"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Давление показывает, насколько сильно тело действует на поверхность, и зависит не только от силы, но и от площади опоры. При одинаковой силе малая площадь создаёт большее давление, а большая — меньшее. Поэтому острые инструменты легко режут и прокалывают, а лыжи, гусеницы и широкие фундаменты не дают проваливаться в мягкий грунт. Давление встречается в природе, организме человека и технических устройствах.
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 опоры: p = F/S. Буквой p обозначают давление, F — силу давления, а S — площадь соприкосновения. Формула нужна, чтобы вычислять давление и понимать, как его изменить.
Сила давления — сила, с которой тело действует на поверхность. Если тело спокойно стоит на горизонтальном полу, сила давления обычно равна его весу: F = mg, где m — масса, а g — ускорение свободного падения. Зная эту силу, можно определить давление тела на опору.
Паскаль — единица давления в Международной системе единиц, обозначается Па. 1 Па — это давление силы 1 Н, действующей на площадь 1 м²: 1 Па = 1 Н/м². Эта единица позволяет сравнивать давление в разных задачах и измерениях.
Атмосферное давление — давление воздуха на поверхность Земли и находящиеся на ней тела. Воздух имеет массу, поэтому его столб действует на поверхность своим весом. С высотой атмосферное давление обычно уменьшается, потому что над телом остаётся меньший столб воздуха.
При одной и той же силе давление зависит от площади опоры: p = F/S. Если площадь уменьшить, одна и та же сила распределяется по меньшему участку поверхности, поэтому давление возрастает. Если площадь увеличить, действие силы распределяется шире и давление уменьшается.
Человек и животные используют это правило при движении по снегу, песку и болотистой почве. Лыжи, снегоступы и широкие лапы увеличивают площадь опоры, поэтому поверхность испытывает меньшее давление и не так легко разрушается. На твёрдом грунте, наоборот, большая площадь не нужна для предотвращения проваливания.
Острые инструменты создают большое давление, потому что их рабочая часть касается материала очень малой площадью. При том же усилии давление на эту площадь получается большим, и материал легче разрезать, проколоть или расколоть. Поэтому иглу заостряют, нож затачивают, а гвоздь делают с острым концом.
В строительстве и технике давление на грунт уменьшают увеличением площади опоры. Широкий фундамент распределяет вес здания, опорная плита не даёт тяжёлой конструкции глубоко вдавливаться, а гусеницы и большие колёса позволяют машинам двигаться по мягкой поверхности. Причина во всех случаях одна: при близкой силе большая площадь даёт меньшее давление.
Давление действует не только в простых опытах с твёрдыми телами. Воздух создаёт атмосферное давление, вода давит на стенки и дно сосудов, кровь — на стенки кровеносных сосудов, а корни растений давят на частицы почвы, прокладывая путь. В технике давление жидкости используют, например, в гидравлическом прессе для получения большой силы.
| Ситуация | Как изменяют площадь опоры | Как изменяется давление | Примеры |
|---|---|---|---|
| Передвижение по снегу, песку и болоту | Увеличивают площадь опоры | Уменьшают давление | Лыжи, снегоступы, широкие гусеницы |
| Резание, прокалывание и вбивание | Уменьшают площадь соприкосновения | Увеличивают давление | Нож, игла, гвоздь, лезвие |
| Строительство и опора тяжёлых сооружений | Увеличивают площадь основания | Уменьшают давление на грунт | Фундамент, опорная плита |
| Движение транспорта по мягкому грунту | Увеличивают площадь контакта с поверхностью | Уменьшают давление | Гусеницы, широкие шины |
| Действие воздуха и воды в природе | Площадь и сила определяются условиями среды | Давление объясняет наблюдаемое действие среды | Атмосферное давление, давление воды, кровяное давление |
Сначала определите, требуется ли увеличить или уменьшить давление. Затем выясните, что можно изменить: силу, площадь опоры или площадь соприкосновения. В большинстве бытовых примеров силу оставляют почти той же, поэтому используют изменение площади.
Человек массой 60 кг стоит на двух подошвах общей площадью 0,04 м². Нужно найти давление на пол при g = 10 Н/кг. В спокойном состоянии сила давления равна весу человека.
Ответ: давление человека на пол равно 15 000 Па, или 15 кПа. В расчёте использована площадь обеих подошв, потому что именно они соприкасаются с полом.
Лыжник и человек в обычной обуви имеют одинаковую массу, значит, действуют на снег примерно с одинаковой силой. Площадь лыж в несколько раз больше площади подошв. Нужно сравнить давления, не подставляя конкретные числа.
Ответ: лыжник оказывает на снег меньшее давление, во столько раз, во сколько площадь лыж больше площади подошв. Поэтому лыжи уменьшают проваливание.
Площадь малого поршня равна 5 см², большого — 200 см², а на малый поршень действует сила 100 Н. Требуется найти силу на большом поршне. Давление жидкости под поршнями в идеальном случае одинаково.
Ответ: на большом поршне возникает сила 4000 Н. Единицы площади можно не переводить в квадратные метры, потому что в отношении площадей используются одинаковые единицы.
Путают силу давления и давление: сила измеряется в ньютонах, давление — в паскалях. Такая ошибка возникает из-за похожих названий величин. Проверьте себя: в формуле p = F/S сила стоит в числителе, а единица результата должна быть Н/м².
В формулу подставляют площадь всей поверхности тела, хотя нужна площадь фактической опоры. Например, для человека стоя берут площадь подошв, а не площадь его одежды или тела. Проверьте, какие именно участки соприкасаются с поверхностью.
Иногда считают, что большая площадь всегда увеличивает давление. При неизменной силе происходит наоборот: из формулы p = F/S видно, что увеличение знаменателя уменьшает результат. Проверьте рассуждение на простом примере: широкие лыжи должны давить на снег слабее узких подошв.
Не переводят площадь из см² в м², когда остальные величины записаны в единицах СИ. При переводе 1 см² = 0,0001 м², поэтому 5 см² = 0,0005 м². Перед вычислением проверьте, что сила выражена в ньютонах, площадь — в м², а ответ получится в паскалях.
До изучения давления нужны знания о силе, весе тела, площади поверхности и единицах СИ. Особенно полезно помнить формулу веса F = mg и уметь вычислять площадь опоры.
Дальше понятие давления поможет изучать давление жидкостей и газов, атмосферное давление и работу гидравлических машин. Формула p = F/S станет основой для объяснения действия поршней и сообщающихся сред.
В жизни тема помогает понять устройство ножей, игл, транспорта и фундаментов. Она также объясняет, как безопаснее передвигаться по снегу, песку и болотистой почве.
Почему лыжи не позволяют человеку проваливаться в снег?
Лыжи увеличивают площадь опоры по сравнению с подошвами обуви. При той же силе тяжести давление на снег становится меньше, поэтому лыжник меньше проваливается.
Почему лезвие ножа затачивают?
У острого лезвия площадь соприкосновения с продуктом мала. Поэтому при той же силе нажима возникает большее давление, и материал легче разрезать.
Почему фундамент делают шире стен?
Широкий фундамент увеличивает площадь опоры здания на грунт. Давление уменьшается, поэтому грунт меньше сминается и сооружение устойчивее.
Чем давление отличается от силы давления?
Сила давления — это сила, с которой тело действует на поверхность, и измеряется она в ньютонах. Давление равно этой силе, делённой на площадь опоры, и измеряется в паскалях.
Как работает гидравлический пресс?
Давление, создаваемое малым поршнем, передаётся жидкости и действует на большой поршень. Если площадь большого поршня больше, то на нём возникает пропорционально большая сила.
§ 33. Давление в природе и технике
