Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby udostępnić materiał Dodaj całą stronę do teczki

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.

RImjBhBta8gnt1
Źródło: Barnaby Walker (flickr.com), licencja: CC BY-NC 2.0.
Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:
  • definicję ciśnienia;

  • jaka jest podstawowa jednostka ciśnienia w układzie SI;

  • jaka jest definicja ciśnienia hydrostatycznego;

  • jak obliczyć ciśnienie hydrostatyczne, które zależy od wysokości słupa cieczy i jej gęstości;

  • jak brzmi definicja ciśnienia atmosferycznego wywieranego przez gazową powłokę Ziemi;

  • od czego zależy ciśnienie atmosferyczne i w jaki sposób zmienia się ono wraz z wysokością;

  • czy ciśnienie atmosferyczne jest stałe;

  • definicję ciśnienia normalnego;

  • jakie przyrządy służą do pomiaru ciśnienia atmosferycznego;

  • jakie przyrządy służą do pomiaru ciśnienia wywieranego przez gazy.

Nauczysz się
  • treści prawa Pascala, które mówi, że ciśnienie zewnętrzne wywierane na gazy i ciecze przekazywane jest w całej ich objętości i jednakowo we wszystkich kierunkach;

  • przeprowadzać proste doświadczenia potwierdzające słuszność prawa Pascala;

  • wymieniać i opisywać urządzenia, w których prawo Pascala znalazło swoje zastosowanie.

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
  1. Za pomocą szpilki wykonaj otwory w piłeczce – równomiernie na całej jej powierzchni.

  2. Nabierz wodę do strzykawki.

  3. Przebij powierzchnię piłeczki igłą i wsuń ją dość głęboko.

  4. 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.

  5. Gdy piłeczka i strzykawka zostaną wypełnione wodą, naciśnij tłok strzykawki.

  6. 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 piłeczki (położonego na dole, z boku, u góry) woda tryska tak samo. Pokazuje to, że we wszystkie strony działa takie samo parcie, wywołane naciskaniem tłoka.

RWUhSkjPk9Tzp1
Załącznik z dokumentem do pobrania.
Załącznik do doświadczenia
Demonstracja
R1SmemCXBUQWo1
Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.
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.

R1M5FsKPFayWK11
Ćwiczenie 1
Łączenie par. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”. . Ciśnienie zewnętrzne rozchodzi się w cieczach we wszystkich kierunkach, natomiast w gazach tylko zgodnie z kierunkiem działania siły zewnętrznej.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. W cieczach i w gazach ciśnienie zewnętrzne przekazywane jest we wszystkich kierunkach, ale słabiej ku górze niż ku dołowi naczynia.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. W cieczach i w gazach ciśnienie zewnętrzne przekazywane jest jednakowo we wszystkich kierunkach.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz

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.

R1AWl13CchEt61
Zasada działania i zastosowanie prasy hydraulicznej

Ciśnienie cieczy w prasie hydraulicznej jest równe - jak definicja ciśnienia głosi - sile nacisku podzielonej przez powierzchnię, na którą działa. Czyli naciskając na tłok z siłą F1 na powierzchnię mniejszego tłoka S1 wywrzemy pewne ciśnienie p. Ciśnienie to jest takie samo wewnątrz całego zbiornika z cieczą. Także na większym tłoku. Jednakże możemy także zauważyć, że ciśnienie na większym tłoku powinno także dać się zapisać jako stosunek siły F2 do powierzchni S2. Stąd możemy zapisać następującą równość:

p=F1S1=F2S2

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.

RGgv6wOhYKpng1
Animacja prezentująca tłoczenie blachy samochodowej.

Układy hydrauliczne możemy znaleźć także we współczesnych samochodach - zarówno przednie, jak i tylne hamulce są hamulcami hydraulicznymi.

RIX19JqN6fWS11
Zasada działania hamulców hydraulicznych w samochodach osobowych
Działanie układu hydraulicznego
Doświadczenie 2

Prosty model układu hydraulicznego

Co będzie potrzebne
  • dwie strzykawki;

  • gumowy elastyczny wężyk o średnicy pozwalającej nasadzić go szczelnie na końcówki strzykawek;

  • woda.

Instrukcja
  1. Napełnij pierwszą strzykawkę wodą.

  2. Na drugą strzykawkę nałóż wężyk i nabierz do niego wody.

  3. Nałóż wolny koniec wężyka na pierwszą strzykawkę i naciśnij jej tłok.

  4. 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 podniosło.

RD3wmEQhiWYg51
Załącznik z dokumentem do pobrania.
Załącznik do doświadczenia
R1YvAPOAY4Ey011
Ćwiczenie 2
Uzupełnij lukę w zdaniu, wpisując słowo większa lub mniejsza. 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 Tu uzupełnij 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.

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 wzrasta 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.

RaeYRTkq1PvVC1
Sprężanie gazu przez zmianę jego objętości

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

R16lauNBEcphW1
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.

R1BJ3Qqno1N6h2
Ćwiczenie 3
Łączenie par. Oceń, czy poniższe zdania są prawdziwe, czy fałszywe.. Niepoprawna odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. A. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz

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.

  • 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 F2 uzyskanej za pomocą prasy jest tyle razy większa od siły F1 działającej z zewnątrz na tłok, ile razy powierzchnia S2 większego tłoka jest większa od powierzchni S1 mniejszego tłoka.
    p=F1S1=F2S2

  • 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.

Zobacz także

Ciśnienie. Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczneitTqNx38cnCiśnienie. Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczne

Cząsteczkowa budowa materiiitnOdtxvUSCząsteczkowa budowa materii

Ćwiczenia podsumowujące

3
Ćwiczenie 4
RWDYx30gc9FJL
Duży tłok podnośnika hydraulicznego unosi masę 450 kg, gdy na mały tłok działa siła o wartości 150 N. Ile wynosi powierzchnia małego tłoka, jeżli powierzchnia dużego tłoka jest równa 60 cm2? Przyjmij, że przyspieszenie ziemskie wynosi 10 Nkg. Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. S=2 cm2, 2. S=1 cm2, 3. S=3 cm2, 4. S=7 cm2
2
Ćwiczenie 5
RkuD7s1aOifFF
Szczepionka wstrzykiwana jest przez igłę strzykawki z siłą 0,01 N. Tłoczek strzykawki ma powierzchnię 3 cm2, a działająca na niego siła to 6 N. Ile wynosi pole powierzchni przekroju otworu w igle. Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. S=0,005 cm2, 2. S=0,02 cm2, 3. S=0,09 cm2, 4. S=0,05 cm2
3
Ćwiczenie 6
RnZrCy5AkkLPs
Mały tłok siłownika hydraulicznego o powierzchni 5 cm2 pod działaniem siły o wartości 250 N przesunie się o 8 cm. O ile przesunie się duży tłok siłownika mający powierzchnię 20 cm2? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. h=1,6 cm, 2. h=2,4 cm, 3. h=0,8 cm, 4. h=3,2 cm
Ćwiczenie 7
R1JJ5UaYLMxgy1
Łączenie par. . Niepoprawna odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. A. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Ćwiczenie 8
RyKv1wXyRwpKm11
Dokończ zdanie, wybierając poprawną odpowiedź.
Urządzenie działające zgodnie prawem Pascala i zwielokrotniające siłę działania, to Możliwe odpowiedzi: 1. prasa hydrauliczna., 2. prasa hydrostatyczna., 3. prasa hydrodynamiczna.

Słownkczek

kinetyczna teoria gazów
kinetyczna teoria gazów

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

podnośnik hydrauliczny
podnośnik hydrauliczny

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

pompa hydrauliczna
pompa hydrauliczna

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

prasa hydrauliczna
prasa hydrauliczna

urządzenie zwielokrotniające siłę nacisku, działające zgodnie z prawem Pascala.

sprężanie gazu
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
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.

Aplikacje dostępne w
Pobierz aplikację ZPE - Zintegrowana Platforma Edukacyjna na androida