"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Манометр — прибор, который помогает измерить давление газа или жидкости. Жидкостный манометр сравнивает давление по разности уровней жидкости в трубках, а металлический — по деформации упругой детали. Если одно колено жидкостного прибора открыто в атмосферу, он показывает, насколько давление в сосуде отличается от атмосферного. Для расчётов используют плотность жидкости и высоту столбов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Манометр — прибор для измерения давления газа или жидкости. Он помогает узнать, насколько сильно газ или жидкость действуют на стенки сосуда. Вид прибора выбирают с учётом того, где и какое давление нужно измерить.
Жидкостный манометр — манометр, в котором давление определяют по разности уровней жидкости в сообщающихся трубках. Обычно трубка имеет форму буквы U и заполнена рабочей жидкостью. Высоту уровней можно измерить линейкой и использовать для расчёта давления.
Избыточное давление — давление, превышающее атмосферное; именно его обычно показывает манометр. Оно показывает, насколько давление внутри сосуда больше давления окружающего воздуха. Поэтому показание такого прибора не следует путать с полным, или абсолютным, давлением газа.
Металлический манометр — прибор, в котором давление определяют по деформации упругой металлической трубки или мембраны. Упругая деталь меняет форму под действием давления, а механизм передаёт её движение стрелке. Такой способ позволяет получить показание на шкале без наблюдения за столбами жидкости.
Жидкостный манометр состоит из U-образной трубки с жидкостью, например водой или ртутью. Когда на оба её колена действует одинаковое давление, уровни находятся на одной высоте: жидкость не получает причины двигаться в какую-либо сторону. Если к одному колену присоединить сосуд с газом, а второе оставить открытым, давления на поверхности жидкости могут различаться. Тогда жидкость смещается, пока действие давлений и вес столбов не уравновесятся.
Разность уровней показывает разность давлений, потому что давление жидкости на глубине зависит от высоты столба над этой точкой. В нижней части U-образной трубки давления с обеих сторон уравновешиваются. Если с одной стороны столб выше, его жидкость сильнее давит вниз; для равновесия давление на поверхности с другой стороны должно быть больше. Поэтому измеренная высота связана именно с разностью давлений, а не просто с высотой одного столба.
Связь давления с высотой столба записывают формулой p = ρgh, а для сравнения двух сторон — Δp = ρgh. Здесь ρ — плотность рабочей жидкости, g — ускорение свободного падения, h — разность уровней в метрах. Чем выше столб и чем плотнее жидкость, тем больше создаваемое им давление. Чтобы найти высоту, формулу преобразуют: h = Δp/(ρg); чтобы найти разность давлений, подставляют известные ρ, g и h.
Если одно колено соединено с сосудом, а другое открыто в воздух, на открытый уровень действует атмосферное давление. Жидкость сравнивает давление газа с атмосферным, поэтому прибор показывает их разность — избыточное давление, если давление газа выше атмосферного. Если газ давит слабее, разность будет направлена в обратную сторону. Так прибор позволяет определить, насколько давление в сосуде отличается от окружающего воздуха, не измеряя атмосферное давление отдельно.
В металлическом манометре давление воздействует на упругую трубку или мембрану и немного меняет её форму. Деталь стремится вернуть прежнее положение, а связанный с ней механизм перемещает стрелку по шкале. Чем больше давление, тем заметнее деформация и отклонение стрелки; шкалу заранее размечают, чтобы это отклонение соответствовало давлению. Такой прибор компактен и удобен в технике, где показания нужно быстро считывать, например в газовых системах и установках.
| Свойство | Жидкостный манометр | Металлический манометр |
|---|---|---|
| Основной принцип действия | Измерение разности уровней жидкости | Измерение деформации упругого элемента |
| Основные части | U-образная трубка и рабочая жидкость | Упругая трубка или мембрана, стрелка и шкала |
| Что показывает результат измерения | Разность давлений, связанная с высотой столбов жидкости | Давление по отклонению стрелки |
| Преимущества | Простота и наглядность измерения | Компактность и удобство применения |
| Область применения | Учебные опыты и измерение небольших давлений | Техника, приборы и производственные установки |
Сравнивайте приборы по строкам: так видно, как различаются их устройство, способ измерения и применение. Жидкостный манометр особенно нагляден, потому что результат связан с измеряемой высотой. Металлический удобнее там, где нужен компактный прибор со шкалой.
В первых двух задачах важно определить, что именно требуется найти: разность давлений или избыточное давление. В обоих случаях используем Δp = ρgh, но подставляем плотность конкретной жидкости и высоту в метрах. В третьей задаче формулу преобразуем, чтобы сначала найти высоту столба.
Условие: манометр заполнен водой, разность уровней равна 12 см. Требуется найти разность давлений. Плотность воды принимаем равной 1000 кг/м³, ускорение свободного падения — 10 Н/кг.
Ответ: разность давлений равна 1200 Па, или 1,2 кПа. Умножение плотности на g и высоту даёт паскали, поэтому результат выражен в единицах давления.
Условие: одно колено манометра соединено с сосудом, другое открыто в атмосферу; разность уровней ртути равна 5 см. Газ в сосуде давит сильнее атмосферного, если уровень ртути со стороны сосуда ниже. Плотность ртути принимаем равной 13 600 кг/м³.
Ответ: избыточное давление газа равно 6800 Па, или 6,8 кПа. Если по условию непонятно, какое давление больше, сначала нужно посмотреть, в каком колене уровень опустился: со стороны большего давления он ниже.
Условие: давление газа на 2,4 кПа больше атмосферного, то есть Δp = 2400 Па. Найдём, какую разность уровней дадут вода и ртуть при одинаковом перепаде давления. Используем h = Δp/(ρg), ρ воды = 1000 кг/м³, ρ ртути = 13 600 кг/м³, g = 10 Н/кг.
Ответ: разность уровней воды — 24 см, ртути — примерно 1,76 см. При равной разности давлений произведение ρh остаётся одинаковым, поэтому более плотной жидкости требуется меньшая высота.
Подставлять в формулу высоту только одного столба неверно: манометр показывает перепад между уровнями в двух коленах. Так ошибаются, если отсчитывают высоту от дна трубки, не сравнивая поверхности жидкости. Перед расчётом отметьте оба уровня и найдите вертикальное расстояние между ними.
Показание открытого жидкостного манометра принимают за абсолютное давление, хотя прибор сравнивает давление газа с атмосферным. Путаница возникает из-за того, что прибор называют измерителем давления, не уточняя способ отсчёта. Проверьте подключение: если одно колено открыто, результат формулы Δp = ρgh — разность давлений, а не давление газа с учётом атмосферы.
Ещё две частые ошибки — использовать плотность не той жидкости и оставить высоту в сантиметрах. Они появляются, когда при вычислении смотрят только на число в условии и пропускают единицы или состав прибора. Перед подстановкой запишите плотность именно рабочей жидкости, переведите высоту в метры и проверьте, что ответ получился в паскалях.
Иногда считают, что жидкость поднимается со стороны большего давления. На деле большее давление опускает уровень в своём колене и поднимает его в другом; это следствие действия давления на поверхность жидкости. Проверьте направление по наблюдаемому смещению: где уровень ниже, там давление больше.
Чтобы разбираться в манометрах, нужно знать, что такое давление и атмосферное давление, уметь пользоваться единицами Па и кПа, понимать смысл плотности и применять формулу p = ρgh. Эти знания связывают свойства жидкости с измерением давления газа. Навык пригодится при изучении гидравлических машин, газовых систем и других измерительных приборов, а также при практических измерениях давления в сосудах и установках.
Что именно показывает манометр: давление газа или разность давлений?
Это зависит от устройства прибора и способа подключения. Жидкостный манометр сравнивает давления, действующие на поверхности жидкости; если одно колено открыто, прибор показывает разность между давлением газа и атмосферным. Металлический манометр обычно показывает давление относительно атмосферного.
Почему уровни жидкости в коленах манометра оказываются разными?
На жидкость в коленах действуют давления газа и воздуха. Если они различаются, жидкость перемещается: в одном колене уровень опускается, в другом поднимается. Перемещение прекращается, когда давления уравновешивают друг друга.
Как понять, с какой стороны давление больше?
Жидкость опускается со стороны большего давления и поднимается со стороны меньшего. Поэтому сравните уровни: там, где уровень ниже, давление на жидкость больше.
Почему в манометрах используют ртуть, воду или другую жидкость?
Жидкость создаёт столбы, высоту которых можно измерить и связать с давлением. Для одного и того же перепада давления плотная жидкость даёт меньшую разность уровней, поэтому ртуть позволяет сделать прибор компактнее. В учебных опытах часто используют воду, поскольку с ней проще и безопаснее работать.
Чем жидкостный манометр отличается от металлического?
Жидкостный манометр определяет разность давлений по разности уровней жидкости в трубках. Металлический реагирует на давление деформацией упругой трубки или мембраны, а стрелка показывает результат на шкале. Такой прибор удобнее переносить и применять в технике.
§ 43. Манометры
