Fizyka jest użyteczna. Nie wierzysz? To spróbuj bez lewarka wymienić przebitą oponę w samochodzie, bez pompki napompować dętkę rowerową albo zatrzymać samochód nogą, a nie hamulcem! Dasz radę? Jeśli tak, to nie musisz już dalej czytać.

RpJXEcEcCUOkE1

Zdjęcie przedstawia głowicę kuchennej baterii kranowej, z której płynie woda w postaci strumienia drobnych kropelek, czyli tak zwanego prysznica. W tle widoczny już niezbyt wyraźny blat kuchenny i stojące na nim przedmioty. — Aby zrozumieć, dlaczego woda dociera do naszego kranu, należy znać jedno z praw dotyczących ciśnienia w cieczy

Już potrafisz

obliczyć wartość ciśnienia, które jest równe ilorazowi wywieranej siły na jednostkę powierzchni;
wykazać, że podstawową jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskal (Pa);
podać definicję ciśnienia hydrostatycznego;
obliczyć ciśnienie hydrostatyczne, które zależy od wysokości słupa cieczy i jej gęstości;
podać definicję ciśnienia atmosferycznego wywieranego przez gazową powłokę Ziemi;
podać, od czego zależy ciśnienie atmosferyczne, i wyjaśnić, w jaki sposób zmienia się ono wraz z wysokością;
wykazać, że ciśnienie atmosferyczne nie jest stałe i często się zmienia;
podać definicję ciśnienia normalnego;
wymienić przyrządy, które służą do pomiaru ciśnienia atmosferycznego;
wymienić przyrządy, które służą do pomiaru ciśnienia wywieranego przez gazy.

Nauczysz się

że ciśnienie zewnętrzne wywierane na gazy i ciecze przekazywane jest w całej ich objętości i jednakowo we wszystkich kierunkach;
podać treść prawa Pascala;
przeprowadzać proste doświadczenia potwierdzające słuszność prawa Pascala;
wymieniać i opisywać urządzenia, w których prawo Pascala znalazło swoje zastosowanie.

iwK2N5eH4J_d5e199

1. Ciśnienie w cieczach i gazach

Mimo, że ciecze i gazy wykazują wiele podobieństw, to jednak rządzą się różnymi prawami. Cząsteczki gazów znajdują się w bezustannym i chaotycznym ruchu, zderzają się wzajemnie oraz ze ściankami naczynia, w którym się znajdują. Podlegają regułom kinetycznej teorii gazówkinetyczna teoria gazówkinetycznej teorii gazów.

W cieczach oddziaływania między cząsteczkami są znacznie silniejsze niż w gazach, ale słabsze niż w ciałach stałych. O położeniu molekuły decyduje jej otoczenie. Każda zmiana rozmieszczenia sąsiadujących cząsteczek może spowodować przejście molekuły do nowej lokalizacji. Ten mechanizm pozwala cząsteczkom przemieszczać się w całej objętości cieczy, jest jednak różny od tego obserwowanego w gazach.

Fakt, że cząsteczki zarówno w gazach, jak i cieczach mogą poruszać się we wszystkich kierunkach, był podstawą prawa Pascala, sformułowanego doświadczalnie w XVII w.

Doświadczenie 1

Problem badawczy

Czy ciśnienie wywołane siłą zewnętrzną jest takie samo w całej objętości cieczy?

Hipoteza

Jeżeli na ciecz lub gaz będziemy wywierać parcie z zewnątrz, to wytworzy ono w cieczy lub gazie dodatkowe ciśnienie jednakowe w całej objętości tej cieczy lub gazu.

Co będzie potrzebne

strzykawka z grubą igłą;
igła lub szpilka;
woda;
piłeczka pingpongowa.

Instrukcja

Za pomocą szpilki wykonaj otwory w piłeczce – równomiernie na całej jej powierzchni.
Nabierz wodę do strzykawki.
Przebij powierzchnię piłeczki igłą i wsuń ją dość głęboko.
Napełnij piłeczkę wodą ze strzykawki. Jeśli wody w strzykawce nie wystarczy, odłącz ją od igły, nabierz do niej ponownie wodę, połącz z igłą i napełniaj piłeczkę, aż ta będzie pełna.
Gdy piłeczka i strzykawka zostaną wypełnione wodą, naciśnij tłok strzykawki.
Obserwuj strumienie wody tryskające z otworów na powierzchni piłeczki.

Podsumowanie

Siła z jaką naciskamy na tłok strzykawki, wytwarza takie samo ciśnienie w całej objętości cieczy. Widzimy, że z każdego otworu połeczki (położonego na dole, z boku, u góry) woda tryska tak samo. Pokazuje to, że we wszystkie strony działa takie samo parcie, wywołane naciskaniem tłoka.

R1CuZv8QkI73s1

Załącznik do doświadczenia

Demonstracja

Reru68E7wBBYO1

Ilustracja składa się z trzech części. Tło białe. Na pierwszej części widnieje szara strzykawka. Wylot strzykawki wbity jest w białą piłeczkę pingpongową. Piłeczka jest podziurawiona. Strzykawka wypełniona jest niebieską cieczą. Tłok odsunięty. Na drugiej części widnieje ta sama strzykawka z piłeczką. Tutaj jednak tłok zostaje przesunięty tak, że ilość cieczy w strzykawce zmniejszyła się o ponad połowę. Z dziur w piłeczce wypływa woda. Na trzeciej części strzałkami zaznaczono siły, jakie działają na strzykawkę i piłeczkę, z której wypływa woda. Czerwoną strzałką znaczono siłę działającą na tłok strzykawki. Kierunek prostopadły do podłoża, zwrot ku dołowi. Czarną strzałką, na poziomie cieczy, zaznaczono siłę, która ma przeciwny zwrot. Wewnątrz piłeczki znajduje się siedem czarnych strzałek. Zwrócone są od wnętrza piłeczki, do jej zewnętrznych krawędzi. Przypominają wskazówki zegarowe, wskazujące godziny. — Gdy działa okreslonej wielkości siła zewnętrzna, ciśnienie wody wywierane na wewnętrzną ściankę piłeczki jest takie samo w każdym jej punkcie

prawo Pascala

Reguła: prawo Pascala

Jeżeli na ciecz lub gaz będziemy wywierać parcie z zewnątrz, to wytworzy ono w cieczy lub gazie dodatkowe ciśnienie jednakowe w całej objętości tej cieczy lub tego gazu.

Opisana przez prawo Pascala właściwość cieczy i gazów wynika z faktu, iż w tych ciałach oddziaływania międzycząsteczkowe mogą być przenoszone jednakowo we wszystkich kierunkach. Ciśnienie wytworzone w zbiorniku będzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu.

Ćwiczenie 1

R1BcPEZec7CrI1

Które informacje są prawdziwe a które fałszywe?

	Prawda	Fałsz
Ciśnienie zewnętrzne rozchodzi się w cieczach we wszystkich kierunkach, natomiast w gazach tylko zgodnie z kierunkiem działania siły zewnętrznej.	□	□
W cieczach i w gazach ciśnienie zewnętrzne przekazywane jest we wszystkich kierunkach, ale słabiej ku górze niż ku dołowi naczynia.	□	□
W cieczach i w gazach ciśnienie zewnętrzne przekazywane jest jednakowo we wszystkich kierunkach.	□	□

iwK2N5eH4J_d5e322

2. Zastosowanie prawa Pascala

Prawo Pascala znalazło szerokie zastosowanie w konstrukcji prasprasa hydraulicznapras, podnośnikówpodnośnik hydraulicznypodnośników, pomppompa hydraulicznapomp i hydraulicznych układów hamulcowychukład hamulcowyukładów hamulcowych.

Zasada działania podnośnika hydraulicznego opiera się na prawie Pascala.
Jego zadaniem jest zwielokrotnienie zewnętrznej siły nacisku i wykorzystanie jej do wykonania pracy.

RXOOSyZ95pdSH1

Zasada działania podnośnika hydraulicznego i jego zastosowanie

Wartość siły $F_{2}$ , uzyskanej za pomocą prasy. jest tyle razy większa od siły $F_{1}$ , działającej z zewnątrz na tłok, ile razy powierzchnia $S_{2}$ większego tłoka jest większa od powierzchni $S_{1}$ mniejszego tłoka.

p = \frac{F_{1}}{S_{1}} = \frac{F_{2}}{S_{2}}

Obecnie prasa hydrauliczna przyczynia się do rozwoju rynku samochodowego. Pozwala ona na szybką i sprawną produkcję części karoserii samochodowej, którą tłoczy się z fragmentów płaskiej blachy.

RV6WsU05Pfa821

Prasa hydrauliczna wytłaczająca elementy karoserii samochodowej

Współczesne samochody mają układ hydrauliczny obsługujący przednie i tylne hamulce.

RMwNbaJRFOoqK1

Zasada działania hamulców hydraulicznych w samochodach osobowych

Działanie układu hydraulicznego

Doświadczenie 2

Wykonanie prostego modelu układu hydraulicznego

Co będzie potrzebne

dwie strzykawki;
gumowy elastyczny wężyk o średnicy pozwalającej nasadzić go szczelnie na końcówki strzykawek;
woda.

Instrukcja

Napełnij pierwszą strzykawkę wodą.
Na drugą strzykawkę nałóż wężyk i nabierz do niego wody.
Nałóż wolny koniec wężyka na pierwszą strzykawkę i naciśnij jej tłok.
Uważaj, by w układzie nie było pęcherzyków powietrza. Małe pęcherzyki nie przeszkodzą, natomiast duże utrudnią działanie naszego modelu. Czy wiesz dlaczego?

Podsumowanie

Nacisk na tłok spowodował, że ciśnienie wody w strzykawce wzrosło. Zgodnie z prawem Pascala ciśnienie w wężyku spowodowało nacisk na tłok drugiej strzykawki i w rezultacie go wysunęło..

R7BsFx0gcpNN61

Załącznik do doświadczenia

Ćwiczenie 2

R1HzbvxL3600E1

Uzupełnij puste miejsca.

Dwie strzykawki połączono ze sobą wężykiem. W jednej strzykawce i w wężyku zamknięta jest pewna ilość wody. Jeżeli strzykawka z wodą ma średnicę 2 razy mniejszą od strzykawki bez wody, to w trakcie wsuwania jej tłoka do środka siła jaka będzie działa na tłok strzykawki bez wody, będzie cztery razy ................ niż siła wsuwająca tłok strzykawki z wodą.

Ciekawostka

Teoria funkcjonowania prasy hydraulicznej powstała w 1651 r., ale w praktyce wykorzystano ją dopiero w 1820 r.! Posłużyła ona do wyciskania ołowianych rur, które wykorzystano w instalacjach wodnych.

iwK2N5eH4J_d5e454

3. Jak sprężamy gazy?

Sprężanie gazusprężanie gazuSprężanie gazu polega na zwiększeniu jego ciśnienia. Jeżeli nie wzrośnie przy tym temperatura gazu, to można sprężyć go na dwa sposoby.

Pierwszy polega na zmniejszeniu objętości zbiornika, w którym znajduje się gaz. Wtedy wzrastają częstotliwość uderzeń cząsteczek w ścianki zbiornika. Wzrasta również średnia siła działająca na te ścianki, co prowadzi do wzrostu ciśnienia. Można to zaobserwować na przykładzie niezbyt mocno napompowanego balonika. Jego powierzchnia daje się łatwo ugniatać. Gdy jednak ściśniemy część balonika, to pozostała część będzie miała mniejszą objętość, ale powierzchnia będzie twardsza.

R1OgXlQY9TR8b1

Sprężanie gazu przez zmniejszenie jego objętości

Drugą metodą sprężania gazusprężanie gazusprężania gazu jest zwiększenie ilości cząsteczek przy zachowaniu stałej objętości zajmowanej przez gaz.

RViurtAmMXHva1

Sprężanie gazu w stałej objętości przez zwiększanie ilości cząstek

Wraz ze zwiększaniem się ilości cząsteczek gazu zderzają się one częściej ze ściankami naczynia i wywierają na nie większe ciśnienie. Im bardziej sprężamy gaz, tym większe jest jego ciśnienie.

Ćwiczenie 3

R1JGsqcZ3ut8O1

Wybierz prawidłowe stwierdzenie.

Do sprężania gazu może dochodzić w pompce rowerowej, gdy wsuwamy jej tłok do środka przy zatkanym wylocie pompki.
Pompka rowerowa nie może posłużyć do sprężania gazu.
Pompka poprzez dostarczanie gazu do wnętrza dętki rowerowej nie spręża powietrza we wnętrzu dętki.

iwK2N5eH4J_d5e514

Podsumowanie

Jeżeli na ciecz lub gaz będziemy wywierać parcie z zewnątrz, to wytworzy ono w cieczy lub gazie dodatkowe ciśnienie jednakowe w całej objętości tej cieczy lub tego gazu. Mówimy, że ciśnienie zewnętrzne wywierane na ciecz rozchodzi się we wszystkich kierunkach jednakowo. Prawo to sformułował Blaise Pascal i od jego nazwiska nosi nazwę bibliography_iwK2N5eH4J_d624t363.
Prawo Pascala znalazło szerokie zastosowanie m.in. w konstrukcji pras, podnośników, pomp i hydraulicznych układów hamulcowych.
Fizyczna zasada działania prasy hydraulicznej wykorzystuje prawo Pascala. Zadaniem prasy jest zwielokrotnienie zewnętrznej siły nacisku i wykorzystanie jej do wykonania pracy. Prasa hydrauliczna jest w praktyce najważniejszym elementem każdego siłownika.
Wartość siły $F_{2}$ uzyskanej za pomocą prasy jest tyle razy większa od siły $F_{1}$ działającej z zewnątrz na tłok, ile razy powierzchnia $S_{2}$ większego tłoka jest większa od powierzchni $S_{1}$ mniejszego tłoka.
$p = \frac{F_{1}}{S_{1}} = \frac{F_{2}}{S_{2}}$
Sprężanie gazu polega na zwiększeniu jego ciśnienia. Można to zrobić na dwa sposoby. Pierwszy polega na zmniejszeniu objętości zbiornika, w którym znajduje się gaz. Drugą metodą sprężania gazu jest zwiększenie ilości cząsteczek przy zachowaniu stałej objętości gazu. W obu przypadkach cząsteczki częściej uderzają w ścianki zbiornika i w ten sposób zwiększają ciśnienie.

Praca domowa

Polecenie 1.1

Duży tłok podnośnika hydraulicznego unosi masę $450 kg$ , gdy na mały tłok działa siła o wartości $150 N$ . Oblicz, ile wynosi powierzchnia małego tłoka, jeżeli powierzchnia dużego tłoka jest równa $60 {cm}^{2}$ . Przyjmij, że przyspieszenie ziemskie wynosi $10 \frac{N}{kg}$ .

Polecenie 1.2

Szczepionka wstrzykiwana jest przez igłę strzykawki z siłą $0,01 N$ . Tłoczek strzykawki ma powierzchnię ${3 cm}^{2}$ , a działająca na niego siła to $6 N$ . Oblicz pole powierzchni przekroju otworu w igle.

Polecenie 1.3

Mały tłok siłownika hydraulicznego o powierzchni $5 {cm}^{2}$ pod działaniem siły o wartości $250 N$ przesunie się o $8 cm$ . Oblicz, o ile przesunie się duży tłok siłownika mający powierzchnię ${20 cm}^{2}$ .

Zobacz także

Zajrzyj do zagadnień pokrewnych:

Ciśnienie. Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczneitTqNx38cnCiśnienie. Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczneCząsteczkowa budowa materiiitnOdtxvUSCząsteczkowa budowa materii

iwK2N5eH4J_d5e581

Słowniczek

kinetyczna teoria gazów

– dział fizyki statystycznej, zajmujący się wyjaśnienie makroskopowych właściwości gazów na podstawie praw rządzących ruchem atomów, cząsteczek, jonów, elektronów itp.

podnośnik hydrauliczny

– urządzenie, którego zasada funkcjonowania opiera się na prawie Pascala; służy do podnoszenia przedmiotów o dużym ciężarze.

pompa hydrauliczna

– urządzenie, którego zadaniem jest utrzymywanie wysokiego poziomu ciśnienia oleju w układach hydraulicznych.

prasa hydrauliczna

– urządzenie zwielokrotniające siłę nacisku, działające zgodnie z prawem Pascala.

sprężanie gazu

– zwiększanie ciśnienia gazu znajdującego się w zamkniętym pojemniku; polega albo na zmianie objętości pojemnika, albo na zwiększeniu ilości cząsteczek (atomów) gazu przy zachowaniu stałej objętości.

układ hamulcowy

– hydrauliczny system zatrzymywania pojazdów znajdujących się w ruchu lub utrzymywania ich w spoczynku; zasada działania układu hamulcowego (podobnie jak prasy hydraulicznej) opiera się na prawie Pascala.

iwK2N5eH4J_d5e715

Zadania

Ćwiczenie 4

RX6RtfmDJ940U1

Uczennice i uczniowie rozmawiają o tym, jak pompuje się balonik. Zaznacz wszystkie prawidłowe opinie.

Asia: Balonik podczas pompowania rozszerza się we wszystkie strony, ponieważ ciśnienie zewnętrzne wywierane na gaz rozchodzi się we wszystkich kierunkach.
Monika: Balonik rozszerza się we wszystkie strony w czasie pompowania zgodnie z tym, co przewiduje prawo Pascala.
Krysia: W przypadku rozszerzającego się w trakcie pompowania balonika prawo Pascala nie jest spełnione, ponieważ dotyczy tylko cieczy.

Ćwiczenie 5

R13VwwbwlqLs11

Urządzenie działające zgodnie prawem Pascala i zwielokrotniające siłę działania, to

prasa hydrauliczna.
prasa hydrostatyczna.
prasa hydrodynamiczna.

Ciśnienie. Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczne

Prawo Archimedesa