を考えてみましょう。 推論を容易にするために、液体の表面に平行な底面を持つ直方体の形状を持つ物体を選択してみましょう (図)。 物体の側面に作用する力は対で等しく、互いに釣り合います。 これらの力の影響下で、体は収縮します。 しかし、物体の上部と下部の端に作用する力は同じではありません。 上端を上から力で押す F液体高の 1 カラム h 1. 下端のレベルでは、圧力によって高さのある液体の柱が生成されます。 h 2. 私たちが知っているように (§ 37)、この圧力は液体内であらゆる方向に伝達されます。 したがって、ボディの下面を下から上に向かって力を入れていきます。 F 2 液体の柱を高圧で押します h 2. しかし h 2以上 h 1 したがって、力係数 Fさらに2つの電源モジュール F 1. したがって、本体は液体から強い力で押し出されます。 F Vt、力の差に等しい F 2 - F 1、つまり
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ただし、S・h = V、ここで、V は直方体の体積、ρ f ・V = m f は直方体の体積内の液体の質量です。 したがって、 F out = g m w = P w、 つまり 浮力は、その中に浸された物体の体積中の液体の重さに等しい（浮力は、その中に浸された体の体積と同じ体積の液体の重さに等しい）。 物体を液体から押し出す力の存在は、実験的に簡単に検出できます。 画像上 あは、端に矢印が付いたバネで吊り下げられた本体を示しています。 矢印は三脚のバネの張力を示しています。 体を水中に放すとバネが縮みます（図1）。 b）。 手で押す（持ち上げる）など、本体を下から上に力を加えた場合も、同じバネの収縮が得られます。 したがって、経験的には次のことが確認されています 液体中の物体には、その物体を液体から押し出す力が作用します。. ご存知のとおり、パスカルの法則は気体にも当てはまります。 それが理由です ガス中の物体はガスから押し出される力を受ける。 この力の影響で風船は上向きに上昇します。 物体を気体から押し出す力の存在は実験的に観察することもできます。 ガラス球またはストッパーで閉じた大きなフラスコを短縮したスケールパンから吊り下げます。 天秤はバランスがとれています。 次に、幅の広い容器をフラスコ (またはボール) の下に置き、フラスコ全体を取り囲みます。 容器は二酸化炭素で満たされており、その密度は空気の密度よりも大きい（したがって、二酸化炭素は沈んで容器を満たし、容器から空気を追い出す）。 この場合、天秤のバランスが崩れてしまいます。 フラスコを吊り下げたカップが上方に上昇します（図）。 二酸化炭素に浸されたフラスコは、空気中で作用する力よりも大きな浮力を受けます。 物体を液体または気体から押し出す力は、この物体にかかる重力と反対方向に向けられます。. したがって、プロコスモス）。 まさにこれが、空中では保持するのが難しい体を水中では簡単に持ち上げることがある理由です。 小さなバケツと円筒形の本体がバネから吊り下げられています（図、a）。 三脚の矢印はスプリングの伸びを示しています。 空中にある体の重さを表します。 本体を持ち上げたら、鋳造管の高さまで液体で満たされた鋳造容器をその下に置きます。 その後、体は完全に液体に浸されます（図、b）。 その中で 体の体積と同じ体積の液体の一部が注ぎ出されます。注ぐ容器からグラスに注ぎます。 バネが収縮し、バネの針が上昇し、流体中の体重の減少を示します。 この場合、重力に加えて別の力が物体に作用し、物体を液体から押し出します。 グラスから上のバケツに液体（つまり、本体によって押しのけられた液体）が注がれると、スプリングポインタは初期位置に戻ります（図、c）。
この経験に基づいて結論付けることができます。 液体に完全に浸された物体を押し出す力は、この物体の体積中の液体の重量に等しい 。 私たちは第 48 条でも同じ結論を得ました。 何らかのガスに浸した体を使って同様の実験を行った場合、次のことが示されるでしょう。 物体を気体から押し出す力は、物体の体積に取り込まれた気体の重量にも等しい . 液体または気体から物体を押し出す力を アルキメデスの力科学者に敬意を表して アルキメデス 、最初にその存在を指摘し、その価値を計算した人。 したがって、経験により、アルキメデス (または浮力) 力は物体の体積内の液体の重量に等しいことが確認されています。 F A = P f = グラムメートルそして。 物体によって押しのけられた液体の質量 mf は、その密度 ρf と液体に浸された物体の体積 Vt によって表現できます (Vf - 物体によって押しのけられた液体の体積は Vt - 浸された物体の体積に等しいため)液体中)、つまり m f = ρ f ·V t となります。 F A= g・ρそして ・ V T したがって、アルキメデス力は、物体が浸されている液体の密度とこの物体の体積に依存します。 しかし、たとえば、液体に浸された物体の物質の密度には依存しません。これは、この量が結果の式に含まれていないためです。 ここで、液体 (または気体) に浸された物体の重量を測定してみましょう。 この場合、物体に作用する 2 つの力の方向は次のとおりです。 反対側(重力が下で、アルキメデス力が上)、液体 P 1 中の物体の重量は、真空中の物体の重量よりも小さくなります。 P = g・mアルキメデスの力について F A = グラムメートル w（どこで メートル g - 物体によって押しのけられた液体または気体の質量)。 したがって、 物体が液体または気体に浸されると、押しのけられた液体または気体の重量と同じだけ重量が減ります。. 例。 海水中で体積1.6m 3 の石に働く浮力を求めます。 問題の条件を書き出して解いてみましょう。 浮遊体が液体の表面に到達すると、さらに上向きに移動すると、アルキメデス力は減少します。 なぜ？ しかし、液体に浸された体の部分の体積は減少し、アルキメデス力は、液体に浸された体の部分の体積中の液体の重さに等しいためです。 アルキメデスの力が重力と等しくなるとき、物体は停止して液体の表面に浮かび、部分的に液体の中に浸みます。 得られた結論は実験的に簡単に検証できます。 排水容器に排水チューブの高さまで水を注ぎます。 この後、事前に空中で重量を測定した浮体を容器に沈めます。 水中に降下すると、物体はその中に沈んだ体の部分の体積と同じ体積の水が押しのけられます。 この水の重さを量ると、その重さ（アルキメデス力）が浮遊物体に作用する重力、または空中にあるこの物の重さに等しいことがわかります。 水、アルコール、食塩水など、さまざまな液体に浮いている他の物体で同じ実験を行ったことがあるなら、次のことを確信できるでしょう。 物体が液体に浮いている場合、物体によって押しのけられる液体の重量は、空気中のこの物体の重量に等しい. それを証明するのは簡単です 固体の密度が液体の密度より大きい場合、物体はそのような液体に沈みます。 この液体の中には密度の低い物体が浮かびます。 たとえば、鉄片は水に沈みますが、水銀には浮きます。 密度が液体の密度と等しい物体は、液体内で平衡状態に保たれます。 氷は水の密度よりも小さいので水面に浮かびます。 液体の密度に比べて体の密度が低いほど、液体に浸される体の部分は少なくなります。 . 物体と液体の密度が等しい場合、物体は液体内のどの深さでも浮遊します。 2 つの混ざらない液体、たとえば水と灯油が、その密度に応じて容器内に配置されます。容器の下部 - 密度の高い水 (ρ = 1000 kg/m3)、上部 - 軽い灯油 (ρ = 800 kg) /m3) 。 水生環境に生息する生物の平均密度は水の密度とほとんど変わらないため、その重量はアルキメデス力によってほぼ完全に釣り合います。 このおかげで、水生動物は陸生動物のような強くて巨大な骨格を必要としません。 同じ理由で、水草の幹も弾力があります。 魚の浮き袋は容積が容易に変化します。 魚が筋肉の助けを借りてより深いところに降り、魚にかかる水圧が増加すると、泡が収縮し、魚の体の体積が減少し、押し上げられずに深みに浮かびます。 したがって、魚は潜水の深さを一定の制限内に調整することができます。 クジラは肺活量を増減させることで潜水深さを調節します。 船の航行。川、湖、海を航行する船は、密度の異なるさまざまな材料で作られています。 船舶の船体は通常鋼板で作られています。 船に強度を与える内部の留め具もすべて金属でできています。 船の建造に使用される さまざまな素材、水と比較して高い密度と低い密度の両方を持ちます。 船はどのようにして浮き、大きな荷物を積み込み、運ぶのでしょうか？ 浮遊物体を使った実験 (§ 50) は、物体がその水中部分で非常に多くの水を押しのけ、この水の重さが空中での物体の重量と等しくなることを示しました。 これはどの船にも当てはまります。 船舶の水中部分によって押しのけられる水の重量は、空中にある貨物を積んだ船舶の重量、または貨物を積んだ船舶に作用する重力に等しい. 船が水に沈む深さを「深さ」といいます。 下書き 。 最大許容喫水は、船体に「」と呼ばれる赤い線でマークされています。 喫水線 （オランダ語より。 水- 水）。 船が喫水線まで水没したときに船が押しのけた水の重さは、荷物を積んだ船に作用する重力に等しいもので、船の変位と呼ばれます。. 現在、石油の輸送のために排水量500万kN（5×10 6 kN）以上、つまり貨物と合わせた質量が50万トン（5×10 5 t）以上の船が建造されています。 排水量から船自体の重量を引くと、この船の積載能力が得られます。 積載量とは、船が運ぶ貨物の重量を示します。 造船所は昔から存在していました 古代エジプト、古代中国のフェニキア（フェニキア人は最高の造船業者の一人であったと考えられています）。 ロシアでは、造船は 17 世紀から 18 世紀の変わり目に始まりました。 主に軍艦が建造されましたが、最初の砕氷船、内燃機関を搭載した船、原子力砕氷船アルクティカが建造されたのはロシアでした。 航空学。
1783 年のモンゴルフィエ兄弟の気球を説明する図面: 「気球の外観と正確な寸法」 地球「誰が最初だったのか」 1786年 古来、人々は海の上を泳ぐように、雲の上を飛び、空気の海を泳ぐ機会を夢見てきました。 航空用 当初、彼らは加熱された空気、水素、またはヘリウムのいずれかを満たした風船を使用していました。 風船が空に上がるためには、アルキメデスの力（浮力）が必要です。 Fボールに作用するAは重力よりも大きかった F重い、つまり Fあ > F重い ボールが上に上がると、ボールに作用するアルキメデス力が減少します ( F A = gρV)、密度があるので、 上位層大気は地球の表面よりも小さい。 より高く上がるために、ボールから特殊なバラスト（重り）を落とし、ボールを軽くします。 最終的にボールは最大揚程高さに達します。 ボールをシェルから解放するには、特別なバルブを使用してガスの一部を放出します。 水平方向では、気球は風の影響下でのみ移動するため、このように呼ばれます。 バルーン (ギリシャ語より あー- 空気、 スタト- 立っています）。 少し前までは、大気と成層圏の上層を研究するために巨大な気球が使用されていました。 成層圏気球 . 彼らが乗客や貨物を空輸するための大型飛行機の作り方を学ぶ前は、制御された気球が使用されていました。 飛行船。 細長い形状をしており、車体の下にエンジンを搭載したゴンドラが吊り下げられ、プロペラを駆動します。 気球は自ら上昇するだけでなく、船室、人、器具などの荷物を持ち上げることもできます。 したがって、気球がどのような荷重を持ち上げることができるかを知るためには、それを決定する必要があります。 リフト. たとえば、ヘリウムを充填した体積 40 m 3 の風船を空中に打ち上げるとします。 ボールのシェルを満たすヘリウムの質量は次のようになります。 これは、このボールが 520 N - 71 N = 449 N の荷重を持ち上げることができることを意味します。これがその持ち上げ力です。 同じ体積の、水素を充填した風船は、479 N の荷重を持ち上げることができます。これは、その揚力がヘリウムで満たされた風船よりも大きいことを意味します。 しかし、ヘリウムは燃えず安全であるため、依然として頻繁に使用されています。 水素は可燃性ガスです。 熱風で満たされたボールを上げたり下げたりするのははるかに簡単です。 これを行うには、ボールの下部にある穴の下にバーナーを配置します。 ガスバーナーを使用すると、ボール内の空気の温度、つまり密度と浮力を調整できます。 ボールを高く上昇させるには、バーナーの炎を上げてボール内の空気をより強く加熱すれば十分です。 バーナーの炎が減るとボール内の空気の温度が下がり、ボールは下がります。 ボールとキャビンの重量が浮力と等しくなるボールの温度を選択できます。 そうすればボールは空中にぶら下がり、そこからの観察が容易になります。 科学の発展に伴い、航空技術にも大きな変化が起こりました。 気球に新しい外殻を使用できるようになり、耐久性、耐霜性、軽量化が図られました。 無線工学、エレクトロニクス、オートメーションの分野の進歩により、無人気球の設計が可能になりました。 これらの気球は、大気の下層における地理的および生物医学的研究のため、気流の研究に使用されます。 空気圧- 空気が地表を押す力。 単位は水銀柱ミリメートル、ミリバールです。 平均すると、1cm2あたり1.033gです。 原因、 地層を引き起こす風 - 気圧の差。 風は気圧の高いところから低いところへ吹きます。 気圧の差が大きければ大きいほど、風は強くなります。 地球上の大気圧の分布により、さまざまな緯度の対流圏に広がる風の方向が決まります。 それらは、上昇空気が冷却されて水蒸気が凝縮するときに形成されます。 堆積物にはその起源に基づいて 2 つのタイプがあります。 雲から落ちる（雨、雪、砂利、あられ）。 降水量分布。 大気中の降水量は次の地域に分布しています。 地球の表面非常に不均一です。 湿気が過剰な地域もあれば、湿気が不足している地域もあります。 北部および南部の熱帯地方に沿って位置する地域では、大気の質が高く、降水量の必要性が特に高いため、降水量は特に少ないです。 この凹凸の主な原因は大気圧ベルトの配置にあります。 つまり、ベルトの赤道付近では 低圧常に加熱された空気には多量の水分が含まれており、上昇し、冷却されて飽和状態になります。 そのため、赤道付近では雲が多くなり、大雨が降ります。 気圧が低い地表の他の地域でも降水量が多くなります。 ベルト内 高圧下向きの気流が優勢になります。 冷たい空気は下降する際、水分をほとんど含みません。 下げると収縮して加熱され、飽和点から遠ざかり乾燥します。 したがって、熱帯地方や極付近の気圧の高い地域では降水量がほとんどありません。 降水量は、地域の水分供給量を判断するためにまだ使用できません。 蒸発の可能性、つまり揮発性を考慮する必要があります。 それは太陽熱の量によって決まります。熱が多ければ多いほど、水分があれば蒸発できる量も多くなります。 揮発性は高くなりますが、蒸発は少なくなります。 たとえば、蒸発量 (特定の温度で蒸発できる水分の量) は 4500 mm/年ですが、蒸発量 (実際に蒸発する水分の量) はわずか 100 mm/年です。 そのエリアの含水率は蒸発と蒸発の比率によって判断されます。 水分を決定するには、水分係数が使用されます。 湿度係数は、同じ期間における年間降水量と蒸発量の比です。 割合として分数で表されます。 係数が 1 の場合は水分が十分であり、1 より小さい場合は水分が不足しており、1 より大きい場合は水分が過剰です。 水分の程度に基づいて、湿潤（湿潤）領域と乾燥（乾燥）領域が区別されます。
問題 1 ある観光客は一日に自転車で40キロメートルを走りました。 さらに、9時から11時20分まで、時間の経過とともに10km/hから14km/hまで徐々に増加する速度で運転しました。 それから観光客はビーチで日光浴をしました。 彼は旅の残りを18時半から20時まで過ごした。 旅行の夕方の部分における観光客の平均速度を決定します。 考えられる解決策9:00 から 11:20 まで、観光客は平均速度 (10 + 14)/2 = 12 km/h で運転しました (速度は時間の経過とともに均一に増加したため)。 これは、この間に観光客が長距離を移動したことを意味します 18 時 30 分から 20 時までの間に、自転車に乗った人は 40 – 28 = 12 km を移動しました。 したがって、旅行の夕方の部分における観光客の平均速度は次のようになります。
評価基準
タスクごとの最大値- 10ポイント. 問題 2
密度の異なる 2 本の均質なロッドからなるシステムは平衡状態にあります。 トップロッドの重量 メートル 1 = 1.4kg。 摩擦は無視できます。 どの質量で決定するか メートル下の 2 本のロッドではこのようなバランスが可能です。 考えられる解決策下のロッドは両端で吊り下げられており、平衡状態にあり、重心が中央にあるため、それに作用する糸の反力は同じで大きさも等しい。 m2g/2。 左 (上) ねじの取り付け点に対する上ロッドのモーメント方程式を書き留めてみましょう。 評価基準下部ロッドに作用するねじ山の反力は次のとおりです。 3点 これらの反力の係数の値 ( m2g/2): 2点 モーメント方程式: 4点 m 2 = 1.2kg: 1点 タスクごとの最大値- 10ポイント. 問題 3
水の入った円筒形の容器の中に、部分的に水に浸かった遺体があり、伸びた糸で容器の底に結びつけられています。 この場合、体積の 3 分の 2 が水に浸かります。 糸を切ると本体が浮き上がり、半分水に浸かった状態で浮かび上がります。 容器内の水位はどのくらい変化しますか？ 体重 メートル= 30 g、水の密度 ρ = 1.0 g/cm 3、容器の底の面積 S= 10 平方センチメートル。 考えられる解決策 1テーブル上のガラスの圧力（糸を切った後）は変化しません。 T= ρgΔh · S、ここで ̶T はねじ部の反力、∆h は水位の変化です。 最初の場合の物体の平衡方程式を書いてみましょう。 マグネシウム = ρg・(1/2)・V 最後の 2 つの式から、ͶT = 1/3 であることがわかります。 mg 最後に次のようになります。 評価基準
考えられる解決策 22 番目の場合の物体の平衡方程式: mg = ρg 1/2 V⟹V = 2m/ ρ, ここでV – 本体のボリューム。 体の浸された部分の体積の変化は次のようになります。
最後に次のようになります。
評価基準
タスクごとの最大値- 10ポイント. 問題4その点における液体の表面上の気圧を決定します。 あ湾曲したチューブの閉じたセクションの内側の場合、 ρ = 800 kg/m 3、 h= 20cm、 p 0 = 101 kPa、 g= 10 m/s 2 。 液体の密度 ρ そして2 ρ 互いに混ぜないでください。 |
