"Физика", Андрюшечкин С.М.
Давление показывает, насколько сильно тело действует на поверхность с учётом площади соприкосновения. Оно помогает объяснить, почему острый нож режет лучше тупого, почему вода давит на стенки сосуда и как работает гидравлический пресс. Для твёрдых тел давление зависит от силы и площади опоры, а в жидкостях и газах оно передаётся во все стороны. Разобравшись в этих закономерностях, легче понять работу насосов и поведение атмосферы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Давление — физическая величина, равная отношению силы давления к площади поверхности, на которую она действует; его обозначают буквой p и измеряют в паскалях. Давление показывает, насколько сильно действие силы сосредоточено на поверхности. Оно помогает сравнивать воздействие тел, даже если силы или площади различны.
Сила давления — сила, с которой тело действует на опору или другую поверхность; её обозначают F. Например, кирпич давит на пол из-за притяжения Земли. Эта сила нужна для расчёта давления, но сама по себе не показывает, насколько сильно нагрузка распределена.
Площадь опоры — площадь поверхности, через которую тело передаёт давление; её обозначают S. Для стоящего кирпича это участок грани, соприкасающийся с полом. Площадь учитывают, потому что одна и та же сила на маленьком участке создаёт большее давление, чем на большом.
Давление жидкости и газа — воздействие их частиц на стенки сосуда и находящиеся внутри тела. Частицы движутся и сталкиваются с поверхностями, поэтому жидкость или газ оказывают давление не только в одном направлении. Это понятие объясняет поведение воды в сосуде и воздуха вокруг нас.
Давление твёрдого тела зависит от силы и площади соприкосновения. Если сильнее прижать тело к опоре, действие на каждый участок поверхности возрастёт. Если ту же силу распределить по большей площади, нагрузка на единицу площади станет меньше, поэтому давление уменьшится.
Чтобы найти давление, силу давления делят на площадь: p = F/S. Например, если сила равна 20 Н и действует на площадь 2 м², давление составит 10 Па. Паскаль выбран единицей потому, что он равен давлению силы в один ньютон на площади в один квадратный метр: 1 Па = 1 Н/м².
Жидкость давит вниз из-за своего веса, но также действует на стенки и погружённые тела. Её частицы могут перемещаться, поэтому передают воздействие в разных направлениях. Чем глубже точка, тем больше жидкости находится над ней и тем сильнее её вес давит на нижние слои; давление растёт также с плотностью жидкости.
Если внешняя сила давит на жидкость или газ, созданное давление передаётся во все стороны без изменения. Это закон Паскаля. В гидравлическом прессе давление от малого поршня передаётся жидкости, а затем действует на большой поршень; при большей площади поршня получается большая сила, поскольку одинаковое давление приходится на большую площадь.
Атмосферное давление создаётся весом воздуха, который притягивается Землёй и давит на поверхности. Его можно обнаружить опытом: если откачать воздух из одной стороны сосуда, внешнее давление прижмёт его части сильнее. Измеряют атмосферное давление барометром; при подъёме вверх слой воздуха над наблюдателем становится меньше, поэтому давление обычно снижается.
Сравнивайте в таблице источник давления и величины, от которых оно зависит. Формула для твёрдого тела связывает силу с площадью, а для жидкости — плотность с глубиной. Такие зависимости помогают понять, как изменить давление или предсказать его проявление.
| Вид давления | Что создаёт давление | Основная зависимость или формула | От чего зависит | Пример проявления |
|---|---|---|---|---|
| Давление твёрдого тела | Сила, с которой тело действует на поверхность | p = F/S | От силы и площади опоры | Кирпич давит на пол |
| Давление жидкости | Вес слоёв жидкости | p = ρgh | От плотности и глубины | Вода давит на дно и стенки |
| Давление газа | Удары движущихся частиц о стенки и тела | Передаётся во все стороны | От состояния газа и внешнего воздействия | Воздух давит на стенки надувного мяча |
| Атмосферное давление | Вес воздуха | Измеряется барометром | В том числе от высоты над Землёй | Изменение показаний барометра при подъёме |
| Способы уменьшения или увеличения давления | Изменение силы или площади опоры | p = F/S | При той же силе большая площадь уменьшает давление; меньшая увеличивает | Широкие лыжи уменьшают давление на снег |
Кирпич массой 3 кг стоит на грани площадью 0,02 м². Определим давление кирпича на опору. Сначала найдём силу давления: неподвижный кирпич действует на опору своей силой тяжести. Для расчёта примем g ≈ 10 Н/кг.
Ответ: давление кирпича на опору равно 1500 Па. Если бы кирпич поставили на грань большей площади, давление при той же массе стало бы меньше. Это следует прямо из формулы p = F/S.
Найдём давление воды на глубине 2 м при плотности 1000 кг/м³. Давление жидкости зависит от плотности, глубины и ускорения свободного падения. Используем формулу p = ρgh и примем g ≈ 10 Н/кг.
Ответ: 20 000 Па. При большей глубине давление было бы больше, потому что над точкой находился бы более высокий столб воды. Форма сосуда в этой формуле не используется.
В гидравлическом прессе на малый поршень площадью 5 см² действует сила 100 Н. Площадь большого поршня равна 200 см². По закону Паскаля давления в жидкости под поршнями одинаковы, поэтому найдём силу на большом поршне.
Ответ: большой поршень создаст силу 4000 Н. Площадь выросла в 40 раз, поэтому при равном давлении сила также стала в 40 раз больше. Пресс не создаёт энергию: большой поршень перемещается на меньшее расстояние.
Силу давления иногда принимают за давление. Их легко различить по единицам: силу измеряют в ньютонах, а давление — в паскалях. Проверьте формулу и размерность: давление получается только при делении силы на площадь.
Ещё одна ошибка — думать, что большая площадь опоры всегда увеличивает давление. При неизменной силе формула p = F/S показывает обратное: большая площадь уменьшает давление. Для самопроверки представьте одну и ту же силу, распределённую по маленькому и большому участкам.
При вычислениях площадь могут оставить в квадратных сантиметрах и подставить в формулу как квадратные метры. Тогда результат в паскалях будет неверным, потому что 1 м² = 10 000 см². Перед расчётом переведите площадь в СИ и проверьте единицы в ответе.
Давление жидкости иногда связывают только с формой сосуда. Однако на одной глубине оно определяется плотностью жидкости и глубиной, а не очертаниями стенок. Сверьте рассуждение с формулой p = ρgh: в ней нет величины, описывающей форму сосуда.
Для изучения давления нужны знания о силе тяжести, массе, плотности и площади поверхности. При решении задач важно помнить, что массу измеряют в килограммах, силу — в ньютонах, а площадь в формулах обычно выражают в квадратных метрах. Эти величины связывают наблюдение с расчётом.
Закон Паскаля и давление жидкости пригодятся при изучении закона Архимеда и плавания тел. Они помогают понять, как жидкость действует на погружённое тело и откуда берётся выталкивающая сила. Те же знания объясняют работу гидравлических машин.
Давление используют для объяснения работы насосов, водопровода и манометров — приборов для измерения давления. Атмосферное давление помогает описывать свойства воздуха и изменения погоды. Значит, тема связывает механические явления с устройством привычных приборов и окружающей среды.
Почему острый нож режет лучше тупого?
У острого ножа площадь соприкосновения лезвия с продуктом меньше. При одинаковой силе давление поэтому больше, и материал легче разрезать.
Почему давление измеряют в паскалях, а силу — в ньютонах?
Сила и давление — разные физические величины. Силу измеряют в ньютонах, а давление показывает силу, приходящуюся на единицу площади, поэтому его единица — ньютон на квадратный метр, или паскаль.
Зависит ли давление жидкости от формы сосуда?
Давление жидкости на одной и той же глубине не зависит от формы сосуда. Оно определяется плотностью жидкости и глубиной: p = ρgh.
Почему атмосферное давление не раздавливает человека?
Воздух давит на тело снаружи, но внутри организма есть жидкости и газы, которые тоже оказывают давление. Оно уравновешивает внешнее воздействие, поэтому тело не сминается.
Как гидравлический пресс позволяет получить большую силу?
Давление, созданное на малом поршне, передаётся жидкости и действует на большой поршень. Если площадь большого поршня больше, то при том же давлении сила на нём тоже больше.
Раздел 5. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов
