§ 20. Как человек использует свойства воздуха

Определения и обозначения

Воздух — смесь газов, окружающая Землю. Он невидим, но занимает место и обладает массой. Это помогает объяснить, почему воздух может мешать воде заполнить сосуд и почему его можно использовать в устройствах.

Сжимаемость воздуха — способность занимать меньший объём при сдавливании. Между частицами газа есть промежутки, поэтому их можно сблизить. Благодаря этому насос может накапливать воздух в шине или другом замкнутом пространстве.

Упругость воздуха — способность сжатого воздуха расширяться и возвращаться к большему объёму. Частицы после сближения стремятся раздвинуться. Поэтому воздух может распрямлять резину шины и перемещать детали механизмов.

Давление воздуха — действие воздуха на окружающие предметы и поверхности. Оно возникает из-за ударов движущихся частиц о стенки сосуда. Знание этого свойства нужно, чтобы понять работу насоса, шины и пневматического устройства.

Как это устроено

Воздух занимает место, потому что его частицы находятся в некотором объёме и не исчезают при соприкосновении с предметом. Если перевёрнутый стакан погружать в воду, воздух внутри не даёт воде войти. Вода заполнит стакан только тогда, когда воздух выйдет наружу в виде пузырьков.

Воздух можно сжать, потому что частицы газа разделены промежутками. При нажатии на поршень частицы сближаются, и газ занимает меньший объём. Когда сдавливание прекращается, частицы движутся в стороны и стремятся снова занять больше места, поэтому сжатый воздух расширяется.

Давление возникает потому, что частицы воздуха постоянно движутся и ударяются о стенки сосуда. Каждый отдельный удар очень слаб, но множество ударов создаёт заметное действие. В сжатом воздухе частиц в том же объёме больше или промежутки между ними меньше, поэтому удары происходят чаще и давление увеличивается.

Люди используют сжатый воздух в шинах, насосах и пневматических устройствах. В насосе поршень уменьшает объём воздуха и проталкивает его в шину. Воздух давит на стенки шины изнутри, передаёт это давление и может перемещать рабочие детали пневматических механизмов.

При нагревании частицы воздуха движутся быстрее, и газ расширяется. Поэтому одинаковый объём тёплого воздуха содержит меньше массы, чем такой же объём холодного воздуха, и оказывается легче. В воздушном шаре нагретый воздух поднимается, если шар вместе с оболочкой легче вытесненного им окружающего воздуха.

Свойства воздуха и их применение

В таблице сначала указано свойство, затем его проявление и пример применения. По строке можно проследить связь между наблюдением и устройством, которое использует это свойство.

Разбор задач

Стакан и вода

Условие. Объясните, почему перевёрнутый стакан с воздухом не наполняется водой при погружении в таз. Нужно определить, что занимает внутренний объём стакана и что произойдёт при выходе воздуха.

1. Внутри перевёрнутого стакана находится воздух.
2. При погружении стакана вода давит снизу, но не может занять тот же объём одновременно с воздухом.
3. Пока воздух заперт, вода остаётся снаружи; если наклонить стакан, воздух выйдет пузырьками, и его место займёт вода.

Ответ. Вода не наполняет стакан, потому что его внутреннее пространство уже занято воздухом. После выхода воздуха вода может войти внутрь.

Насос и велосипедная шина

Условие. В насосе воздух сжали и направили в велосипедную шину. Объясните, почему шина становится упругой. Нужно связать действие насоса с давлением воздуха внутри шины.

1. Поршень насоса уменьшает объём воздуха, поэтому частицы сближаются.
2. Клапан пропускает сжатый воздух в шину, где он начинает давить на её внутренние стенки.
3. Резиновая оболочка натягивается, а воздух стремится расшириться и возвращает шине форму после нажатия.

Ответ. Шина становится упругой из-за давления сжатого воздуха на её стенки. Чем лучше она накачана, тем сильнее воздух сопротивляется её сдавливанию.

Воздушный шар

Условие. Объясните, почему воздушный шар с нагретым воздухом поднимается, а при остывании опускается. Сравнивать нужно равные объёмы тёплого и окружающего воздуха.

1. При нагревании воздух расширяется, поэтому в оболочке заданного объёма его масса становится меньше.
2. Шар вытесняет такой же объём окружающего холодного воздуха, который тяжелее находящегося внутри тёплого воздуха.
3. Разность масс создаёт подъём, но при остывании воздух становится плотнее и преимущество уменьшается.

Ответ. Нагретый воздух делает шар легче окружающего воздуха того же объёма, поэтому шар поднимается. Когда воздух остывает, шар опускается.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что воздух ничего не весит. Так думают, потому что он невидим и его масса обычно не ощущается; проверить себя можно, сравнив массу пустого и накачанного мяча.

Ошибка: смешивать сжимаемость и упругость. Сжимаемость означает возможность уменьшить объём, а упругость — стремление после этого расшириться; полезно разделять эти два действия по времени.

Ошибка: думать, что давление создаёт только сжатый воздух. На самом деле частицы обычного воздуха тоже ударяются о поверхности, просто давление может быть меньше; это проверяется опытом с перевёрнутым стаканом.

Ошибка: объяснять подъём шара тем, что тёплый воздух «легче сам по себе». Сравнивать нужно равные объёмы тёплого и холодного воздуха: после нагревания в таком объёме содержится меньшая масса воздуха.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что воздух — газ, который занимает пространство и состоит из частиц. Это представление помогает объяснить его сжимаемость и давление без наблюдения самих частиц.

Понимание давления и сжимаемости пригодится при изучении погоды, работы насосов и пневматических устройств. Одни и те же свойства проявляются и в простом опыте, и в сложной технике.

Представление о нагревании воздуха помогает объяснить образование ветра и работу воздушных шаров. В обоих случаях важно, что тёплый воздух расширяется и отличается по плотности от холодного.

Что запомнить

• Воздух занимает место и обладает массой.
• Воздух можно сжать.
• Сжатый воздух стремится расшириться и давит на окружающие предметы.
• Чем сильнее сжат воздух, тем больше его давление.
• При нагревании воздух расширяется.
• Нагретый воздух поднимается, если он легче окружающего воздуха.