R18cYNPbZ0I901

Zdjęcie przedstawiające butelkę wypełnioną wodą, przedziurawioną w trzech miejscach. Strumienie wypływającej wody posiadają różne ciśnienie w zależności od wysokości słupa wody w butelce.

1. Co to jest ciśnienie

Każdy turysta, który wędrował zimą po głębokim, grząskim śniegu, wie, ile wysiłku kosztuje wykonanie choćby jednego kroku w takich warunkach. Doświadczony wędrowiec jest jednak do takich warunków odpowiednio przygotowany. Jego standardowym wyposażeniem są narty albo rakiety śnieżne.

R1CJeu6gLx6681

Zdjęcie przedstawia rakiety śnieżne. Na zdjęciu widać tylko kolana i stopy demonstratora. Demonstrator na zdjęciu ma założone rakiety śnieżne na swoje buty. Spodnie i buty czarne. Demonstrator stoi na śniegu. Rakiety są płaskie, większe niż podeszwy butów demonstratora. Rakiety są ciemnoszare, obramowanie niebieskie. Przód rakiety delikatnie uniesiony, szerszy niż tył.

Dlaczego zapadasz się w śniegu, kiedy mamy na nogach zwykłe buty, a gdy założymy narty, to ten problem znika? Czym różnią się oba przypadki? Główna różnica to wielkość powierzchni, na którą działa ciężar naszego ciała. Powierzchnia nart jest około 6 razy większa niż powierzchnia podeszew naszych butów. Podobny efekt zaobserwujemy, gdy latem panie mające na nogach szpilki idą po rozgrzanym asfaltowym chodniku. Po obcasach zostają w asfalcie bardzo głębokie ślady.

Ten sam efekt obserwujemy, kiedy chodzimy po śniegu – im większa jest powierzchnia naszego obuwia (rozszerzona do powierzchni nart lub rakiet śnieżnych), tym płycej się w nim zapadamy.
Powierzchnia szpilek, obcasu w ulubionym obuwiu wielu pań, jest bardzo mała, dlatego ciśnienie wywierane przez te wysokie obcasy o małej powierzchni powoduje, że wgniatają się one głęboko nawet w asfalt nieco rozmiękły na słońcu, a co dopiero mówić o zagłębianiu się w śniegu.

Siłę, która nie jest przyłożona punktowo, lecz działa na pewną powierzchnię, nazywamy siłą nacisku lub parciemParcieparciem.
Wielkość fizyczną, która informuje nas o tym, jak duża siła nacisku działa na jednostkę powierzchni, nazywamy ciśnieniemCiśnienieciśnieniem.
Ciśnienie oznaczamy małą literą p.
W celu obliczenia ciśnienia należy siłę nacisku F (parcie) podzielić przez pole powierzchni S, na które ta siła działa.

Jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskalPascal (Pa)paskal (Pa).

1 paskal to ciśnienie wywołane przez siłę o wartości 1 niutona działającą na powierzchnię 1 mIndeks górny 2². Nie jest to duża wielkość – w przybliżeniu odpowiada ona ciśnieniu, jakie wywiera 100 g wody równomiernie rozprowadzonej na powierzchni 1 mIndeks górny 2². W praktyce korzystamy z wielokrotności tej jednostki. Jedną z nich, dobrze znaną z prognoz pogody, jest hektopaskal.

1 hPa = 100 Pa.

2. Co to jest ciśnienie hydrostatyczne?

W 1960 roku znany badacz głębin morskich Jacques Piccard i sierżant amerykańskiej marynarki wojennej Don Walsh osiągnęli na pokładzie batyskafu Trieste dno Rowu Mariańskiego – najgłębiej położonego miejsca na kuli ziemskiej, znajdującego się ok. 11 km poniżej poziomu morza.

R1eVUl9qkBXK51

Zdjęcie przedstawia statek podwodny - batyskaf Treist II na lądzie. Batyskaf jasnoszary. Na boku znajduje się osiem pionowych, czarnych linii. W tle drzewa iglaste. Niebo zachmurzone.

Na głębokości niemal 11 000 m ciężar wywierany przez masy wody na powierzchnię batyskafu powoduje niezwykle wysoką wartość ciśnienia – 1000 razy większą niż ciśnienie atmosferyczne. Zwykły okręt podwodny w takich warunkach zostałby całkowicie zgnieciony.

Dział fizyki, który zajmuje się badaniem właściwości cieczy znajdujących się w spoczynku, nazywa sięhydrostatykąHydrostatykahydrostatyką.

Spróbuj ustalić, jakie wielkości fizyczne wpływają na ciśnienie hydrostatyczne.

Doświadczenie 1

Problem badawczy

Czy istnieje zależność między ciśnieniem hydrostatycznym wywieranym przez ciecz a wysokością słupa cieczy?

Hipoteza

Ciśnienie hydrostatyczne rośnie wraz ze wzrostem wysokości słupka cieczy.

Co będzie potrzebne

• półtoralitrowa plastikowa butelka po napoju;

• miednica;

• igła;

• woda.

Instrukcja

1. W butelce zrób kilka otworów (cztery lub pięć) jeden nad drugim . Zachowaj między nimi równe odstępy.

2. Postaw butelkę w miednicy na wysokiej podstawce.

3. Napełnij butelkę wodą.

Podsumowanie

Zasięg strumienia wody wypływającego przez otwór znajdujący się najbliżej dna butelki jest największy, a strumienia wypływającego przez najwyższy otwór – najmniejszy. Oznacza to, że ciśnienie na dnie naczynia jest znacznie większe od ciśnienia wody w pobliżu jej powierzchni.

Demonstracja

R18cYNPbZ0I901

Zdjęcie przedstawiające butelkę wypełnioną wodą, przedziurawioną w trzech miejscach. Strumienie wypływającej wody posiadają różne ciśnienie w zależności od wysokości słupa wody w butelce.

Gdy batyskaf Piccarda opuszczał się na dno Rowu Mariańskiego, musiał stawić czoła niezwykłemu wyzwaniu, ponieważ każdemu metrowi przebytemu w głąb oceanu towarzyszył wzrost ciśnienia hydrostatycznego, wynoszący 10000 Pa!

Wpływ gęstości cieczy na ciśnienie, które ona wywiera

Doświadczenie 2

Problem badawczy

Czy ciśnienie hydrostatyczne zależy od gęstości cieczy?

Hipoteza

Wzrost gęstości cieczy powoduje wzrost ciśnienia hydrostatycznego.

Co będzie potrzebne

• trzy jednakowe, małe plastikowe butelki po napojach;

• trzy baloniki;

• trzy gumki recepturki;

• nożyczki;

• trzy statywy laboratoryjne;

• woda;

• denaturat;

• olej.

Instrukcja

1. Odetnij nożyczkami dna butelek.

2. Z baloników wytnij trzy membrany.

3. Na każdą z butelek załóż membranę (zamiast zakrętki).

4. Każdą membranę uszczelnij na krawędzi butelki gumką recepturką.

5. Umieść butelki na statywach.

6. Do każdej z nich nalej taką samą objętość różnych cieczy: do pierwszej – wodę, do drugiej – denaturat, a do trzeciej – olej.

Podsumowanie

Woda, olej i denaturat mają różne gęstości. Możesz sprawdzić to w odpowiednich tablicach fizycznych. Po odkształceniu membran można sądzić, że największe parcie wywierane jest przez ciecz o największej gęstości (w naszym doświadczeniu jest to woda), a najmniejsze – przez ciecz o najmniejszej gęstości (czyli denaturat). Wszystkie membrany miały taką samą powierzchnię. Jeśli więc skorzystamy z definicji ciśnienia, dojdziemy do wniosku, że największe ciśnienie wytworzyła ciecz o największej gęstości – woda. Następny będzie olej, a ostatni – denaturat, ponieważ jego gęstość jest najmniejsza. Doświadczenie wykazało, że ciśnienie cieczy zależy nie tylko od wysokości jej słupa, lecz także od rodzaju cieczy, a dokładniej od jej gęstości.

Demonstracja

R9sBaS6TkGCuH1

Zdjęcie trzech takich samych butelek, odwróconych do góry dnem. Dna odcięte. Butelki wypełnione trzema różnymi cieczami – wodą, olejem, denaturatem. Na szyjkach butelek założone membrany z baloników. Widać trzy wypełnione butelki, membrana z butelką z wodą ma najbardziej wybrzuszoną membranę, potem mniejsze wybrzuszenie z butelką z olejem i najmniejsze w przypadku butelki z denaturatem.

RnSCu4iOpVOO61

Ilustracja przedstawia rybę głębinową. Tło czarne. Ryba brązowo-szara. Głowa kilkukrotnie większa od ogona. Duży aparat gębowy, szczęki rozwarte. Płetwy piersiowe i brzuszne - krótkie. Nieregularna płetwa grzbietowa.

Ryby te żyją na głębokościach większych niż 5000 m, a działa na nie ciśnienie przekraczające 500 000 hPa.

3. Jak obliczyć ciśnienie hydrostatyczne?

Jak pamiętasz z początku lekcji:

ciśnienie = siła nacisku (parcie) / pole powierzchni, czyli

$p=\frac{F}{S}$
Siła nacisku jest równa ciężarowi cieczy znajdującej się nad powierzchnią S. Wzór na ciężar (nie tylko cieczy) to

$Q=m·g$

Z tego wynika, że:

$Q=V·d·g$

oraz że

$Q=S·h·d·g$

Jeśli pamiętasz definicję ciśnienia i to, że siła nacisku F jest równa ciężarowi Q, z łatwością wywnioskujesz, że ciśnienie hydrostatyczne zależy zarówno od wysokości słupa cieczy, jak i od jej gęstości. Będziesz je obliczać za pomocą wzoru

$p=d·g·h$

gdzie:

p [Pa] – ciśnienie cieczy;
d $\left[\frac{\mathrm{kg}}{{\mathrm{m}}^3}\right]$ – gęstość cieczy;
g $\left[\frac{m}{{\mathrm{s}}^2}\right]$ – przyspieszenie ziemskie;
h [m] – wysokość słupa cieczy.

4. Co to jest ciśnienie atmosferyczne?

Ciśnienie atmosferyczne działające na powierzchnię naszych ciał nie jest wcale małe, jednak dzięki ewolucji wszystkie organizmy na Ziemi, w tym człowiek, dostosowały się do życia w takich warunkach.

Im bliżej powierzchni Ziemi, tym wyższe jest ciśnienie atmosferyczne, i odwrotnie – na szczytach górskich jest ono niższe niż w dolinach. Wraz ze wzrostem wysokości o jeden metr, licząc od poziomu morza, ciśnienie atmosferyczne maleje o ok. 0,13 hPa.

Ciekawostka

W przewidywaniu pogody ważna jest znajomość rozkładu ciśnienia atmosferycznego.
Wyż baryczny, antycyklon (z gr. anti – przeciw; kyklos – krąg, obrót) – w meteorologii jeden z układów barycznych; obszar wysokiego ciśnienia atmosferycznego, w którym najwyższe ciśnienie panuje w centrum układu, a prądy powietrza skierowane są na zewnątrz – ku obszarom o niższym ciśnieniu. Ruch wirowy mas powietrza w antycyklonie odbywa się na półkuli północnej zgodnie z ruchami wskazówek zegara.
Niż baryczny, cyklon – jeden z układów barycznych; system niżowy, w którym występują zazwyczaj układy frontalne. Jest zjawiskiem pogodowym, a nie po prostu obszarem niskiego ciśnienia.

R15ztuMtl4MnC1

Ilustracja przedstawia mapę Polski z rozkładem ciśnienia atmosferycznego. Na mapie zaznaczono większe miasta Polski. Izobary oznaczono wartościami od 990 hPa do 1010 hPa. Skala fioletowo-beżowa. Im niższa wartość, tym pole bardziej fioletowe. Im wyższa wartość, tym pole jaśniejsze, beżowe. Na mapie Polski dominuje kolor fioletowy. Południowo-wschodniej części kraju beżowa. Obok Rzeszowa widnieje duża litera „W”. Najciemniejsze rejony to północ i południowy zachód. Pomiędzy Zieloną Górą a Wrocławiem widnieje duża litera „N”.

Ciekawostka

Powyżej 3000 m nad poziomem morza mogą pojawić się pierwsze kłopoty z oddychaniem. Na takiej wysokości gęstość atmosfery jest na tyle mała, że ilość tlenu zawarta w rozrzedzonym powietrzu może stać się niewystarczająca do swobodnego oddychania. Do wysokości około 6 km skupiona jest prawie połowa całkowitej masy atmosfery ziemskiej.

R1L6hNUNkQNWf1

Ilustracja przedstawia rozkład gęstości powietrza w atmosferze ziemskiej. Rozkład w formie wykresu. Na skali pionowej, po lewej stronie oznaczono wysokość w kilometrach. Od 0 km do 50 km (0, 10, 20, 30, 40, 50). Tło wykresu niebieskie. Po środku, przed linią oznaczającą 10 km, narysowano dwa, szare szczyty gór. Pierwszy, niewielki, to „Rysy”,. Drugi, sięgający prawie 10 km, to „Mount Everest”. Na linii 10 km narysowano także samolot pasażerski. Po prawej stronie znajdują się opisy. Pomiędzy 0 km a 10 km: „50% masy atmosfery”. Pomiędzy 10 km a 20 km: „90% masy atmosfery”. Pomiędzy 40 km a 50 km: „99% masy atmosfery”.

Obszary niżowe charakteryzują się ruchem powietrza od dołu do góry. Na miejsce powietrza, które powędrowało do góry, napływa strumień powietrza z obszarów wyżowych.
Pionowe ruchy powietrza powodują powstawanie chmur i opadów atmosferycznych, natomiast jego ruchy poziome nazywamywiatremWiatrwiatrem.
Francuski fizyk Jean de Bard stwierdził, że istnieje zależność między różnicą ciśnień powietrza a prędkością wiatrów.

5. Pomiary ciśnienia

Jednym z pierwszych przyrządów, który posłużył do pomiaru ciśnienia atmosferycznego, był barometr rtęciowy skonstruowany przez Evangelistę TorricellegoTorricelli EvangelistaEvangelistę Torricellego i jego ucznia Vincenza Vivianiego.

Z barometrem rtęciowym związana jest pierwsza historyczna jednostka ciśnienia –atmosferaJedna atmosferaatmosfera.

Dopóki w Polsce nie został wprowadzony układ SIUkład jednostek SIukład SI, ciśnienie podawano w atmosferach (oznaczanych jako „atm”) lub w milimetrach słupa rtęci (mm Hg). Obecnie jednostką ciśnienia jest paskal (Pa).
Jaka jest zależność miedzy tymi jednostkami ciśnienia?

1 atm = 760 mm Hg = 1013,25 hPa = 101 325 Pa

Wielkość ciśnienia atmosferycznego nie jest stała i może zmieniać się z godziny na godzinę. Ciśnienie, które w przybliżeniu odpowiada wartości ciśnienia atmosferycznego panującego na poziomie morza, nazywamyciśnieniem normalnymCiśnienie normalneciśnieniem normalnym i przyjmujemy, że odpowiada mu wartość 1 atm, czyli 1013,25 hPa.

Pomiar ciśnienia dokonany przez Torricellego wzbudził ogromne zainteresowanie w całej ówczesnej Europie.

Barometr rtęciowy został udoskonalony przez angielskiego fizyka Roberta Hooke’a (1635–1703). Do barometru Torricellego i Vivianiego Hooke dodał podziałkę, która pozwalała na odczytywanie poziomu słupa rtęci. W tej postaci barometr przetrwał do dziś.

Barometry mechaniczne, aneroidy, są dzisiaj najczęściej stosowanymi miernikami ciśnienia atmosferycznego.

Rl66goP22Ebfx1

Ilustracja przedstawia schemat budowy aneroidu. Tło białe. Urządzenie jasnoszare, ma kształt walca. Średnica dłuższa niż wysokość. Na górze białą tarcza z czarną skalą. Nie wszystkie wartości są czytelna. Można odczytać tylko wybrane, np. „1020”, „1030”. Na tarczy umieszczono dwie wskazówki. Jedna długa, nieco krótsza od średnicy. Ciemnobrązowa. Opisana jako „wskazówka pomiarowa”. Druga krótka, krótsza od promienia. Jasnobrązowa. Opisana jako „wskazówka kontrolna”. Przekrój aneroidu pokazuje, że w środku znajduje się szaroniebieska „puszka próżniowa”, na której umieszczona jest żółta „dźwignia”. Od dźwigni odchodzi „wrzeciono wskazówki”, które połączone jest ze wskazówkami.

Wewnątrz aneroidu znajduje się szczelna metalowa puszka z pokrywą w formie membrany (puszka VidiegoPuszka Vidiegopuszka Vidiego), wypełniona gazem pod obniżonym ciśnieniem. Wraz ze zmianami ciśnienia atmosferycznego puszka nieznacznie zwiększa lub zmniejsza swoją objętość wskutek wyginania membrany w górę lub w dół. System dźwigni i kółek zębatych przenosi ruchy membrany na wskazówkę poruszającą się na tle skali.

R234LJp3VkdgO1

Manometr

Najważniejszą częściąmanometru sprężynowegoManometrmanometru sprężynowego jest sprężysta, wygięta, metalowa rurka, której jeden z końców stanowi wlot powietrza (gazu), drugi zaś jest zamknięty i podłączony do układu wskazującego ciśnienie. Wzrost ciśnienia odkształca rurkę (prostuje ją), a wskazówka manometru się wychyla. Gdy ciśnienie maleje, siła sprężystości rurki sprawia, że wraca ona do swojego pierwotnego położenia (zginanie), a wówczas wskazówka się cofa.

Wszystkie manometry mają zakres pomiarowy, który informuje o maksymalnym ciśnieniu, jakie można bezpiecznie zmierzyć za pomocą tego przyrządu. Możemy nim dokonywać pomiaru z pewną dokładnością. Przyjmujemy, że jest ona równa najmniejszej działce na skali.

6. Naczynia połączone

Naczynia połączone stanowią układ kilku naczyń, zwykle o różnych kształtach, połączonych w taki sposób, aby ciecz mogła między nimi swobodnie przepływać.

RZpcT88ru2vVK1

Ilustracja przedstawia naczynia połączone. Tło białe. Naczynia wypełnione są niebieską wodą. Naczynia mają różne kształty: walcowaty prosty, walcowaty, pękaty, rozszerzający się. Dna naczyń są połączone z jednym, długim naczyniem. Dzięki temu mają wspólne dno. Ciecz może swobodnie przepływać. Wspólne dno umieszczono na szarym podłożu. Dno naczynia płaskie, przylegając do podłoża. Poziom we wszystkich czterech naczyniach, pomimo ich różnego kształtu, pozostaje taki sam. Wysokość oznaczono na rysunku, z lewej strony, czarną strzałką. Strzałka podpisana „h”. Po prawej strony naczynia, na miejsce, w którym dotyka podłoża, skierowano strzałkę podpisaną jako „p = dgh”.

Poziom cieczy w ramionach naczyń połączonych jest zawsze taki sam. Taka sama jest również wartość ciśnienia mierzona na tej samej głębokości w każdym z ramion. Wynika to ze znanej ci już zależności $p=\rho ·g·h$ (lub $p=d·g·h$w zależności od tego, jak oznaczymy gęstość cieczy).

Gdzie wykorzystujemy zasadę działania naczyń połączonych?

Jednym z zastosowań zasady działania naczyń połączonych były wodociągi miejskie. Funkcjonowały one dzięki rozbudowanemu systemowi ciągów wodnych, które łączyły siećwież ciśnieńWieża ciśnieńwież ciśnieńz odbiorcami wody – domami mieszkalnymi, zakładami przemysłowymi lub budynkami użyteczności publicznej.

R12XlNwWo20B41

Zdjęcie przedstawia wieżę ciśnień. Wieża zajmuje całą wysokość zdjęcia. Zbudowana z czerwonej cegły. Ozdobnie wykończona. W tle błękitne niebo. Z lewej stronie wieży zielone drzewo liściaste Z prawej strony, w tle, budynek z czerwonej cegły. Tuż przed wieżą ulica.

Jak działa taka wieża?

R1QnjeSr7s50K1

Ilustracja przedstawia zasadę działania wodociągów miejskich. Tło białe. Na dole brązowy grunt. Pomiędzy gruntem a tłem, zielona trawa. Po lewej, na wzniesieniu, wieża ciśnień. Kolor szary. Wieża na górze się rozszerza. Na górze, w środku zaznaczono „zbiornik wodny” z niebieską wodą. Woda wypełnia zbiornik do połowy. Po prawej narysowano szary budynek jednopiętrowy. Podpisany „Użytkownicy”. Budynek stoi niżej niż wieża ciśnień. Dach budynku na poziomie połowy wieży. Na obu piętrach, w środku narysowano urządzenia sanitarne: toaletę, umywalkę i wannę z prysznicem. Urządzanie sanitarne zostały z wieżą ciśnień symbolicznie połączone niebieskimi liniami, które oznaczają rury doprowadzające wodę. Rury całego budynku łączą się u jego podstawy, schodzą poniżej gruntu i tą drogą dochodzą do wieży ciśnień. Stamtąd bezpośrednio do zbiornika z wodą. W lewej części ilustracji, poniżej gruntu, znajduje się niebieski prostokąt. Podpisany „Stacja pomp”. Stacja w podobny sposób, jak budynek, połączona jest ze zbiornikiem wody wieży ciśnień. Na niebieskich liniach – rurach narysowano strzałki. Strzałki wskazują, w którą stronę dostarczana jest woda. Od stacji pomp do zbiornika wody. Od zbiornika wody do budynku, do „Użytkowników”.

Woda wpompowywana jest na szczyt wieży. Ponieważ układ dąży do wyrównania ciśnienia cieczy po obu stronach rury, tak jak dzieje się to w ramionach naczyń połączonych, woda dochodzi do wszystkich pięter budynku, znajdujących się poniżej zbiornika.

Wieże ciśnień pełnią obecnie jedynie funkcję pomocniczą, wykorzystywane są w razie awarii zasilania elektrycznego sieci wodociągowej lub jako zbiorniki przeciwpożarowe. Zostały całkowicie zastąpione przezhydroforyHydroforhydroforyi inne nowsze rozwiązania technologiczne.

Zasadę działania naczyń połączonych wykorzystujemy także w transporcie wodnym. Na rzece lub kanale żeglugowym dość często pojawiają się różnice poziomu wody, które niwelowane są przez system śluz.
Gdy jednostka pływająca chce przepłynąć do obszaru, który znajduje się poniżej (lub powyżej) poziomu zbiornika, w którym aktualnie się ona znajduje, wykorzystuje się wtedy śluzę.

Jak działa taka śluza? Dzięki prawu naczyń połączonych jesteśmy w stanie wyrównać poziom wody między zbiornikiem a odcinkiem między wrotami śluzy. Gdy ten poziom zostanie wyrównany, możemy otworzyć pierwsze wrota i wpłynąć do obszaru wyrównawczego, po czym musimy je zamknąć. W obszarze wyrównawczym – ponownie dzięki zasadzie działania naczyń połączonych – poziom wody zostaje obniżony do poziomu, jaki panuje po drugiej stronie śluzy. Możemy teraz bezpiecznie otworzyć drugie wrota i odpłynąć.

Przykładem naczyń połączonych występujących w przyrodzie są studnie artezyjskieStudnia artezyjskastudnie artezyjskie, mające charakterystyczny kształt litery „U”. Na czym polega ich działanie?

ReOujCxLPtoyY1

Aplikacja przedstawia zasadę działania studni artezyjskiej. Tu również wykorzystywana jest zasada naczyń połączonych. Tło jasnoniebieski. Za pomocą kursora muszy, po prawej stronie można zmieniać poziom wody, która znajduje się w gruncie. Gdy podwyższamy poziom wody, nad gruntem pojawiają się chmury, z których pada deszcz. Gdy poziom wody przekroczy poziom gruntu, w miejscu, gdzie wykopano studnię, ze studni zaczyna tryskać woda.

Aplikacja przedstawia zasadę działania studni artezyjskiej. Tu również wykorzystywana jest zasada naczyń połączonych. Tło jasnoniebieski. Za pomocą kursora muszy, po prawej stronie można zmieniać poziom wody, która znajduje się w gruncie. Gdy podwyższamy poziom wody, nad gruntem pojawiają się chmury, z których pada deszcz. Gdy poziom wody przekroczy poziom gruntu, w miejscu, gdzie wykopano studnię, ze studni zaczyna tryskać woda.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1Fks8h8v

Studnie artezyjskie powstają, gdy warstwa wodonośna, tzn. warstwa gleby, która łatwo nasiąka wodą, znajduje się między dwiema warstwami nieprzepuszczalnymi o kształcie litery „U”. Wykopanie studni powoduje, że woda samoczynnie dąży do wyrównania poziomów cieczy.

Podsumowanie

• Ciśnienie to wielkość fizyczna, która informuje nas o tym, jak duża siła nacisku, nazywana inaczej parciem, działa na jednostkę powierzchni.

• Ciśnienie oznaczamy małą literą p.

• Aby obliczyć ciśnienie, należy siłę nacisku F (parcie), działającą prostopadle do powierzchni, podzielić przez pole powierzchni S, na które ta siła działa.

• Ciśnienie jest równe ilorazowi siły nacisku (parcia) i pola powierzchni.

$p= \frac{F}{S}$

• Podstawową jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskal (1 Pa).

$\left[p\right]=\frac{\left[F\right]}{\left[S\right]}=\frac{1\mathrm{N}}{1{\mathrm{m}}^2}=1\mathrm{Pa}$

• 1 paskal to ciśnienie wywierane przez siłę o wartości 1 niutona działającą na powierzchnię 1 mIndeks górny 2². Często używaną jednostką ciśnienia jest hektopaskal.

• 1 hPa = 100 Pa.

• Ciśnienie spowodowane ciężarem cieczy znajdującej się w spoczynku to ciśnienie hydrostatyczne. Dział fizyki, który zajmuje się badaniem właściwości takich cieczy nazywa się hydrostatyką. Ciśnienie hydrostatyczne zależy zarówno od wysokości słupa cieczy, jak i od jej gęstości. Ciśnienie hydrostatyczne obliczamy ze wzoru:

$p=d·g·h$
gdzie:
p [Pa] – ciśnienie cieczy;
d $\left[\frac{\mathrm{k}\mathrm{g}}{{\mathrm{m}}^3}\right]$ – gęstość cieczy;
g $\left[\frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{s}}^2}\right]$ – przyspieszenie ziemskie;
h [m] – wysokość słupa cieczy.

• Ciśnienie atmosferyczne jest ciśnieniem wywieranym przez atmosferę na ciała znajdujące się w jej obszarze lub na powierzchni Ziemi. Ciśnienie atmosferyczne – podobnie jak ciśnienie hydrostatyczne – związane jest z ciężarem powietrza znajdującego się powyżej poziomu, na którym dokonujemy pomiaru ciśnienia. Im bliżej powierzchni Ziemi, tym wyższe jest ciśnienie atmosferyczne, i odwrotnie – na szczytach górskich jest ono niższe niż w dolinach. Wraz ze wzrostem wysokości o jeden metr, licząc od poziomu morza, ciśnienie atmosferyczne maleje o ok. 0,13 hPa. Ciśnienie atmosferyczne się zmienia. Jego wartość na poziomie morza wynosi w przybliżeniu 1013,25 hPa. Nazywamy je ciśnieniem normalnym.

• Jednym z pierwszych przyrządów, który służył do pomiaru ciśnienia atmosferycznego, był barometr rtęciowy.

• Ciśnienie wywierane przez słup rtęci o wysokości 760 mm ma wartość jednej atmosfery.

• 1 atm = 760 mmHg = 1013,25 hPa = 101 325 Pa.

• Obecnie do pomiarów ciśnienia atmosferycznego stosujemy barometry mechaniczne, czyli aneroidy.

• Ciśnienie gazów i cieczy mierzymy za pomocą manometrów.

• Naczynia połączone stanowią układ kilku naczyń, zwykle o różnych kształtach, połączonych, w taki sposób, aby ciecz mogła między nimi swobodnie przepływać. Zasada działania naczyń połączonych znalazła zastosowanie w systemach wodociągowych i śluzach wodnych.

• Przykładem naczyń połączonych występujących w przyrodzie są studnie artezyjskie, mające charakterystyczny kształt litery „U”.

Praca domowa

Polecenie 12.1

Oblicz głębokość, na jakiej znajduje się batyskaf, jeśli na jego właz o powierzchni 0,25 mIndeks górny 2² woda naciska z siłą 1,5 MN. Gęstość wody morskiej wynosi 1030 $\frac{\mathrm{kg}}{{\mathrm{m}}^3}$. Przyjmij, że przyspieszenie ziemskie jest równe 10 $\frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{s}}^2}$. Wynik podaj w metrach.

Polecenie 12.2

Na podstawie poniższego wykresu zależności ciśnienia hydrostatycznego od głębokości wpisz w zeszycie odpowiednie liczby, tak żeby zdania były prawdziwe.

RcIKW42Wg3FoZ1

Na aplikacji przedstawiono wykres zależności ciśnienia d głębokości. Tło białe. Oś odciętych (poziomą) opisano „h [m]„. Na osi zaznaczono wartości od 0 (początek układu współrzędnych) do 220. Co 20, czyli: 0, 20, 40 i tak dalej. Oś rzędnych (pionową) opisano „p [kPa]”. Na osi zaznaczono wartości od 0 (początek układu współrzędnych) do 2200. Co 200, czyli: 0, 200, 400 i tak dalej. Na wykresie wyświetlana jest czerwona linia, biegnąca pod kątem 45 stopni do osi odciętych. Początek w układzie współrzędnych.

Na aplikacji przedstawiono wykres zależności ciśnienia d głębokości. Tło białe. Oś odciętych (poziomą) opisano „h [m]„. Na osi zaznaczono wartości od 0 (początek układu współrzędnych) do 220. Co 20, czyli: 0, 20, 40 i tak dalej. Oś rzędnych (pionową) opisano „p [kPa]”. Na osi zaznaczono wartości od 0 (początek układu współrzędnych) do 2200. Co 200, czyli: 0, 200, 400 i tak dalej. Na wykresie wyświetlana jest czerwona linia, biegnąca pod kątem 45 stopni do osi odciętych. Początek w układzie współrzędnych.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1Fks8h8v

Ciśnienie hydrostatyczne na głębokości 200 m wynosi ......... kPa.
Ciśnienie hydrostatyczne wynoszące 850 kPa panuje na głębokości ......... m

Słowniczek

Blaise Pascal

R10tuVcvKRIal1

Blaise Pascal

Blaise Pascal

19.06.1623–19.08.1662

Wybitny matematyk, fizyk i filozof. Twórca wielu teorii matematycznych, konstruktor pascaliny – pierwszej maszyny liczącej, która potrafiła sumować. Prowadził badania dotyczące ciśnienia. Od nazwiska tego uczonego pochodzi nazwa jednostki ciśnienia w układzie SI – paskal (Pa).

Torricelli Evangelista

Rkt4AZN4M0bjV1

Evangelista Torricelli

Torricelli Evangelista

15.10.1608–25.10.1647

Wynalazca barometru rtęciowego, przyjaciel i sekretarz Galileusza. Od nazwiska Torricellego pochodzi dawna nazwa jednostki ciśnienia – tor (1 Tr = 1 mmHg).

Zadania