Закон паскаля для жидкостей и газов

Рис. 1

Рассмотрим жидкость, которая находится в сосуде под поршнем (рис. 1), когда силы , действующие на свободную поверхность жидкости, значительно больше веса жидкости или жидкость находится в невесомости, т. е. можно считать, что на жидкость действуют только поверхностные силы, и весом жидкости можно пренебречь. Выделим мысленно какой-то малый цилиндрический произвольно ориентированный объем жидкости. На основания этого объема жидкости действуют силы давления и остальной жидкости, на боковую поверхность — силы давления и . Условие равновесия выделенного в жидкости малого объема:

В проекции на ось Ox:

т.е. давление во всех точках невесомой неподвижной жидкости одинаково.

При изменении поверхностной силы будут изменяться величины p ₁ и p ₂, но их равенство будет сохраняться. Это впервые установил Б.Паскаль.

Закон Паскаля: жидкость (газ) передает производимое на нее поверх постными силами внешнее давление по всем направлениям без изменения.

Давление, производимое на жидкость или газ, передается не только в направлении действия силы, но и в каждую точку жидкости (газа) благодаря подвижности молекул жидкости (газа).

Данный закон является прямым следствием отсутствия сил трения покоя в жидкостях и газах.

Закон Паскаля неприменим в случае движущейся жидкости (газа), а также в случае, когда жидкость (газ) находится в гравитационном поле; так, известно, что атмосферное и гидростатическое давление уменьшается с высотой

Закон Архимеда: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа)(называемая силой Архимеда)

F_A = ρ gV,

где ρ — плотность жидкости (газа), g — ускорение свободного падения, а V — объём погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности). Если тело плавает на поверхности или равномерно движется вверх или вниз, то выталкивающая сила (называемая также архимедовой силой) равна по модулю (и противоположна по направлению) силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объём жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объёма.

Что касается тела, которое находится в газе, например в воздухе, то для нахождения подъёмной силы нужно заменить плотность жидкости на плотность газа. Например, шарик с гелием летит вверх из-за того, что плотность гелия меньше, чем плотность воздуха.

В отсутствии силы тяжести, то есть в состоянии невесомости, закон Архимеда не работает. Космонавты с этим явлением знакомы достаточно хорошо. В частности, в невесомости отсутствует явление (естественной) конвекции, поэтому, например, воздушное охлаждение и вентиляция жилых отсеков космических аппаратов производятся принудительно, вентиляторами.

Условие плавания тел

Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести и силы Архимеда , которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:

— тело тонет;

— тело плавает в жидкости или газе;

— тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Другая формулировка (где — плотность тела, — плотность среды, в которую оно погружено):

· — тело тонет;

· — тело плавает в жидкости или газе;

· — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Уравнение Бернулли.

Закон Бернулли является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости: , здесь — плотность жидкости, — скорость потока, — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости, — давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости, — ускорение свободного падения. Константа в правой части обычно называется напором, или полным давлением, а также интегралом Бернулли. Размерность всех слагаемых — единица энергии, приходящейся на единицу объёма жидкости.

Согласно закону Бернулли полное давление в установившемся потоке жидкости остается постоянным вдоль этого потока. Полное давление состоит из весового (ρ gh), статического (p) и динамического давлений.

Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает. Закон Бернулли справедлив в чистом виде только для жидкостей, вязкость которых равна нулю, то есть таких жидкостей, которые не прилипают к поверхности трубы. На самом деле экспериментально установлено, что скорость жидкости на поверхности твердого тела почти всегда в точности равна нулю (кроме случаев отрыва струй при некоторых редких условиях). Закон Бернулли можно применить к истечению идеальной несжимаемой жидкости через малое отверстие в боковой стенке или дне широкого сосуда.

Для сжимаемого идеального газа , (постоянна вдоль линии тока или линии вихря) где — Адиабатическая постоянная газа, p — давление газа в точке, ρ — плотность газа в точке, v — скорость течения газа, g — ускорение свободного падения, h — высота относительно начала координат. При движении в неоднородном поле gh заменяется на потенциал гравитационного поля.