Ihanteellinen kaasu, kaasunpaine. Kaasun paine. Paineyksiköt. Kaasun tiheys. Lämpötilan käsite, sen tyypit

Paine on voiman suhde pinta-alaan, johon voima vaikuttaa, N/m2.

Kaasumolekyylit liikkuvat jatkuvasti suorassa linjassa kaikkiin mahdollisiin suuntiin. Kun kaasu suljetaan astiaan, molekyylit törmäävät jatkuvasti astian seinämiin ja muodostavat siten painetta. Siten paine on molekyylien törmäyksen kokonaisvoima astian pinnan pinta-alayksikköä kohti. Kuumennettaessa molekyylien liikenopeus kasvaa, ja sen mukana kaasun paine astiassa kasvaa.

Erottaa:

Käyttöpaine- tämä on paine astiassa, jolla sitä voidaan käyttää työväliaineen ja ympäröivän ilman todellisessa lämpötilassa.

Testipaine on paine, jolla hydrauliset lujuustestit suoritetaan.

Absoluuttinen paine on ylipaine + ilmanpaine.

ylipaine- jos paine on suurempi kuin ilmakehän paine, sitä kutsutaan liialliseksi, jos Tyhjiöpaine (purkauspaine) kun paine on pienempi kuin ilmanpaine.

Ilmakehän paine- ilmakehän paine kaikkiin siinä oleviin esineisiin ja maan pintaan. Ilmakehän paine syntyy ilman vetovoiman vaikutuksesta Maahan. Ilmanpaine mitataan barometrilla. Ilmakehän paine, joka vastaa 760 mm korkean elohopeapylvään painetta. 0 °C:ssa kutsutaan normaaliksi ilmanpaineeksi.

Paineyksiköt:

Ilmanpainetta ei voida mitata pelkästään elohopeapatsaan korkeudella. Esimerkiksi:

Yksi fysikaalinen ilmakehä = 101325 Pa tai 1,01325 kgf/cm2 tai 10,1325 mw jne.

Tekninen ilmakehä on täsmälleen 100 000 Pa, eli yksi tekninen ilmakehä on suunnilleen yhtä suuri kuin yksi fyysinen ilmakehä.

Mittayksiköt liittyvät toisiinsa:

1 tekninen ilmakehä = 1kgf/cm2 = 1 bar = 10 m.v. Taide. = 10000 mm leveys = 760 mm. R. Taide. = 0,1 MPa = 1000 mailia bar = 100 kPa.

Tiheys- tämä on kehon massan suhde sen tilavuuteen, mitattuna kg / m3.

Kaasujen tiheys höyrytilassa normaaleissa olosuhteissa (lämpötila 0 °C ja paine 101,325 kPa):

Metaanilla on 0,717 kg/m3;

Propaani on 2,004 kg/m3;

Butaani on 2,702 kg/m3;

Nestemäisille nestemäisille hiilivetykaasuille:

Metaanilla on 416 kg/m3 (0,4 kg/litra);

Propaani on 528 kg/m3 (0,5 kg/litra);

Butaani on 601 kg/m3 (0,6 kg/litra);

Verrattaessa veden tiheyteen, joka on 1000 kg / m3 tai 1 kg / litra, käy ilmi, että nestemäiset kaasut ovat noin kaksi kertaa kevyempiä kuin vesi.

Kaasujen tiheys höyrytilassa normaaleissa olosuhteissa (lämpötila +20 °C ja paine 101,325 kPa):

Metaanilla on 0,668 kg/m3;

Propaani on 1,872 kg/m3;

Butaani on 2,519 kg/m3;

Siksi lämpötilan noustessa kaasujen tiheys pienenee!

Suhteellinen tiheys on kaasun tiheys suhteessa ilman tiheyteen, joka on 1,293 kg/m3.

Metaanilla on 0,717 / 1,293 = 0,554 kg/m3;

Propaani on 2,004/1,293 = 1,554 kg/m3;

Butaani on 2,702/1,293 = 2,090 kg/m3;

Siksi metaani on noin kaksi kertaa ilmaa kevyempää ja propaani ja butaani noin kaksi kertaa ilmaa raskaampia!

Lämpötila on kehon lämpötila. Aineen lämpötila määrää suurelta osin sen ominaisuudet. Esimerkiksi aineet, jotka ovat nestemäisiä normaaleissa olosuhteissa - kuumennettaessa ne muuttuvat kaasumaiseksi ja jäähdytettäessä kiinteäksi.

Absoluuttinen lämpötila- tämä on lämpötila, jossa molekyylin liike pysähtyy, jonka alapuolelle ei voida jäähtyä yhtään kappaletta, ja se on yhtä suuri kuin -273,15 ° C.

Kiehumislämpötila on lämpötila, jossa aine muuttuu nestemäisestä tilasta höyrytilaan. Butaani (-0,5 °C), propaani (-42 °C), metaani (-161 °C).

palamislämpötila on lämpötila, joka kehittyy polttoaineen täydellisen palamisen aikana. Propaanille ja butaanille noin (+ 2110 ° С), metaanille (+ 2 045 ° С).

Itsesyttymislämpötila- lämpötila, johon seos tulisi lämmittää, jotta lisäpalaminen tapahtuu ilman sytytyslähdettä. Propaanille (500 - 590 °C), butaanille (530 - 570 °C), metaanille (550 - 800 °C).

Teräskaasuputkien suojaustyypit korroosiolta. Mitä tulee tehdä suoritettaessa töitä hitsauksella, olemassa olevissa kaasuputkissa ja ennen kaasuputkien erottamiseen liittyvien töiden suorittamista.

Kaikki teräsputket ovat alttiina korroosiolle. Putkien sisäpintojen korroosio riippuu kaasun ominaisuuksista. Kaasun lisääntynyt hapen, kosteuden, rikkivedyn ja muiden aggressiivisten yhdisteiden pitoisuus edistää korroosion kehittymistä. Taistelu sisäistä korroosiota vastaan perustuu itse kaasun puhdistamiseen.
Maahan asetettujen putkien ulkopintojen korroosio jaetaan kolmeen tyyppiin - kemiallinen, sähkökemiallinen, sähköinen.

Kemiallinen ja sähkökemiallinen korroosio liittyy maaperän vaikutukseen, sähköinen - maaperän hajavirtojen vaikutukseen, joka virtaa alas sähköistetyn ajoneuvon kiskoilta.
Kemiallisen korroosion määrää maaperän kosteusaste sekä suolojen, happojen, emästen ja orgaanisten aineiden läsnäolo maaperässä. Tämäntyyppiseen korroosioon ei liity sähköisiä prosesseja. Putken paksuus pienenee tasaisesti pitkin pituutta, mikä eliminoi putken läpimenovaurion riskin. Putkien suojaamiseksi kemialliselta korroosiolta käytetään passiivista suojausmenetelmää. Putkilinja on eristetty bitumi-kumimastiksella tai polymeeriteipillä. Alueellamme käytetään erittäin vahvistettua eristystä (pohjamaali, mastiksi, lasikuitu, mastiksi, lasikuitu, mastiksi, voimapaperi). Suulakepuristettua polyeteenieristystä voidaan myös käyttää.

Sähkökemiallinen korroosio on seurausta elektrodin roolia edustavan metallin vuorovaikutuksesta aggressiivisten maaliuosten - elektrolyyttien kanssa. Metalli lähettää positiivisesti varautuneita ioneja (kationeja) maaperään. Menettää kationeja, metalli tuhoutuu. Putken osa on varautunut negatiivisesti ja maaperä positiivisesti. Sähkökemiallinen korroosio voi johtaa läpimenevien reikien muodostumiseen putkeen. Kaasuputken suojaamiseksi sähkökemialliselta korroosiolta käytetään katodista (aktiivista) suojausta. Katodiaseman negatiivinen potentiaali syötetään kaasuputkeen. Putkilinjan suojatusta osasta tulee katodivyöhyke. Anodina käytetään putkilinjan lähellä olevia uhrauselektrodeja. Anodi, joka menettää maaperään meneviä kationeja, tuhoutuu. Kationit tulevat putkeen ja sitten sähköpiiriin. Putken tuhoaminen ei tapahdu, koska sen kationit eivät poistu siitä. Yksi katodiasema suojaa kaasuputken osaa, jonka pituus on 1-20 km. (riippuen uhrattavien elektrodien lukumäärästä).

Siinä on suojasuoja sähkökemiallista korroosiota vastaan. Ero tämäntyyppisen suojan ja katodisen suojauksen välillä on se, että kaasuputken osa muuttuu katodiksi ilman katodiasemaa. Anodisuojana käytetään kaasuputken viereen maahan sijoitettua metallitankoa. Sähköpiiri on sama kuin katodisuojauksessa. Anodipintametallina on sinkkiä, magnesiumia ja alumiiniseoksia, joilla on suurempi negatiivinen potentiaali kuin rautametalleilla. Yhden kulutuspinnan suoja-alue on jopa 70 metriä.

Kuten jo todettiin, sähkökorroosio liittyy hajavirtoihin, jotka virtaavat sähköistetyn kuljetuksen kiskoista maaperään. Siirtyessään vetoaseman negatiiviseen napaan, hajavirrat tulevat kaasuputkeen paikoissa, joissa eristys on vaurioitunut. Vetoaseman lähellä hajavirrat poistuvat kaasuputkesta maahan kationien muodossa, mikä johtaa metallin tuhoutumiseen. Sähköinen korroosio on vaarallisempaa kuin sähkökemiallinen. Sähkökorroosiolta suojaamiseksi käytetään sähköistä polarisoitua viemäröintiä.
Sen toimintaperiaate on, että kaasuputkeen tullut virta ohjataan takaisin hajavirtalähteeseen.
Maanpäällisten kaasuputkien suojaamiseksi korroosiolta niille levitetään maali- ja lakkapinnoitteita (kaksi kerrosta pohjamaalia ja kaksi kerrosta maalia).

Kun suoritetaan hitsaukseen ja kuumatyöhön liittyviä töitä (ei tunkeutumista kaasuputkeen - hitsaus, laippaliitosten tiivisteiden vaihto jne.), kaasun paine on laskettava 40 - 200 mm:iin. w.st. Jos kaasunpaine poikkeaa määritellyistä parametreista, työ on keskeytettävä, kunnes syyt on tunnistettu ja poistettu.

Suorittaessasi kaasuputkien irrottamiseen liittyviä töitä, on tarpeen poistaa aktiivinen suojaus (jos sellainen on) ja asentaa sähköinen hyppyjohdin.

Missä tahansa kaasu on: ilmapallossa, auton renkaassa tai metallisylinterissä - se täyttää koko astian tilavuuden, jossa se sijaitsee.

Kaasun paine syntyy täysin eri syystä kuin kiinteän kappaleen paine. Se muodostuu molekyylien vaikutusten seurauksena suonen seiniin.

Kaasun paine astian seinämiin

Liikkuessaan satunnaisesti avaruudessa kaasumolekyylit törmäävät toisiinsa ja sen astian seiniin, jossa ne sijaitsevat. Yhden molekyylin iskuvoima on pieni. Mutta koska molekyylejä on paljon ja ne törmäävät suurella taajuudella, ne muodostavat merkittävän paineen vaikuttaessaan yhdessä suonen seinämiin. Jos kiinteä kappale sijoitetaan kaasuun, se on myös alttiina kaasumolekyylien iskuille.

Tehdään yksinkertainen kokeilu. Laitamme ilmapumpun kellon alle sidotun ilmapallon, joka ei ole täysin täytetty ilmalla. Koska siinä on vähän ilmaa, pallo on muodoltaan epäsäännöllinen. Kun alamme pumpata ilmaa kellon alta, ilmapallo alkaa täyttyä. Jonkin ajan kuluttua se on tavallisen pallon muotoinen.

Mitä meidän pallolle tapahtui? Loppujen lopuksi se oli sidottu, joten siinä olevan ilman määrä pysyi samana.

Kaikki on selitetty hyvin yksinkertaisesti. Liikkeen aikana kaasumolekyylit törmäävät pallon ulko- ja sisäkuoreen. Jos ilmaa pumpataan ulos kellosta, molekyylit pienenevät. Tiheys pienenee, ja siten myös molekyylien ulkokuoreen kohdistuvien vaikutusten tiheys pienenee. Tämän seurauksena paine kuoren ulkopuolella laskee. Ja koska kuoren sisällä olevien molekyylien lukumäärä pysyy samana, sisäinen paine ylittää ulkoisen paineen. Kaasu painaa kuorta sisäpuolelta. Ja tästä syystä se turpoaa vähitellen ja ottaa pallon muodon.

Pascalin laki kaasuille

Kaasumolekyylit ovat hyvin liikkuvia. Tästä johtuen ne välittävät painetta paitsi tämän paineen aiheuttavan voiman suuntaan, vaan tasaisesti kaikkiin suuntiin. Paineensiirtolain muotoili ranskalainen tiedemies Blaise Pascal: Kaasuun tai nesteeseen kohdistettu paine välittyy muuttumattomana mihin tahansa pisteeseen kaikkiin suuntiin". Tätä lakia kutsutaan hydrostaattisen perussäännöksi - tieteeksi nesteestä ja kaasusta tasapainotilassa.

Pascalin lain vahvistaa kokemus laitteesta nimeltä Pascalin pallo . Tämä laite on kiinteästä aineesta valmistettu pallo, johon on tehty pieniä reikiä ja joka on yhdistetty sylinteriin, jota pitkin mäntä liikkuu. Ilmapallo on täynnä savua. Männän puristaessa savua työnnetään ulos pallon rei'istä tasaisina virroina.

Kaasunpaine lasketaan kaavalla:

Missä e lin - kaasumolekyylien translaatioliikkeen keskimääräinen kineettinen energia;

n - molekyylien pitoisuus

osapaine. Daltonin laki

Käytännössä meidän on useimmiten kohdattava ei puhtaita kaasuja, vaan niiden seoksia. Hengitämme ilmaa, joka on kaasujen seos. Auton pakokaasut ovat myös sekoitus. Puhdasta hiilidioksidia ei ole käytetty hitsauksessa pitkään aikaan. Sen sijaan käytetään myös kaasuseoksia.

Kaasuseos on seos kaasuja, jotka eivät pääse kemiallisiin reaktioihin keskenään.

Kaasuseoksen yksittäisen komponentin painetta kutsutaan osapaine .

Jos oletetaan, että kaikki seoksen kaasut ovat ihanteellisia kaasuja, niin seoksen paine määräytyy Daltonin lain mukaan: "Ihanteellisten kaasujen seoksen paine, joka ei ole vuorovaikutuksessa kemiallisesti, on yhtä suuri kuin osapaineiden summa."

Sen arvo määritetään kaavalla:

Jokainen seoksessa oleva kaasu luo osapaineen. Sen lämpötila on sama kuin seoksen lämpötila.

Kaasun painetta voidaan muuttaa muuttamalla sen tiheyttä. Mitä enemmän kaasua pumpataan metallisylinteriin, sitä enemmän molekyylejä se osuu seinämiin ja sitä korkeammaksi sen paine tulee. Vastaavasti pumppaamalla kaasua harvennetaan sitä ja paine laskee.

Mutta kaasun painetta voidaan muuttaa myös muuttamalla sen tilavuutta tai lämpötilaa, eli puristamalla kaasua. Puristus suoritetaan kohdistamalla voima kaasumaiseen kappaleeseen. Tällaisen iskun seurauksena sen käyttämä tilavuus pienenee, paine ja lämpötila nousevat.

Kaasu puristuu moottorin sylinterissä männän liikkuessa. Tuotannossa korkea kaasunpaine luodaan puristamalla se monimutkaisilla laitteilla - kompressoreilla, jotka pystyvät luomaan painetta jopa useisiin tuhansiin ilmakehään.

Mies suksilla ja ilman niitä.

Löysällä lumella ihminen kävelee suurilla vaikeuksilla ja vajoaa syvälle joka askeleella. Mutta laitettuaan sukset päälle, hän voi kävellä melkein putoamatta siihen. Miksi? Suksilla tai ilman suksia ihminen toimii lumella samalla voimalla, joka vastaa omaa painoaan. Tämän voiman vaikutus on kuitenkin molemmissa tapauksissa erilainen, koska pinta-ala, jolla henkilö painaa, on erilainen, suksien kanssa ja ilman. Suksen pinta-ala on lähes 20 kertaa pohjan pinta-ala. Siksi suksilla seisoessaan ihminen toimii jokaiselle neliösenttimetrille lumen pinta-alasta 20 kertaa pienemmällä voimalla kuin lumella ilman suksia.

Opiskelija kiinnittää sanomalehden taululle painikkeilla ja vaikuttaa jokaiseen nappiin samalla voimalla. Kuitenkin nappi, jonka pää on terävämpi, on helpompi päästä puuhun.

Tämä tarkoittaa, että voiman vaikutuksen tulos ei riipu vain sen moduulista, suunnasta ja kohdistamispisteestä, vaan myös sen pinnan alueesta, johon se kohdistuu (suoraan, johon se vaikuttaa).

Tämä johtopäätös on vahvistettu fysikaalisilla kokeilla.

Kokemus. Tämän voiman tulos riippuu siitä, mikä voima vaikuttaa pinta-alayksikköön.

Naulat on lyötävä pienen laudan kulmiin. Ensin asetimme laudaan lyötyt naulat hiekalle kärjet ylöspäin ja painoimme laudalle. Tässä tapauksessa naulanpäät painetaan vain hieman hiekkaan. Käännä sitten lauta ympäri ja laita naulat kärkeen. Tässä tapauksessa tukialue on pienempi, ja saman voiman vaikutuksesta naulat menevät syvälle hiekkaan.

Kokea. Toinen kuva.

Tämän voiman vaikutuksen tulos riippuu siitä, mikä voima vaikuttaa kuhunkin pinta-alayksikköön.

Tarkastetuissa esimerkeissä voimat vaikuttivat kohtisuoraan kehon pintaan nähden. Henkilön paino oli kohtisuorassa lumen pintaan nähden; nappiin vaikuttava voima on kohtisuorassa laudan pintaan nähden.

Arvoa, joka on yhtä suuri kuin pintaan kohtisuorassa vaikuttavan voiman suhde tämän pinnan pinta-alaan, kutsutaan paineeksi.

Paineen määrittämiseksi on tarpeen jakaa pintaan kohtisuorassa vaikuttava voima pinta-alalla:

paine = voima / pinta-ala.

Merkitään tähän lausekkeeseen sisältyvät suuret: paine - s, pintaan vaikuttava voima, - F ja pinta-ala S.

Sitten saamme kaavan:

p = F/S

On selvää, että samaan alueeseen vaikuttava suurempi voima tuottaa enemmän painetta.

Paineyksikkö on paine, joka tuottaa 1 N voiman, joka vaikuttaa 1 m 2:n pintaan kohtisuorassa tätä pintaa vastaan.

Paineen yksikkö - newtonia neliömetriä kohti(1 N/m2). Ranskalaisen tiedemiehen kunniaksi Blaise Pascal sitä kutsutaan pascaliksi Pa). Täten,

1 Pa = 1 N / m 2.

Myös muita paineyksiköitä käytetään: hektopaskaali (hPa) Ja kilopascal (kPa).

1 kPa = 1000 Pa;

1 hPa = 100 Pa;

1 Pa = 0,001 kPa;

1 Pa = 0,01 hPa.

Kirjataan ylös ongelman tila ja ratkaistaan se.

Annettu : m = 45 kg, S = 300 cm2; p = ?

SI-yksiköissä: S = 0,03 m 2

Ratkaisu:

s = F/S,

F = P,

P = g m,

P= 9,8 N 45 kg ≈ 450 N,

s\u003d 450 / 0,03 N / m 2 \u003d 15000 Pa \u003d 15 kPa

"Vastaus": p = 15000 Pa = 15 kPa

Tapoja vähentää ja lisätä painetta.

Raskas telatraktori tuottaa maaperään 40-50 kPa:n paineen, eli vain 2-3 kertaa enemmän kuin 45 kg painavan pojan paine. Tämä johtuu siitä, että traktorin paino jakautuu suuremmalle alueelle telakäytön ansiosta. Ja olemme vahvistaneet sen mitä suurempi tuen pinta-ala, sitä vähemmän paineita sama voima tuottaa tähän tukeen .

Riippuen siitä, haluatko saada pienen vai suuren paineen, tukipinta-ala kasvaa tai pienenee. Esimerkiksi, jotta maaperä kestäisi pystytettävän rakennuksen painetta, perustuksen alaosan pinta-alaa lisätään.

Kuorma-autojen renkaat ja lentokoneiden alustat on tehty paljon henkilöautoja leveämmiksi. Erityisen leveät renkaat on tehty autoihin, jotka on suunniteltu matkustamaan autiomaassa.

Raskaat koneet, kuten traktori, tankki tai suo, joilla on suuri telojen tukialue, kulkevat soisessa maastossa, jonka läpi ihminen ei pääse.

Toisaalta pienellä pinta-alalla saadaan aikaan suuri paine pienellä voimalla. Esimerkiksi, kun nappia painetaan levyyn, vaikutamme siihen noin 50 N:n voimalla. Koska napin kärjen pinta-ala on noin 1 mm 2, sen tuottama paine on yhtä suuri:

p \u003d 50 N / 0,000001 m 2 \u003d 50 000 000 Pa \u003d 50 000 kPa.

Vertailun vuoksi tämä paine on 1000 kertaa suurempi kuin telatraktorin maaperään kohdistama paine. Tällaisia esimerkkejä löytyy paljon lisää.

Leikkuu- ja lävistystyökalujen (veitset, sakset, leikkurit, sahat, neulat jne.) terä on erityisesti teroitettu. Terävän terän teroitetulla reunalla on pieni pinta-ala, joten pienikin voima luo paljon painetta, ja tällaisella työkalulla on helppo työskennellä.

Leikkaus- ja lävistyslaitteita löytyy myös villieläimistä: nämä ovat hampaat, kynnet, nokat, piikit jne. - ne kaikki on valmistettu kovasta materiaalista, sileät ja erittäin terävät.

Paine

Tiedetään, että kaasumolekyylit liikkuvat satunnaisesti.

Tiedämme jo, että kaasut, toisin kuin kiinteät aineet ja nesteet, täyttävät koko astian, jossa ne sijaitsevat. Esimerkiksi terässylinteri kaasujen varastointiin, auton renkaan putki tai lentopallo. Tässä tapauksessa kaasu kohdistaa painetta sylinterin, kammion tai minkä tahansa muun rungon, jossa se sijaitsee, seiniin, pohjaan ja kanteen. Kaasunpaine johtuu muista syistä kuin kiinteän kappaleen paineesta alustaan.

Tiedetään, että kaasumolekyylit liikkuvat satunnaisesti. Liikkuessaan ne törmäävät toisiinsa sekä sen astian seiniin, jossa kaasu sijaitsee. Kaasussa on monia molekyylejä, ja siksi niiden vaikutusten määrä on erittäin suuri. Esimerkiksi ilmamolekyylien iskujen lukumäärä huoneessa 1 cm 2:n pinnalla 1 sekunnissa ilmaistaan 23-numeroisena numerona. Vaikka yksittäisen molekyylin iskuvoima on pieni, kaikkien molekyylien vaikutus astian seinämiin on merkittävä - se luo kaasun painetta.

Niin, kaasun paine astian seiniin (ja kaasuun sijoitettuun runkoon) johtuu kaasumolekyylien vaikutuksista .

Harkitse seuraavaa kokemusta. Aseta kumipallo ilmapumpun kellon alle. Se sisältää pienen määrän ilmaa ja sen muoto on epäsäännöllinen. Sitten pumppaamme ilmaa kellon alta pumpulla. Pallon kuori, jonka ympärillä ilma harvenee, turpoaa vähitellen ja ottaa tavallisen pallon muodon.

Kuinka selittää tämä kokemus?

Painekaasun varastointiin ja kuljetukseen käytetään kestäviä erikoissylintereitä.

Kokeessamme liikkuvat kaasumolekyylit osuivat jatkuvasti pallon seiniin sisä- ja ulkopuolelta. Kun ilmaa pumpataan ulos, pallon kuoren ympärillä olevassa kellossa olevien molekyylien määrä vähenee. Mutta pallon sisällä heidän lukumääränsä ei muutu. Siksi molekyylien iskujen määrä vaipan ulkoseiniin tulee pienemmäksi kuin sisäseiniin kohdistuvien iskujen määrä. Ilmapalloa täytetään, kunnes sen kumikuoren kimmovoima on yhtä suuri kuin kaasun painevoima. Pallon kuori ottaa pallon muodon. Tämä osoittaa sen kaasu painaa sen seiniä tasaisesti kaikkiin suuntiin. Toisin sanoen molekyyli-iskujen määrä pinta-alan neliösenttimetriä kohti on sama kaikkiin suuntiin. Sama paine kaikkiin suuntiin on ominaista kaasulle ja on seurausta valtavan määrän molekyylien satunnaisesta liikkeestä.

Yritetään pienentää kaasun tilavuutta, mutta niin, että sen massa pysyy muuttumattomana. Tämä tarkoittaa, että jokaisessa kaasun kuutiosenttimetrissä on enemmän molekyylejä, kaasun tiheys kasvaa. Silloin molekyylien seiniin kohdistuvien vaikutusten määrä kasvaa, eli kaasun paine kasvaa. Tämä voidaan vahvistaa kokemuksella.

Kuvan päällä A Kuvassa on lasiputki, jonka toinen pää on peitetty ohuella kumikalvolla. Putkeen työnnetään mäntä. Kun mäntä työnnetään sisään, putken ilman tilavuus pienenee, eli kaasu puristuu. Kumikalvo pullistuu ulospäin, mikä osoittaa, että ilmanpaine putkessa on kasvanut.

Päinvastoin, kun saman kaasumassan tilavuus kasvaa, molekyylien määrä jokaisessa kuutiosenttimetrissä vähenee. Tämä vähentää iskujen määrää astian seiniin - kaasun paine pienenee. Todellakin, kun mäntä vedetään ulos putkesta, ilman tilavuus kasvaa, kalvo taipuu astian sisällä. Tämä osoittaa ilmanpaineen laskun putkessa. Sama ilmiö havaittaisiin, jos putkessa ilman sijasta olisi jotain muuta kaasua.

Niin, kun kaasun tilavuus pienenee, sen paine kasvaa ja tilavuuden kasvaessa paine laskee edellyttäen, että kaasun massa ja lämpötila pysyvät muuttumattomina.

Miten kaasun paine muuttuu, kun sitä kuumennetaan vakiotilavuudessa? Tiedetään, että kaasumolekyylien liikenopeus kasvaa kuumennettaessa. Liikkuessaan nopeammin molekyylit osuvat suonen seinämiin useammin. Lisäksi jokainen molekyylin vaikutus seinään on vahvempi. Tämän seurauksena astian seinämiin kohdistuu enemmän painetta.

Siten, Kaasun paine suljetussa astiassa on sitä suurempi mitä korkeampi kaasun lämpötila on, edellyttäen, että kaasun massa ja tilavuus eivät muutu.

Näistä kokeista voidaan päätellä, että kaasun paine on suurempi, mitä useammin ja voimakkaammin molekyylit osuvat astian seinämiin .

Kaasujen varastointia ja kuljetusta varten ne puristetaan voimakkaasti. Samaan aikaan niiden paine kasvaa, kaasut on suljettava erityisiin, erittäin kestäviin sylintereihin. Tällaiset sylinterit sisältävät esimerkiksi paineilmaa sukellusveneissä, happea käytetään metallien hitsauksessa. Tietenkin meidän on aina muistettava, että kaasupulloja ei voi lämmittää, varsinkin kun ne on täytetty kaasulla. Koska, kuten jo ymmärrämme, räjähdys voi tapahtua erittäin epämiellyttävin seurauksin.

Pascalin laki.

Paine välittyy jokaiseen nesteen tai kaasun pisteeseen.

Männän paine välittyy jokaiseen pallon täyttävän nesteen pisteeseen.

Nyt kaasua.

Toisin kuin kiinteät aineet, nesteen ja kaasun yksittäiset kerrokset ja pienet hiukkaset voivat liikkua vapaasti suhteessa toisiinsa kaikkiin suuntiin. Riittää esimerkiksi puhaltaa kevyesti veden pintaan lasissa, jotta vesi pääsee liikkumaan. Aaltoilua ilmestyy joelle tai järvelle pienimmässäkin tuulessa.

Kaasun ja nestemäisten hiukkasten liikkuvuus selittää sen niihin syntyvä paine ei välity ainoastaan voiman suunnassa, vaan joka pisteessä. Tarkastellaan tätä ilmiötä yksityiskohtaisemmin.

Kuvassa, A kaasua (tai nestettä) sisältävä astia on kuvattu. Hiukkaset jakautuvat tasaisesti koko astiaan. Alus on suljettu männällä, joka voi liikkua ylös ja alas.

Vähän voimaa käyttämällä saadaan mäntä liikkumaan hieman sisäänpäin ja puristamaan kaasu (neste) suoraan sen alapuolelle. Sitten hiukkaset (molekyylit) sijaitsevat tässä paikassa tiheämmin kuin ennen (kuva, b). Liikkuvuuden vuoksi kaasuhiukkaset liikkuvat kaikkiin suuntiin. Tämän seurauksena niiden sijoittelu muuttuu jälleen yhtenäiseksi, mutta tiheämmäksi kuin ennen (kuva c). Siksi kaasun paine kasvaa kaikkialla. Tämä tarkoittaa, että lisäpaine siirtyy kaikkiin kaasun tai nesteen hiukkasiin. Joten jos kaasun (nesteen) paine itse männän lähellä kasvaa 1 Pa, niin kaikissa kohdissa sisällä kaasun tai nesteen paine on saman verran suurempi kuin ennen. Astian seinämiin, pohjaan ja mäntään kohdistuva paine kasvaa 1 Pa.

Nesteeseen tai kaasuun kohdistuva paine välittyy mihin tahansa pisteeseen tasaisesti kaikkiin suuntiin .

Tätä lausuntoa kutsutaan Pascalin laki.

Pascalin lain perusteella on helppo selittää seuraavat kokeet.

Kuvassa on ontto pallo, jossa on pieniä reikiä eri paikoissa. Palloon on kiinnitetty putki, johon työnnetään mäntä. Jos vedät vettä palloon ja työnnät männän putkeen, vesi virtaa kaikista pallon rei'istä. Tässä kokeessa mäntä painaa putkessa olevan veden pintaa. Männän alla olevat vesihiukkaset tiivistyessään siirtävät paineensa muihin syvemmällä oleviin kerroksiin. Siten männän paine välittyy jokaiseen pallon täyttävän nesteen pisteeseen. Tämän seurauksena osa vedestä työnnetään ulos pallosta identtisten virtojen muodossa, jotka virtaavat kaikista rei'istä.

Jos pallo on täynnä savua, niin kun mäntä työnnetään putkeen, identtiset savuvirrat alkavat tulla ulos kaikista pallon rei'istä. Tämä vahvistaa sen ja kaasut välittävät niihin muodostuvan paineen tasaisesti kaikkiin suuntiin.

Paine nesteessä ja kaasussa.

Nesteen painon alaisena putken kumipohja painuu.

Nesteisiin, kuten kaikkiin Maan kappaleisiin, painovoima vaikuttaa. Siksi jokainen astiaan kaadettu nestekerros luo painollaan painetta, joka Pascalin lain mukaan välittyy kaikkiin suuntiin. Siksi nesteen sisällä on painetta. Tämä voidaan varmistaa kokemuksella.

Kaada vesi lasiputkeen, jonka pohjareikä on suljettu ohuella kumikalvolla. Nesteen painon alla putken pohja taipuu.

Kokemus osoittaa, että mitä korkeampi vesipatsas on kumikalvon yläpuolella, sitä enemmän se painuu. Mutta joka kerta kumipohjan painumisen jälkeen putkessa oleva vesi tasapainottuu (pysähtyy), koska painovoiman lisäksi veteen vaikuttaa venyneen kumikalvon elastinen voima.

Kumikalvoon vaikuttavat voimat

ovat samat molemmin puolin.

Kuva.

Pohja siirtyy pois sylinteristä painovoiman siihen kohdistuvan paineen vuoksi.

Lasketaan kumipohjainen putki, johon vesi kaadetaan, toiseen, leveämpään astiaan, jossa on vettä. Näemme, että kun putkea lasketaan alas, kumikalvo vähitellen suoristuu. Kalvon täydellinen suoristus osoittaa, että siihen vaikuttavat voimat ylhäältä ja alhaalta ovat yhtä suuret. Kalvon täydellinen suoristus tapahtuu, kun putken ja astian vedenpinnat ovat samat.

Sama koe voidaan suorittaa putkella, jossa kumikalvo sulkee sivuaukon kuvan a mukaisesti. Upota tämä vesiputki toiseen vesiastiaan kuvan osoittamalla tavalla, b. Huomaamme, että kalvo suoristuu uudelleen heti, kun putken ja astian vedenpinnat ovat samat. Tämä tarkoittaa, että kumikalvoon vaikuttavat voimat ovat samat kaikilta puolilta.

Ota astia, jonka pohja voi pudota. Laitetaan se vesipurkkiin. Tässä tapauksessa pohja puristuu tiukasti astian reunaan eikä putoa. Sitä puristaa alhaalta ylöspäin suunnattu vedenpainevoima.

Kaadamme varovasti vettä astiaan ja tarkkailemme sen pohjaa. Heti kun veden taso astiassa on sama kuin purkissa olevan veden taso, se putoaa pois astiasta.

Irrotushetkellä astiassa oleva nestepatsas painaa pohjaa ja paine välittyy alhaalta ylöspäin samankorkuisen, mutta purkissa sijaitsevan nestepatsaan pohjalle. Molemmat paineet ovat samat, mutta pohja siirtyy pois sylinteristä oman painovoimansa vaikutuksesta siihen.

Kokeita vedellä kuvattiin yllä, mutta jos veden sijaan otetaan jotain muuta nestettä, kokeen tulokset ovat samat.

Kokeilut siis osoittavat sen nesteen sisällä on painetta, ja samalla tasolla se on sama kaikkiin suuntiin. Paine kasvaa syvyyden myötä.

Kaasut eivät tässä suhteessa eroa nesteistä, koska niillä on myös painoa. Mutta meidän on muistettava, että kaasun tiheys on satoja kertoja pienempi kuin nesteen tiheys. Kaasun paino astiassa on pieni, ja monissa tapauksissa sen "painon" paine voidaan jättää huomiotta.

Nesteen paineen laskeminen astian pohjassa ja seinissä.

Mieti, kuinka voit laskea nesteen paineen astian pohjassa ja seinissä. Ratkaistaan ensin suorakaiteen muotoisen suuntaissärmiön muotoisen aluksen tehtävä.

Pakottaa F, jolla tähän astiaan kaadettu neste painaa sen pohjaa, on yhtä suuri kuin paino P astiassa olevaa nestettä. Nesteen paino voidaan määrittää tietämällä sen massa. m. Massa, kuten tiedät, voidaan laskea kaavalla: m = ρ V. Valitsemamme astiaan kaadetun nesteen määrä on helppo laskea. Jos nestepatsaan korkeus astiassa on merkitty kirjaimella h ja aluksen pohjan pinta-ala S, Tuo V = S h.

Nestemäinen massa m = ρ V, tai m = ρ S h .

Tämän nesteen paino P = gm, tai P = g ρ S h.

Koska nestepatsaan paino on yhtä suuri kuin voima, jolla neste puristaa astian pohjaa, jakamalla paino P Aukiolle S, saamme nestepaineen s:

p = P/S tai p = g ρ S h/S,

Olemme saaneet kaavan astian pohjalla olevan nesteen paineen laskemiseksi. Tästä kaavasta voidaan nähdä, että nesteen paine astian pohjalla riippuu vain nestepatsaan tiheydestä ja korkeudesta.

Siksi johdetun kaavan mukaan on mahdollista laskea astiaan kaadetun nesteen paine missä tahansa muodossa(Tarkasti ottaen laskelmamme soveltuu vain suoran prisman ja sylinterin muotoisille astioille. Instituutin fysiikan kursseilla todistettiin, että kaava pätee myös mielivaltaisen muotoiselle astialle). Lisäksi sitä voidaan käyttää laskemaan astian seinämiin kohdistuvaa painetta. Nesteen sisällä oleva paine, mukaan lukien paine alhaalta ylöspäin, lasketaan myös tällä kaavalla, koska paine samalla syvyydellä on sama kaikkiin suuntiin.

Laskettaessa painetta kaavalla p = gph tarvitsevat tiheyttä ρ ilmaistaan kilogrammoina kuutiometriä kohden (kg / m 3) ja nestepatsaan korkeutta h- metreinä (m), g\u003d 9,8 N / kg, niin paine ilmaistaan pascaleina (Pa).

Esimerkki. Määritä öljynpaine säiliön pohjassa, jos öljypylvään korkeus on 10 m ja tiheys 800 kg/m 3 .

Kirjataan ylös ongelman tila ja kirjoitetaan se ylös.

Annettu :

ρ \u003d 800 kg / m 3

Ratkaisu :

p = 9,8 N/kg 800 kg/m 3 10 m ≈ 80 000 Pa ≈ 80 kPa.

Vastaus : p ≈ 80 kPa.

Kommunikoivat alukset.

Kuvassa on kaksi astiaa, jotka on yhdistetty toisiinsa kumiputkella. Tällaisia aluksia kutsutaan kommunikoida. Kastelukannu, teekannu, kahvipannu ovat esimerkkejä kommunikoivista astioista. Kokemuksesta tiedämme, että esimerkiksi kastelukannuun kaadettu vesi seisoo aina samalla tasolla nokassa ja sisällä.

Yhteydenpitoalukset ovat meille yhteisiä. Se voi olla esimerkiksi teekannu, kastelukannu tai kahvipannu.

Homogeenisen nesteen pinnat asennetaan samalle tasolle minkä tahansa muotoisissa yhteyksissä olevissa astioissa.

Eritiheyksisiä nesteitä.

Kommunikoivilla suonilla voidaan tehdä seuraava yksinkertainen koe. Kokeen alussa puristamme kumiputken keskelle ja kaadamme vettä yhteen putkesta. Sitten avaamme puristimen ja vesi virtaa välittömästi toiseen putkeen, kunnes molempien putkien vesipinnat ovat samalla tasolla. Voit kiinnittää toisen putken jalustaan ja nostaa, laskea tai kallistaa toista eri suuntiin. Ja tässä tapauksessa heti, kun neste rauhoittuu, sen tasot molemmissa putkissa tasaavat.

Minkä tahansa muotoisissa ja poikkileikkauksissa kommunikoitavissa astioissa homogeenisen nesteen pinnat asetetaan samalle tasolle(edellyttäen, että ilmanpaine nesteen päällä on sama) (Kuva 109).

Tämä voidaan perustella seuraavasti. Neste on levossa liikkumatta astiasta toiseen. Tämä tarkoittaa, että paineet molemmissa astioissa ovat samat kaikilla tasoilla. Molemmissa astioissa oleva neste on sama, eli sillä on sama tiheys. Siksi sen korkeuksien on myös oltava samat. Kun nostamme yhtä astiaa tai lisäämme siihen nestettä, paine siinä kasvaa ja neste siirtyy toiseen astiaan, kunnes paineet tasapainottuvat.

Jos yhden tiheyden nestettä kaadetaan yhteen kommunikoivaan astiaan ja toisen tiheyden kaadetaan toiseen, tasapainotilassa näiden nesteiden tasot eivät ole samat. Ja tämä on ymmärrettävää. Tiedämme, että nesteen paine astian pohjalla on suoraan verrannollinen kolonnin korkeuteen ja nesteen tiheyteen. Ja tässä tapauksessa nesteiden tiheydet ovat erilaisia.

Samalla paineella tiheämmän nestepatsaan korkeus on pienempi kuin pienemmän tiheyden omaavan nestepatsaan korkeus (kuva).

Kokea. Kuinka määrittää ilman massa.

Ilman paino. Ilmakehän paine.

ilmanpaineen olemassaolo.

Ilmakehän paine on suurempi kuin harvennetun ilman paine astiassa.

Painovoima vaikuttaa ilmaan, samoin kuin mihin tahansa maan päällä sijaitsevaan kappaleeseen, ja siksi ilmalla on painoa. Ilman paino on helppo laskea, kun tietää sen massan.

Näytämme kokemuksella, kuinka ilmamassa lasketaan. Ota tätä varten vahva lasipallo korkilla ja kumiputki, jossa on puristin. Pumpaamme siitä ilmaa pumpulla, puristamme putken puristimella ja tasapainotamme sen vaa'alla. Avaa sitten kumiputken puristin ja anna ilmaa sen sisään. Tässä tapauksessa vaakojen tasapaino häiriintyy. Sen palauttamiseksi sinun on asetettava painot toiseen vaakapannuun, jonka massa on yhtä suuri kuin pallon tilavuudessa olevan ilman massa.

Kokeet ovat osoittaneet, että lämpötilassa 0 ° C ja normaalissa ilmanpaineessa ilmamassa, jonka tilavuus on 1 m 3, on 1,29 kg. Tämän ilman paino on helppo laskea:

P = g m, P = 9,8 N/kg 1,29 kg ≈ 13 N.

Maata ympäröivää ilmavaippaa kutsutaan tunnelmaa (kreikasta. tunnelmaa höyryä, ilmaa ja pallo- pallo).

Keinotekoisten maasatelliittien lennon havaintojen mukaan ilmakehä ulottuu useiden tuhansien kilometrien korkeuteen.

Painovoiman vaikutuksesta ilmakehän ylemmät kerrokset, kuten valtamerivesi, puristavat alempia kerroksia. Suoraan Maan vieressä oleva ilmakerros puristuu eniten ja siirtää Pascalin lain mukaan siihen muodostuvan paineen kaikkiin suuntiin.

Tämän seurauksena maan pinta ja sillä sijaitsevat kappaleet kokevat ilman koko paksuuden paineen tai, kuten sellaisissa tapauksissa yleensä sanotaan, kokevat Ilmakehän paine .

Ilmanpaineen olemassaolo voidaan selittää monilla ilmiöillä, joita kohtaamme elämässä. Tarkastellaanpa joitain niistä.

Kuvassa on lasiputki, jonka sisällä on mäntä, joka sopii tiukasti putken seiniä vasten. Putken pää upotetaan veteen. Jos nostat mäntää, vesi nousee sen takaa.

Tätä ilmiötä käytetään vesipumpuissa ja joissakin muissa laitteissa.

Kuvassa on sylinterimäinen astia. Se on suljettu korkilla, johon työnnetään hanallinen putki. Ilmaa pumpataan ulos astiasta pumpun avulla. Putken pää laitetaan sitten veteen. Jos nyt avaat hanan, vesi roiskuu suihkulähteessä astian sisäpuolelle. Vesi pääsee astiaan, koska ilmanpaine on suurempi kuin säiliössä olevan ilman paine.

Miksi maan ilmakuori on olemassa.

Kuten kaikki kappaleet, maapallon ilmavaipan muodostavat kaasumolekyylit houkuttelevat Maata.

Mutta miksi ne eivät sitten kaikki putoa maan pinnalle? Miten maan ilmakuori ja sen ilmakehä säilyvät? Tämän ymmärtämiseksi meidän on otettava huomioon, että kaasujen molekyylit ovat jatkuvassa ja satunnaisessa liikkeessä. Mutta sitten herää toinen kysymys: miksi nämä molekyylit eivät lennä pois maailmanavaruuteen eli avaruuteen.

Poistuakseen kokonaan maasta molekyylin, kuten avaruusaluksen tai raketin, on oltava erittäin suuri (vähintään 11,2 km/s). Tämä ns toinen pakonopeus. Useimpien molekyylien nopeus Maan ilmaverhossa on paljon pienempi kuin tämä kosminen nopeus. Siksi suurin osa niistä on sidottu Maahan painovoiman avulla, vain vähäinen määrä molekyylejä lentää Maan yli avaruuteen.

Molekyylien satunnainen liike ja painovoiman vaikutus niihin johtaa siihen, että kaasumolekyylit "kelluvat" avaruudessa lähellä maata muodostaen ilmakuoren tai meille tunteman ilmakehän.

Mittaukset osoittavat, että ilman tiheys pienenee nopeasti korkeuden myötä. Joten 5,5 km:n korkeudella Maan yläpuolella ilman tiheys on 2 kertaa pienempi kuin sen tiheys maan pinnalla, 11 km:n korkeudessa - 4 kertaa vähemmän jne. Mitä korkeampi, sitä harvinaisempi ilma. Ja lopuksi, ylimmissä kerroksissa (satoja ja tuhansia kilometrejä Maan yläpuolella) ilmakehä muuttuu vähitellen ilmattomaksi avaruuteen. Maan ilmakuorella ei ole selkeää rajaa.

Tarkkaan ottaen painovoiman vaikutuksesta kaasun tiheys missään suljetussa astiassa ei ole sama koko astian tilavuudessa. Astian pohjalla kaasun tiheys on suurempi kuin sen yläosissa, ja siksi paine astiassa ei ole sama. Se on suurempi aluksen pohjassa kuin yläosassa. Astiassa olevan kaasun osalta tämä tiheys- ja paineero on kuitenkin niin pieni, että se voidaan monissa tapauksissa jättää kokonaan huomioimatta, vain huomioi se. Mutta useiden tuhansien kilometrien yli ulottuvalla ilmakehällä ero on merkittävä.

Ilmanpaineen mittaus. Torricellin kokemus.

Ilmakehän painetta on mahdotonta laskea nestepatsaan paineen laskentakaavalla (§ 38). Tällaista laskelmaa varten sinun on tiedettävä ilmakehän korkeus ja ilman tiheys. Mutta ilmakehällä ei ole tarkkaa rajaa, ja ilman tiheys eri korkeuksilla on erilainen. Ilmanpaine voidaan kuitenkin mitata italialaisen tiedemiehen 1600-luvulla ehdottaman kokeen avulla. Evangelista Torricelli Galileon opiskelija.

Torricellin koe on seuraava: noin 1 m pitkä lasiputki, joka on sinetöity toisesta päästä, täytetään elohopealla. Sitten putken toinen pää tiukasti suljetaan, se käännetään ympäri ja lasketaan elohopeakuppiin, jossa tämä putken pää avataan elohopean tason alle. Kuten missä tahansa nestekokeissa, osa elohopeasta kaadetaan kuppiin ja osa siitä jää putkeen. Putkeen jäävän elohopeapylvään korkeus on noin 760 mm. Putken sisällä ei ole ilmaa elohopean yläpuolella, on ilmaton tila, joten mikään kaasu ei kohdista ylhäältä painetta tämän putken sisällä olevaan elohopeapylvääseen eikä vaikuta mittauksiin.

Torricelli, joka ehdotti yllä kuvattua kokemusta, antoi myös selityksensä. Ilmakehä painaa kupissa olevan elohopean pintaa. Merkurius on tasapainossa. Tämä tarkoittaa, että paine putkessa on aa 1 (katso kuva) on yhtä suuri kuin ilmanpaine. Kun ilmanpaine muuttuu, myös elohopeapatsaan korkeus putkessa muuttuu. Paineen kasvaessa kolonni pitenee. Kun paine laskee, elohopeapatsaan korkeus laskee.

Putken paine tasolla aa1 syntyy putkessa olevan elohopeapatsaan painosta, koska putken yläosassa ei ole ilmaa elohopean yläpuolella. Tästä seuraa siis ilmakehän paine on yhtä suuri kuin putkessa olevan elohopeapatsaan paine , eli

s atm = s elohopeaa.

Mitä suurempi ilmakehän paine, sitä korkeampi elohopeapatsas Torricellin kokeessa. Siksi käytännössä ilmanpainetta voidaan mitata elohopeapatsaan korkeudella (millimetreinä tai senttimetreinä). Jos esimerkiksi ilmanpaine on 780 mm Hg. Taide. (he sanovat "elohopeamillimetrejä"), tämä tarkoittaa, että ilma tuottaa saman paineen kuin pystysuora elohopeapylväs, jonka korkeus on 780 mm.

Siksi tässä tapauksessa 1 millimetri elohopeaa (1 mm Hg) otetaan ilmakehän paineen yksikkönä. Etsitään tämän yksikön ja meille tuntemamme yksikön välinen suhde - pascal(Pa).

Elohopeapatsaan ρ, jonka korkeus on 1 mm, paine on:

s = g ρ h, s\u003d 9,8 N / kg 13 600 kg / m 3 0,001 m ≈ 133,3 Pa.

Eli 1 mm Hg. Taide. = 133,3 Pa.

Tällä hetkellä ilmanpaine mitataan yleensä hehtopascaleina (1 hPa = 100 Pa). Esimerkiksi säätiedotteet voivat ilmoittaa, että paine on 1013 hPa, mikä on sama kuin 760 mmHg. Taide.

Tarkkailemalla päivittäin putken elohopeapatsaan korkeutta Torricelli havaitsi, että tämä korkeus muuttuu, eli ilmakehän paine ei ole vakio, se voi nousta ja laskea. Torricelli huomasi myös, että ilmanpaine liittyy sään muutoksiin.

Jos kiinnität pystysuoran asteikon Torricellin kokeessa käytettyyn elohopeaputkeen, saat yksinkertaisimman laitteen - elohopeabarometri (kreikasta. baros- raskaus, metroo- mittaa). Sitä käytetään ilmanpaineen mittaamiseen.

Barometri - aneroidi.

Käytännössä ilmanpaineen mittaamiseen käytetään metallibarometriä, ns aneroidi (käännetty kreikasta - aneroidi). Barometria kutsutaan niin, koska se ei sisällä elohopeaa.

Aneroidin ulkonäkö on esitetty kuvassa. Sen pääosa on metallilaatikko 1, jossa on aaltomainen (aaltomainen) pinta (katso toinen kuva). Tästä laatikosta pumpataan ilmaa, ja jotta ilmanpaine ei murskaa laatikkoa, sen kansi 2 vedetään ylös jousella. Ilmanpaineen noustessa kansi taipuu alaspäin ja kiristää jousta. Kun paine laskee, jousi suoristaa kannen. Jouseen on kiinnitetty nuoli-osoitin 4 voimansiirtomekanismin 3 avulla, joka liikkuu paineen muuttuessa oikealle tai vasemmalle. Nuolen alle on kiinnitetty asteikko, jonka jaot on merkitty elohopeabarometrin osoitteiden mukaan. Joten luku 750, jota vasten aneroidinen neula seisoo (katso kuva), osoittaa, että elohopeabarometrin elohopeapylvään korkeus on tällä hetkellä 750 mm.

Siksi ilmanpaine on 750 mm Hg. Taide. tai ≈ 1000 hPa.

Ilmanpaineen arvo on erittäin tärkeä tulevien päivien sään ennustamisessa, koska ilmanpaineen muutokset liittyvät sään muutoksiin. Ilmapuntari on välttämätön väline meteorologisiin havaintoihin.

Ilmanpaine eri korkeuksissa.

Nesteessä paine, kuten tiedämme, riippuu nesteen tiheydestä ja sen kolonnin korkeudesta. Alhaisen kokoonpuristuvuuden vuoksi nesteen tiheys eri syvyyksissä on lähes sama. Siksi painetta laskettaessa pidämme sen tiheyttä vakiona ja otamme huomioon vain korkeuden muutoksen.

Kaasuilla tilanne on monimutkaisempi. Kaasut ovat erittäin puristuvia. Ja mitä enemmän kaasua puristetaan, sitä suurempi on sen tiheys ja sitä suurempi paine se tuottaa. Loppujen lopuksi kaasun paine syntyy sen molekyylien vaikutuksesta kehon pintaan.

Maan pinnan lähellä olevia ilmakerroksia puristavat kaikki niiden yläpuolella olevat ilmakerrokset. Mutta mitä korkeampi ilmakerros pinnasta, sitä heikommin se puristuu, sitä pienempi on sen tiheys. Siksi sitä vähemmän painetta se tuottaa. Jos esimerkiksi ilmapallo kohoaa maan pinnan yläpuolelle, ilmapalloon kohdistuva ilmanpaine pienenee. Tämä ei tapahdu vain siksi, että ilmapylvään korkeus sen yläpuolella pienenee, vaan myös siksi, että ilman tiheys pienenee. Se on pienempi ylhäältä kuin alhaalta. Siksi ilmanpaineen riippuvuus korkeudesta on monimutkaisempi kuin nesteiden.

Havainnot osoittavat, että ilmanpaine merenpinnan tasolla sijaitsevilla alueilla on keskimäärin 760 mm Hg. Taide.

Ilmakehän painetta, joka vastaa 760 mm korkean elohopeapylvään painetta 0 °C:n lämpötilassa, kutsutaan normaaliksi ilmanpaineeksi..

normaali ilmanpaine vastaa 101 300 Pa = 1013 hPa.

Mitä korkeampi korkeus, sitä pienempi paine.

Pienillä nousuilla, keskimäärin jokaista 12 m nousua kohden paine laskee 1 mm Hg. Taide. (tai 1,33 hPa).

Kun tiedetään paineen riippuvuus korkeudesta, on mahdollista määrittää korkeus merenpinnan yläpuolella muuttamalla barometrin lukemia. Aneroideja, joilla on asteikko, jolla voit mitata korkeuden merenpinnasta suoraan, kutsutaan korkeusmittarit . Niitä käytetään ilmailussa ja vuoristokiipeilyssä.

Painemittarit.

Tiedämme jo, että barometreja käytetään ilmanpaineen mittaamiseen. Ilmakehän painetta suurempien tai pienempien paineiden mittaamiseksi painemittarit (kreikasta. manos- harvinainen, huomaamaton metroo- mittaa). Painemittarit ovat nestettä Ja metalli.

Harkitse ensin laitetta ja toimintaa avoin nestemanometri. Se koostuu kaksijalkaisesta lasiputkesta, johon kaadetaan nestettä. Neste asennetaan molempiin polviin samalle tasolle, koska vain ilmanpaine vaikuttaa sen pintaan astian polvissa.

Ymmärtääksesi, kuinka tällainen painemittari toimii, se voidaan yhdistää kumiputkella pyöreään litteään laatikkoon, jonka toinen puoli on peitetty kumikalvolla. Jos painat sormella kalvoa, nestetaso laatikkoon liitetyssä manometripolvessa laskee ja toisessa polvessa nousee. Mikä selittää tämän?

Kalvon painaminen lisää ilmanpainetta laatikossa. Pascalin lain mukaan tämä paineen nousu siirtyy nesteeseen painemittarin polvessa, joka on kiinnitetty laatikkoon. Siksi nesteeseen kohdistuva paine tässä polvessa on suurempi kuin toisessa, jossa vain ilmakehän paine vaikuttaa nesteeseen. Tämän ylipaineen voimalla neste alkaa liikkua. Polvessa, jossa on paineilma, neste putoaa, toisessa se nousee. Neste tulee tasapainoon (pysähtymään), kun paineilman ylipaine tasapainotetaan paineella, jonka ylimääräinen nestepatsas tuottaa manometrin toisessa haarassa.

Mitä voimakkaampi paine kalvoon kohdistuu, sitä suurempi on ylimääräinen nestepatsas, sitä suurempi on sen paine. Siten, paineen muutos voidaan arvioida tämän ylimääräisen kolonnin korkeuden perusteella.

Kuvassa näkyy, kuinka tällainen painemittari voi mitata paineen nesteen sisällä. Mitä syvemmälle putki upotetaan nesteeseen, sitä suuremmaksi nestepylväiden korkeusero manometrin polvissa tulee., joten, siis ja neste tuottaa enemmän painetta.

Jos asennat laitekotelon johonkin syvyyteen nesteen sisään ja käännät sitä kalvolla ylös, sivuttain ja alas, painemittarin lukemat eivät muutu. Näin sen pitäisi olla, koska samalla tasolla nesteen sisällä paine on sama kaikkiin suuntiin.

Kuvassa näkyy metallinen manometri . Tällaisen painemittarin pääosa on putkeen taivutettu metalliputki 1 , jonka toinen pää on suljettu. Putken toinen pää hanalla 4 on yhteydessä astiaan, jossa paine mitataan. Kun paine kasvaa, putki taipuu. Sen suljetun pään liike vivulla 5 ja vaihteet 3 siirtyi ampujalle 2 liikkuvat instrumentin asteikolla. Kun paine laskee, putki joustavuuden vuoksi palaa edelliseen asentoonsa ja nuoli palaa asteikon nollajakoon.

Mäntä nestepumppu.

Aiemmin tarkastelemassamme kokeessa (§ 40) havaittiin, että vesi lasiputkessa ilmakehän paineen vaikutuksesta nousi männän taakse. Tämä toiminta perustuu mäntä pumput.

Pumppu on esitetty kaavamaisesti kuvassa. Se koostuu sylinteristä, jonka sisällä menee ylös ja alas kiinnittyen tiukasti aluksen seiniin, mäntään 1 . Venttiilit on asennettu sylinterin alaosaan ja itse mäntään. 2 avautuu vain ylöspäin. Kun mäntä liikkuu ylöspäin, vesi pääsee putkeen ilmanpaineen vaikutuksesta, nostaa pohjaventtiiliä ja siirtyy männän taakse.

Kun mäntä liikkuu alas, männän alla oleva vesi painaa pohjaventtiiliä ja se sulkeutuu. Samanaikaisesti veden paineen alaisena männän sisällä oleva venttiili aukeaa ja vesi virtaa männän yläpuolella olevaan tilaan. Männän seuraavalla liikkeellä ylöspäin nousee myös sen yläpuolella oleva vesi sen mukana olevalle paikalle, joka valuu poistoputkeen. Samanaikaisesti männän taakse nousee uusi osa vettä, joka, kun mäntä myöhemmin lasketaan alas, on sen yläpuolella, ja tämä koko toimenpide toistetaan uudestaan ja uudestaan pumpun käydessä.

Hydraulinen puristin.

Pascalin lain avulla voit selittää toiminnan hydraulinen kone (kreikasta. hydrauliikka- vesi). Nämä ovat koneita, joiden toiminta perustuu nesteiden liikkeen ja tasapainon lakeihin.

Hydraulikoneen pääosa on kaksi eri halkaisijaltaan olevaa sylinteriä, jotka on varustettu männillä ja liitosputkella. Mäntien ja putken alla oleva tila on täytetty nesteellä (yleensä mineraaliöljyllä). Nestepatsaiden korkeudet molemmissa sylintereissä ovat samat niin kauan kuin mäntiin ei vaikuta voimia.

Oletetaan nyt, että voimat F 1 ja F 2 - mäntiin vaikuttavat voimat, S 1 ja S 2 - mäntien alueet. Ensimmäisen (pienen) männän alla oleva paine on s 1 = F 1 / S 1 ja toisen alla (iso) s 2 = F 2 / S 2. Pascalin lain mukaan levossa olevan nesteen paine välittyy tasaisesti kaikkiin suuntiin, ts. s 1 = s 2 tai F 1 / S 1 = F 2 / S 2, mistä:

F 2 / F 1 = S 2 / S 1 .

Siksi voimaa F 2 niin paljon enemmän tehoa F 1 , Kuinka monta kertaa ison männän pinta-ala on suurempi kuin pienen männän pinta-ala?. Esimerkiksi jos suuren männän pinta-ala on 500 cm 2 ja pienen 5 cm 2 ja pieneen mäntään vaikuttaa 100 N:n voima, niin mäntään vaikuttaa 100 kertaa suurempi voima. suurempi mäntä, eli 10 000 N.

Siten hydraulikoneen avulla on mahdollista tasapainottaa suuri voima pienellä voimalla.

Asenne F 1 / F 2 näyttää voimakkuuden lisääntymisen. Esimerkiksi yllä olevassa esimerkissä voimassa oleva vahvistus on 10 000 N / 100 N = 100.

Puristamiseen (puristamiseen) käytetty hydraulikone on ns hydraulinen puristin .

Hydraulisia puristimia käytetään paikoissa, joissa tarvitaan paljon tehoa. Esimerkiksi öljyn puristamiseen siemenistä öljymyllyillä, vanerin, pahvin, heinän puristamiseen. Terästehtaat käyttävät hydraulipuristimia teräskoneiden akseleiden, rautateiden pyörien ja monien muiden tuotteiden valmistukseen. Nykyaikaiset hydraulipuristimet voivat kehittää kymmenien ja satojen miljoonien newtonien voiman.

Hydraulisen puristimen laite on esitetty kaavamaisesti kuvassa. Puristettava runko 1 (A) asetetaan alustalle, joka on yhdistetty suureen mäntään 2 (B). Pieni mäntä 3 (D) luo suuren paineen nesteeseen. Tämä paine välittyy jokaiseen sylinterit täyttävän nesteen pisteeseen. Siksi sama paine vaikuttaa toiseen, suureen mäntään. Mutta koska toisen (suuren) männän pinta-ala on suurempi kuin pienen, siihen vaikuttava voima on suurempi kuin mäntään 3 (D) vaikuttava voima. Tämän voiman vaikutuksesta mäntä 2 (B) nousee ylös. Kun mäntä 2 (B) nousee, runko (A) lepää kiinteää ylätasoa vasten ja puristuu kokoon. Painemittari 4 (M) mittaa nesteen paineen. Varoventtiili 5 (P) avautuu automaattisesti, kun nestepaine ylittää sallitun arvon.

Pienestä sylinteristä suureen nesteeseen pumpataan pienen männän 3 (D) toistuvilla liikkeillä. Tämä tehdään seuraavalla tavalla. Kun pientä mäntää (D) nostetaan, venttiili 6 (K) avautuu ja neste imetään männän alla olevaan tilaan. Kun pieni mäntä lasketaan alas nestepaineen vaikutuksesta, venttiili 6 (K) sulkeutuu ja venttiili 7 (K") avautuu ja neste kulkee suureen astiaan.

Veden ja kaasun vaikutus niihin upotettuun kehoon.

Veden alla voimme helposti nostaa kiven, jota tuskin voi nostaa ilmaan. Jos upotat korkin veteen ja irrotat sen käsistäsi, se kelluu. Miten nämä ilmiöt voidaan selittää?

Tiedämme (§ 38), että neste painaa astian pohjaa ja seinämiä. Ja jos jokin kiinteä kappale asetetaan nesteen sisään, se joutuu myös paineen alaisiksi, kuten astian seinämät.

Harkitse voimia, jotka vaikuttavat nesteen puolelta siihen upotettuun kehoon. Päättelyn helpottamiseksi valitsemme rungon, joka on muodoltaan suuntaissärmiö, jonka kantat ovat samansuuntaiset nesteen pinnan kanssa (kuva). Kehon sivupintoihin vaikuttavat voimat ovat pareittain yhtä suuret ja tasapainottavat toisiaan. Näiden voimien vaikutuksesta keho puristuu. Mutta kehon ylä- ja alapuolelle vaikuttavat voimat eivät ole samat. Yläpinta painaa ylhäältä voimalla F 1 pylväs nestemäistä tallia h 1 . Alemman pinnan tasolla paine tuottaa nestepatsaan, jonka korkeus on h 2. Tämä paine, kuten tiedämme (§ 37), välittyy nesteen sisällä kaikkiin suuntiin. Siksi kehon alapinnalla alhaalta ylöspäin voimalla F 2 painaa nestepatsaan korkealle h 2. Mutta h 2 lisää h 1, siis voimamoduuli F 2 muuta tehomoduulia F 1 . Siksi keho työnnetään ulos nesteestä voimalla F vyt, yhtä suuri kuin voimien ero F 2 - F 1, eli

Mutta S·h = V, jossa V on suuntaissärmiön tilavuus ja ρ W ·V = m W on nesteen massa suuntaissärmiön tilavuudessa. Siten,

F vyt \u003d g m well \u003d P well,

eli nostevoima on yhtä suuri kuin nesteen paino siihen upotetun kehon tilavuudessa(Kellukevoima on yhtä suuri kuin nesteen paino, jonka tilavuus on sama kuin siihen upotetun kehon tilavuus).

Kehon nesteestä työntävän voiman olemassaolo on helppo havaita kokeellisesti.

Kuvan päällä A esittää jouseen ripustettua runkoa, jonka päässä on nuoliosoitin. Nuoli osoittaa jalustan jousen kireyden. Kun ruumis päästetään veteen, jousi supistuu (kuva. b). Sama jousen supistuminen saadaan, jos vaikutat vartaloon alhaalta ylöspäin jollain voimalla, esimerkiksi painat sitä kädellä (nosta sitä).

Siksi kokemus vahvistaa tämän nesteessä olevaan kehoon vaikuttava voima työntää kehon ulos nesteestä.

Kaasuille, kuten tiedämme, Pascalin laki pätee myös. Siksi kaasussa olevat kappaleet altistuvat voimalle, joka työntää ne ulos kaasusta. Tämän voiman vaikutuksesta ilmapallot nousevat ylös. Kappaleen kaasusta ulos työntävän voiman olemassaolo voidaan havaita myös kokeellisesti.

Riputamme lasipallon tai suuren korkilla suljetun pullon lyhennetylle astialle. Vaa'at ovat tasapainossa. Sitten pullon (tai pallon) alle asetetaan leveä astia niin, että se ympäröi koko pullon. Astia täytetään hiilidioksidilla, jonka tiheys on suurempi kuin ilman tiheys (siis hiilidioksidi uppoaa alas ja täyttää astian syrjäyttäen siitä ilmaa). Tässä tapauksessa vaakojen tasapaino häiriintyy. Kuppi, jossa on ripustettu pullo, nousee ylös (kuva). Hiilidioksidiin upotettu pullo kokee suuremman kelluntavoiman kuin se, joka vaikuttaa siihen ilmassa.

Voima, joka työntää kappaleen ulos nesteestä tai kaasusta, on suunnattu vastakkain tähän kappaleeseen kohdistuvan painovoiman kanssa.

Siksi prolkosmos). Tämä selittää, miksi vedessä nostamme joskus helposti ruumiita, joita tuskin pystymme pitämään ilmassa.

Pieni kauha ja sylinterimäinen runko on ripustettu jouseen (kuva, a). Jalustassa oleva nuoli osoittaa jousen jatkeen. Se näyttää kehon painon ilmassa. Kun runko on nostettu, sen alle asetetaan tyhjennysastia, joka on täytetty nesteellä tyhjennysputken tasolle. Sen jälkeen vartalo upotetaan kokonaan nesteeseen (kuva, b). Jossa osa nesteestä, jonka tilavuus on yhtä suuri kuin kehon tilavuus, kaadetaan kaatoastiasta lasiin. Jousi supistuu ja jousen osoitin nousee osoittamaan kehon painon vähenemistä nesteessä. Tässä tapauksessa painovoiman lisäksi kehoon vaikuttaa toinen voima, joka työntää sen ulos nesteestä. Jos lasista tuleva neste kaadetaan ylempään ämpäriin (eli siihen, jonka runko syrjäytti), jousiosoitin palaa alkuasentoonsa (kuva, c).

Tämän kokemuksen perusteella voidaan päätellä, että voima, joka työntää kappaletta kokonaan nesteeseen upotettuna, on yhtä suuri kuin nesteen paino tämän kappaleen tilavuudessa . Päädyimme samaan johtopäätökseen § 48:ssa.

Jos samanlainen koe tehtäisiin kaasuun upotetulla keholla, se osoittaisi sen voima, joka työntää kehon ulos kaasusta, on myös yhtä suuri kuin kaasun paino, joka on otettu kehon tilavuuteen .

Voimaa, joka työntää kappaleen nesteestä tai kaasusta, kutsutaan Archimedean voima, tiedemiehen kunniaksi Archimedes joka ensin viittasi sen olemassaoloon ja laski sen merkityksen.

Kokemus on siis vahvistanut, että arkimedelainen (tai kelluva) voima on yhtä suuri kuin nesteen paino kehon tilavuudessa, ts. F A = P f = g m ja. Kehon syrjäyttämän nesteen massa m f voidaan ilmaista sen tiheydellä ρ w ja nesteeseen upotetun kappaleen tilavuudella V t (koska V l - kehon syrjäyttämän nesteen tilavuus on yhtä suuri kuin V t - nesteeseen upotetun kappaleen tilavuus), eli m W = ρ W V t. Sitten saadaan:

F A= g ρ ja · V T

Siksi Archimedean voima riippuu nesteen tiheydestä, johon keho on upotettu, ja tämän kappaleen tilavuudesta. Mutta se ei riipu esimerkiksi nesteeseen upotetun kehon aineen tiheydestä, koska tämä määrä ei sisälly tuloksena olevaan kaavaan.

Määritetään nyt nesteeseen (tai kaasuun) upotetun kappaleen paino. Koska kaksi kehoon vaikuttavaa voimaa on tässä tapauksessa suunnattu vastakkaisiin suuntiin (painovoima on alaspäin ja Arkhimedeen voima on ylöspäin), niin kehon paino nesteessä P 1 on pienempi kuin kehon paino tyhjiössä P = gm Arkhimedeen voimille F A = g m w (missä m w on kehon syrjäyttämän nesteen tai kaasun massa).

Täten, jos ruumis upotetaan nesteeseen tai kaasuun, se menettää painoaan yhtä paljon kuin sen syrjäyttämä neste tai kaasu painaa.

Esimerkki. Määritä kelluva voima, joka vaikuttaa kiveen, jonka tilavuus on 1,6 m 3 merivedessä.

Kirjataan ylös ongelman tila ja ratkaistaan se.

Kun kelluva kappale saavuttaa nesteen pinnan, sen edelleen ylöspäin suuntautuvan liikkeen myötä Arkhimedeen voima pienenee. Miksi? Mutta koska nesteeseen upotetun kehon osan tilavuus pienenee ja Arkhimedeen voima on yhtä suuri kuin nesteen paino siihen upotetun kehon osan tilavuudessa.

Kun Arkhimedeen voima tulee yhtä suureksi kuin painovoima, kappale pysähtyy ja kelluu nesteen pinnalla, osittain upotettuna siihen.

Tuloksena oleva johtopäätös on helppo varmistaa kokeellisesti.

Kaada vettä tyhjennysastiaan tyhjennysputken tasolle asti. Sen jälkeen upotetaan kelluva kappale astiaan, ennen kuin se on punnittu ilmassa. Laskeutuessaan veteen keho syrjäyttää vettä, joka vastaa siihen upotetun kehon osan tilavuutta. Tämän veden punnitsemisen jälkeen huomaamme, että sen paino (Arkimedean voima) on yhtä suuri kuin kelluvaan kappaleeseen vaikuttava painovoima tai tämän kappaleen paino ilmassa.

Kun olet tehnyt samat kokeet muiden kappaleiden kanssa, jotka kelluvat eri nesteissä - vedessä, alkoholissa, suolaliuoksessa, voit varmistaa, että jos ruumis kelluu nesteessä, niin sen syrjäyttämän nesteen paino on yhtä suuri kuin tämän kappaleen paino ilmassa.

Se on helppo todistaa jos kiinteän kiinteän aineen tiheys on suurempi kuin nesteen tiheys, niin keho uppoaa sellaiseen nesteeseen. Tässä nesteessä kelluu kappale, jonka tiheys on pienempi. Esimerkiksi raudanpala uppoaa veteen, mutta kelluu elohopeassa. Kappale, jonka tiheys on yhtä suuri kuin nesteen tiheys, sen sijaan pysyy tasapainossa nesteen sisällä.

Jää kelluu veden pinnalla, koska sen tiheys on pienempi kuin veden.

Mitä pienempi kehon tiheys on nesteen tiheyteen verrattuna, sitä pienempi osa kehosta on upotettuna nesteeseen .

Kun kehon ja nesteen tiheys on sama, keho kelluu nesteen sisällä missä tahansa syvyydessä.

Kaksi sekoittumatonta nestettä, esimerkiksi vesi ja kerosiini, sijaitsevat astiassa tiheytensä mukaan: astian alaosassa - tiheämpi vesi (ρ = 1000 kg / m 3), päällä - kevyempi kerosiini (ρ = 800 kg/m 3) .

Vesiympäristössä asuvien elävien organismien keskimääräinen tiheys eroaa vähän veden tiheydestä, joten niiden paino on lähes täysin tasapainotettu Arkhimedeen voiman avulla. Tämän ansiosta vesieläimet eivät tarvitse niin vahvoja ja massiivisia luurankoja kuin maanpäälliset. Samasta syystä vesikasvien rungot ovat joustavia.

Kalan uimarakko muuttaa helposti tilavuuttaan. Kun kala laskeutuu lihasten avulla suureen syvyyteen ja siihen kohdistuva vedenpaine kasvaa, kupla supistuu, kalan kehon tilavuus pienenee, eikä se työnnä ylöspäin, vaan ui syvyyksissä. Siten kala voi tietyissä rajoissa säädellä sukelluksensa syvyyttä. Valaat säätelevät sukellussyvyyttään supistamalla ja laajentamalla keuhkokapasiteettiaan.

Purjelaivoja.

Joilla, järvillä, merillä ja valtamerillä purjehtivat laivat on rakennettu erilaisista materiaaleista, joiden tiheys vaihtelee. Laivojen runko on yleensä valmistettu teräslevystä. Myös kaikki laivoille lujuutta antavat sisäiset kiinnikkeet on valmistettu metalleista. Laivojen rakentamiseen käytetään erilaisia materiaaleja, joilla on veteen verrattuna sekä suurempi että pienempi tiheys.

Miten laivat kelluvat, ottavat kyytiin ja kuljettavat suuria kuormia?

Kokeilu kelluvalla kappaleella (§ 50) osoitti, että ruumis syrjäyttää vedenalaisella osallaan niin paljon vettä, että tämä vesi on painoltaan yhtä suuri kuin kehon paino ilmassa. Tämä pätee myös kaikkiin laivoihin.

Aluksen vedenalaisen osan syrjäyttämän veden paino on yhtä suuri kuin aluksen paino ilmassa lastin kanssa tai painovoima, joka vaikuttaa alukseen lastineen.

Syvyys, johon alus on upotettu veteen, kutsutaan luonnos . Suurin sallittu syväys on merkitty aluksen runkoon punaisella viivalla nimeltä vesiviiva (Hollannin kielestä. vettä- vesi).

Veden painoa, jonka alus syrjäyttää sen ollessa upotettuna vesiviivaan ja joka on yhtä suuri kuin lastin kanssa alukseen vaikuttava painovoima, kutsutaan aluksen siirtymäksi..

Tällä hetkellä öljyn kuljetukseen rakennetaan aluksia, joiden uppouma on 5 10 6 kN ja enemmän, eli joiden massa on 500 000 tonnia (5 10 5 t) ja enemmän yhdessä lastin kanssa.

Jos vähennämme uppoumasta itse laivan painon, saamme tämän aluksen kantokyvyn. Kantavuus osoittaa aluksen kuljettaman lastin painon.

Laivanrakennus oli olemassa muinaisessa Egyptissä, Foinikiassa (foinikialaisten uskotaan olleen yksi parhaista laivanrakentajista), muinaisessa Kiinassa.

Venäjällä laivanrakennus syntyi 1600- ja 1700-luvun vaihteessa. Pääasiassa rakennettiin sotalaivoja, mutta Venäjällä rakennettiin ensimmäinen jäänmurtaja, polttomoottorilla varustetut alukset ja ydinjäänmurtaja Arktika.

Ilmailu.

Piirustus, joka kuvaa Montgolfier-veljesten ilmapalloa vuonna 1783: "Katso ja tarkat mitat ilmapallosta, joka oli ensimmäinen." 1786

Muinaisista ajoista lähtien ihmiset ovat haaveilleet voivansa lentää pilvien yläpuolella, uida ilmameressä purjehtiessaan merellä. Ilmailulle

Aluksi käytettiin ilmapalloja, jotka täytettiin joko lämmitetyllä ilmalla tai vedyllä tai heliumilla.

Ilmapallon nousemiseksi ilmaan on välttämätöntä, että Arkhimedeen voima (noste) F A, joka vaikutti palloon, oli enemmän kuin painovoima F raskas, ts. F A > F raskas

Pallon noustessa siihen vaikuttava Archimedean voima pienenee ( F A = gρV), koska yläilmakehän tiheys on pienempi kuin maan pinnan tiheys. Korkeammalle nousemiseksi pallosta pudotetaan erityinen painolasti (paino), joka keventää palloa. Lopulta pallo saavuttaa suurimman nostokorkeutensa. Pallon laskemiseksi osa kaasusta vapautetaan sen kuoresta erityisellä venttiilillä.

Vaakasuunnassa ilmapallo liikkuu vain tuulen vaikutuksesta, joten sitä kutsutaan ilmapallo (kreikasta ilmaa- ilmaa, stato-seisten). Ei niin kauan sitten valtavia ilmapalloja käytettiin tutkimaan ilmakehän ylempiä kerroksia, stratosfääriä - stratostaatit .

Ennen kuin he oppivat rakentamaan suuria lentokoneita matkustajien ja rahdin kuljettamiseen ilmateitse, käytettiin ohjattuja ilmapalloja - ilmalaivoja. Niillä on pitkänomainen muoto, rungon alle on ripustettu gondoli moottorilla, joka käyttää potkuria.

Ilmapallo ei vain nouse itsestään, vaan se voi myös nostaa jonkin verran lastia: hyttiä, ihmisiä, instrumentteja. Siksi, jotta voidaan selvittää, millaista kuormaa ilmapallo voi nostaa, on se määritettävä. nostovoima.

Lennättäköön esimerkiksi heliumilla täytetty ilmapallo, jonka tilavuus on 40 m 3. Pallon kuoren täyttävän heliumin massa on yhtä suuri:
m Ge \u003d ρ Ge V \u003d 0,1890 kg / m 3 40 m 3 \u003d 7,2 kg,
ja sen paino on:
P Ge = g m Ge; P Ge \u003d 9,8 N / kg 7,2 kg \u003d 71 N.
Tähän palloon ilmassa vaikuttava kelluva voima (arkimedeolainen) on yhtä suuri kuin 40 m 3 tilavuuden omaavan ilman paino, ts.
F A \u003d g ρ ilma V; F A \u003d 9,8 N / kg 1,3 kg / m 3 40 m 3 \u003d 520 N.

Tämä tarkoittaa, että tämä pallo pystyy nostamaan kuorman, jonka paino on 520 N - 71 N = 449 N. Tämä on sen nostovoima.

Saman tilavuuden, mutta vedyllä täytetty ilmapallo pystyy nostamaan 479 N:n kuorman. Tämä tarkoittaa, että sen nostovoima on suurempi kuin heliumilla täytetyn ilmapallon. Mutta silti heliumia käytetään useammin, koska se ei pala ja on siksi turvallisempaa. Vety on palava kaasu.

Kuumalla ilmalla täytettyä ilmapalloa on paljon helpompi nostaa ja laskea. Tätä varten poltin sijaitsee pallon alaosassa olevan reiän alla. Kaasupolttimen avulla voit säätää pallon sisällä olevan ilman lämpötilaa, mikä tarkoittaa sen tiheyttä ja kelluvuutta. Jotta pallo nousisi korkeammalle, riittää lämmittää siinä oleva ilma voimakkaammin, mikä lisää polttimen liekkiä. Kun polttimen liekki laskee, pallon ilman lämpötila laskee ja pallo laskeutuu.

On mahdollista valita sellainen pallon lämpötila, jossa pallon ja ohjaamon paino on yhtä suuri kuin kelluvuus. Sitten pallo roikkuu ilmassa, ja siitä on helppo tehdä havaintoja.

Tieteen kehittyessä ilmailutekniikassa tapahtui myös merkittäviä muutoksia. Tuli mahdolliseksi käyttää uusia kuoria ilmapalloille, joista tuli kestäviä, pakkasenkestäviä ja kevyitä.

Saavutukset radiotekniikan, elektroniikan ja automaation alalla mahdollistivat miehittämättömien ilmapallojen suunnittelun. Näitä ilmapalloja käytetään ilmavirtojen tutkimiseen, maantieteelliseen ja biolääketieteelliseen tutkimukseen ilmakehän alemmissa kerroksissa.

Molekyylien muoto ja rakenne ovat melko monimutkaisia. Mutta yritetään kuvitella ne pienten pallojen muodossa. Tämä antaa meille mahdollisuuden soveltaa mekaniikan lakeja kuvaamaan prosessia, jolla molekyylit vaikuttavat suonen seinämiin, erityisesti Newtonin toinen laki.
Oletetaan, että kaasumolekyylit ovat riittävän suurella etäisyydellä toisistaan, joten niiden väliset vuorovaikutusvoimat ovat merkityksettömiä. Jos hiukkasten välillä ei ole vuorovaikutusvoimia, vuorovaikutuksen potentiaalienergia on vastaavasti nolla. Kutsutaan kaasua, joka täyttää nämä ominaisuudet, täydellinen .
On tiedossa, että kaasumolekyylit liikkuvat eri nopeuksilla. Lasketaan kuitenkin keskiarvo molekyylien nopeudet ja pidämme niitä samoina.
Oletetaan, että molekyylien iskut suonen seinämiin ovat ehdottoman elastisia (molekyylit käyttäytyvät törmäyksessä kuin kumipallot, eivät muovailuvaha). Tässä tapauksessa molekyylien nopeudet muuttuvat vain suunnassa, mutta pysyvät samana suuruudeltaan. Tällöin kunkin molekyylin nopeuden muutos törmäyksessä on –2υ.

Otettuaan käyttöön tällaiset yksinkertaistukset, laskemme kaasun paineen astian seinillä.

Voima vaikuttaa seinään monista molekyyleistä. Se voidaan laskea tulona yhdestä molekyylistä vaikuttavan voiman ja suonessa tämän seinän suuntaan liikkuvien molekyylien lukumäärän tulona. Koska avaruus on kolmiulotteinen ja jokaisella ulottuvuudella on kaksi suuntaa: positiivinen ja negatiivinen, voidaan olettaa, että kuudesosa kaikista molekyyleistä (joita on suuri määrä) liikkuu yhden seinän suuntaan: N = N 0 / 6.

Yhdestä molekyylistä seinään vaikuttava voima on yhtä suuri kuin se voima, joka vaikuttaa molekyyliin seinän sivulta. Seinän sivulta molekyyliin vaikuttava voima on yhtä suuri kuin yhden molekyylin massan ja kiihtyvyyden tulo, jonka se saa osuessaan seinään:

F" \u003d m 0 a.

Kiihtyvyys puolestaan on fysikaalinen suure, joka määräytyy nopeuden muutoksen suhteessa aikaan, jonka aikana tämä muutos tapahtui: a = Δυ / t.

Nopeuden muutos on yhtä suuri kuin molekyylin nopeuden kaksinkertainen arvo ennen törmäystä: Δυ = –2υ .

Jos molekyyli käyttäytyy kuin kumipallo, iskuprosessia ei ole vaikea kuvitella: molekyyli muuttuu törmäyksessä. Pakkaus- ja purkuprosessi vie aikaa. Vaikka molekyyli vaikuttaa suonen seinämään, tietty määrä molekyylejä ehtii vielä osua jälkimmäiseen, jotka sijaitsevat etäisyyksillä, jotka eivät ole kauempana siitä l = υt. (Esimerkiksi suhteellisesti sanottuna molekyylien nopeus on 100 m/s. Isku kestää 0,01 s. Silloin molekyyleillä on tänä aikana aikaa päästä seinään ja myötävaikuttaa etäisyyksillä sijaitsevien molekyylien paineeseen. 10, 50, 70 cm siitä, mutta enintään 100 cm).

Tarkastellaan aluksen tilavuutta V = lS .

Korvaamalla kaikki kaavat alkuperäiseen, saamme yhtälön:

jossa: on yhden molekyylin massa, on molekyylien nopeuden neliön keskiarvo, N on molekyylien lukumäärä tilavuudessa V .

Tehdään selityksiä yhdestä tuloksena olevaan yhtälöön sisältyvästä suuresta.

Koska molekyylien liike on kaoottista eikä suonessa ole hallitsevaa liikettä, niiden keskinopeus on nolla. Mutta on selvää, että tämä ei koske kaikkia molekyylejä.

Ihanteellisen kaasun paineen laskemiseen astian seinämässä ei käytetä molekyylinopeuden x-komponentin keskiarvoa, vaan nopeuden neliön keskiarvoa.

Jotta tämän määrän käyttöönotto olisi ymmärrettävämpää, harkitse numeerista esimerkkiä.

Olkoon neljän molekyylin nopeudet 1, 2, 3, 4 arb. yksiköitä

Molekyylien keskinopeuden neliö on:

Nopeuden neliön keskiarvo on:

Nopeuden neliön projektioiden keskiarvot x-, y-, z-akseleilla ovat suhteessa nopeuden neliön keskiarvoon.

Kuva molekyylien liikkeistä kaasussa on epätäydellinen, jos emme ota huomioon myös molekyylien törmäyksiä minkä tahansa kaasussa olevan kappaleen pintaan, erityisesti kaasua sisältävän astian seinien kanssa. muu.

Satunnaisia liikkeitä tehdessään molekyylit todellakin aika ajoin lähestyvät suonen seinämiä tai muiden kappaleiden pintaa melko pienillä etäisyyksillä. Samalla tavalla molekyylit voivat tulla riittävän lähelle toisiaan. Tällöin kaasumolekyylien tai kaasumolekyylin ja seinäaineen molekyylien välille syntyy vuorovaikutusvoimia, jotka pienenevät hyvin nopeasti etäisyyden myötä. Näiden voimien vaikutuksesta kaasumolekyylit muuttavat liikkeensä suuntaa. Tätä prosessia (suunnan muutosta) kutsutaan törmäykseksi.

Molekyylien välisillä törmäyksillä on erittäin tärkeä rooli kaasun käyttäytymisessä. Ja tutkimme niitä yksityiskohtaisesti myöhemmin. Nyt on tärkeää ottaa huomioon molekyylien törmäykset astian seinämiin tai muihin kaasun kanssa kosketuksiin joutuviin pintoihin. Kaasumolekyylien ja seinämien vuorovaikutus määrää seinien kokeman voiman kaasun puolelta ja tietysti sitä vastaavan vastakkaiseen suuntaan, jonka kaasu kokee seinien sivulta. On selvää, että mitä suurempi voima, jonka seinä kokee kaasun puolelta, sitä suurempi on sen pinta-ala. Jotta ei käytetä määrää, joka riippuu sellaisesta satunnaisesta tekijästä kuin seinän mitat, on tapana karakterisoida kaasun vaikutus seinään ei voimalla, vaan

paine, eli voima seinäpinnan pinta-alayksikköä kohti, joka on normaali tälle voimalle:

Kaasun ominaisuus kohdistaa painetta sitä sisältävän astian seiniin on yksi kaasun pääominaisuuksista. Juuri sen paineella kaasu paljastaa useimmiten läsnäolonsa. Siksi painearvo on yksi kaasun pääominaisuuksista.

Kaasun paine astian seiniin, kuten ehdotettiin jo 1700-luvulla. Daniel Bernoulli on seurausta lukemattomista kaasumolekyylien törmäyksistä seinien kanssa. Nämä molekyylien iskut seiniä vasten johtavat joihinkin seinämateriaalin hiukkasten siirtymiin ja siten sen muodonmuutokseen. Epämuodostunut seinä vaikuttaa kaasuun kimmovoimalla, joka kohdistuu jokaiseen seinää vastaan kohtisuoraan pisteeseen. Tämä voima on absoluuttisesti sama ja suunnaltaan vastakkainen voimalle, jolla kaasu vaikuttaa seinään.

Vaikka jokaisen yksittäisen molekyylin vuorovaikutusvoimat seinän molekyylien kanssa törmäyksen aikana ovat tuntemattomia, mekaniikan lakien avulla on kuitenkin mahdollista löytää keskimääräinen voima, joka syntyy kaikkien kaasumolekyylien yhteisvaikutuksesta, ts. kaasun paine.

Oletetaan, että kaasu on suljettu suuntaissärmiön muotoiseen astiaan (kuva 2) ja että kaasu on tasapainotilassa. Tässä tapauksessa tämä tarkoittaa, että kaasu kokonaisuutena on levossa suhteessa astian seinämiin: mihin tahansa mielivaltaiseen suuntaan liikkuvien molekyylien määrä on keskimäärin yhtä suuri kuin molekyylien lukumäärä, joiden nopeudet on suunnattu vastakkaiseen suuntaan.

Lasketaan kaasun paine yhdelle astian seinämistä, esimerkiksi oikeasta sivuseinästä. 2. Riippumatta siitä, miten molekyylien nopeudet suunnataan, olemme kiinnostuneita vain molekyylien nopeuksien projektioista X-akselilla: seinää kohti molekyylit liikkuvat tarkasti nopeudella

Erottakaamme mielessämme A-paksuinen kaasukerros valitun seinän vieressä. Epämuodostuneen seinän sivulta kimmovoima C vaikuttaa siihen samalla absoluuttisella arvolla

voima ja kaasu vaikuttaa seinään. Newtonin toisen lain mukaan voiman liikemäärä (jokin mielivaltainen ajanjakso) on yhtä suuri kuin kaasun liikemäärän muutos kerroksessamme. Mutta kaasu on tasapainotilassa, joten kerros ei saa liikemäärän lisäystä voimaimpulssin suunnassa (vastaan X-akselin positiiviseen suuntaan). Tämä johtuu siitä, että molekyyliliikkeistä johtuen valittu kerros saa vastakkaisen suunnan impulssin ja tietysti saman itseisarvon. Se on helppo laskea.

Kaasumolekyylien satunnaisten liikkeiden aikana ajan myötä tietty määrä molekyylejä tulee kerrokseenmme vasemmalta oikealle ja sama määrä molekyylejä poistuu siitä vastakkaiseen suuntaan - oikealta vasemmalle. Saapuvat molekyylit kuljettavat mukanaan tiettyä vauhtia. Lähtevät kantavat saman vastakkaisen merkin liikemäärän, joten kerroksen vastaanottama kokonaisliikemäärä on yhtä suuri kuin kerrokseen saapuvien ja sieltä poistuvien molekyylien momenttien algebrallinen summa.

Etsitään kerrokseenmme saapuvien molekyylien lukumäärä vasemmalta ajan kuluessa

Tänä aikana ne molekyylit, jotka sijaitsevat enintään etäisyydellä siitä, voivat lähestyä vasemmalla olevaa rajaa. Ne sijaitsevat suuntaissärmiön tilavuudessa tarkasteltavana olevan seinän pohjapinta-alan kanssa) ja pituuden, ts. ilmoitettu tilavuus sisältää molekyylejä. Mutta näistä vain puolet liikkuu vasemmalta oikealle ja tulee kerrokseen. Toinen puolikas siirtyy pois siitä ja jättää kerroksen väliin. Siksi ajan kuluessa molekyylit tulevat kerrokseen vasemmalta oikealle.

Jokaisella niistä on liikemäärä (molekyylin massa), ja niiden kerrokseen antama kokonaisliikemäärä on yhtä suuri kuin

Samaan aikaan kerros jättää oikealta vasemmalle liikkuen saman määrän molekyylejä, joilla on sama kokonaisliikemäärä, mutta päinvastainen. Joten johtuen positiivisen liikemäärän omaavien molekyylien saapumisesta kerrokseen ja negatiivisen liikemäärän omaavien molekyylien poistumisesta siitä, kerroksen liikemäärän kokonaismuutos on yhtä suuri kuin

Tämä muutos kerroksen liikemäärässä kompensoi muutosta, jonka olisi pitänyt tapahtua voiman liikemäärän vaikutuksesta. Siksi voimme kirjoittaa:

Jakamalla tämän tasa-arvon molemmat puolet saadaan:

Tähän asti olemme hiljaa olettaneet, että kaikilla kaasumolekyyleillä on samat nopeusprojektiot. Todellisuudessa näin ei tietenkään ole. Ja molekyylien nopeudet ja niiden projektiot X-akselilla ovat tietysti erilaisia eri molekyyleillä. Kysymystä kaasumolekyylien nopeuksien eroista tasapainoolosuhteissa tarkastellaan yksityiskohtaisesti § 12:ssa. Otetaan nyt huomioon molekyylien nopeuksien erot ja niiden projektiot koordinaattiakseleilla korvaamalla sisään tuleva määrä kaava (2.1) sen keskiarvolla, niin että paineen 2.1) kaavaksi annetaan muoto:

Kunkin molekyylin nopeudelle voimme kirjoittaa:

(viimeinen yhtälö tarkoittaa, että keskiarvolasku- ja summausoperaatioiden järjestystä voidaan muuttaa). Molekyyliliikkeiden täydellisen epäjärjestyksen vuoksi voidaan olettaa, että nopeusprojektioiden neliöiden keskiarvot kolmella koordinaattiakselilla ovat keskenään yhtä suuret, ts.

Ja tämä tarkoittaa, kun otetaan huomioon (2.3), että

Kun tämä lauseke korvataan kaavalla (2.2), saadaan:

tai kertomalla ja jakamalla tämän yhtälön oikea puoli kahdella,

Yllä oleva yksinkertainen päättely pätee mihin tahansa suonen seinämään ja mihin tahansa alueeseen, joka voidaan henkisesti sijoittaa kaasuun. Kaikissa tapauksissa kaasunpaineelle saadaan kaavalla (2.4) ilmaistu tulos. Kaavan (2.4) arvo on yhden kaasumolekyylin keskimääräinen kineettinen energia. Siksi kaasun paine on kaksi kolmasosaa

kaasutilavuusyksikköön sisältyvien molekyylien keskimääräinen kineettinen energia.

Tämä on yksi ihanteellisen kaasun kineettisen teorian tärkeimmistä johtopäätöksistä. Kaava (2.4) muodostaa suhteen molekyylisuureiden eli yksittäiseen molekyyliin liittyvien suureiden ja kaasua kokonaisuutena karakterisoivan painearvon - makroskooppisen arvon, suoraan kokeellisesti mitatun - välille. Yhtälöä (2.4) kutsutaan joskus ihanteellisten kaasujen kineettisen teorian perusyhtälöksi.