Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. § 38. Давление в жидкости и газе, вызванное действием силы тяжести — с. 128
§ 38. Вопрос 1. Объясните, почему чем глубже находится слой жидкости, тем больше в нём давление, вызванное силой тяжести.
Каждый слой жидкости притягивается к Земле и давит на слои, расположенные под ним. Эти нижние слои, в свою очередь, тоже притягиваются к Земле и давят на ещё более глубокие слои, а кроме того, согласно закону Паскаля передают им давление всех верхних слоёв по всем направлениям. Поэтому на глубокий слой давит вес всего столба жидкости над ним. Чем глубже находится слой, тем выше столб жидкости над ним, тем больше его вес и тем больше давление. Например, давление воды на глубине 10 м примерно в 10 раз больше, чем на глубине 1 м.
§ 38. Вопрос 2. Опишите опыты, показывающие, что давление внутри жидкости на одном и том же уровне во всех направлениях одинаковое, а на разных уровнях разное.
Опыт 1 (разные уровни). Берут стеклянную трубку, нижнее отверстие которой затянуто тонкой резиновой плёнкой. При наливании воды плёнка прогибается вниз, причём чем выше столб воды, тем сильнее прогиб (рис. 110). Значит, чем глубже расположена плёнка относительно поверхности воды, тем больше давление.
Опыт 2 (один уровень, разные направления). Трубку с водой, закрытую плёнкой снизу, медленно опускают в широкий сосуд с водой: по мере опускания плёнка выпрямляется, а когда уровни воды в трубке и сосуде сравниваются, она становится плоской (рис. 111). Это значит, что давление воды снизу на плёнку равно давлению столба воды сверху. Такой же результат получают с трубкой, у которой плёнка закрывает боковое отверстие (рис. 112): плёнка выпрямляется при равенстве уровней, значит, давление в стороны на том же уровне такое же, как и вверх, и вниз.
Вывод: на одном уровне давление во всех направлениях одинаково, на более глубоких уровнях оно больше.
Опыт 2 (один уровень, разные направления). Трубку с водой, закрытую плёнкой снизу, медленно опускают в широкий сосуд с водой: по мере опускания плёнка выпрямляется, а когда уровни воды в трубке и сосуде сравниваются, она становится плоской (рис. 111). Это значит, что давление воды снизу на плёнку равно давлению столба воды сверху. Такой же результат получают с трубкой, у которой плёнка закрывает боковое отверстие (рис. 112): плёнка выпрямляется при равенстве уровней, значит, давление в стороны на том же уровне такое же, как и вверх, и вниз.
Вывод: на одном уровне давление во всех направлениях одинаково, на более глубоких уровнях оно больше.
§ 38. Вопрос 3. Почему в опыте, изображённом на рисунке 113, дно отпадает от сосуда? [на рисунке: сосуд без дна, закрытый отпадающим дном, опущен в банку с водой; в сосуд наливают воду, дно отпадает, когда уровни воды в сосуде и в банке сравниваются]
Пока сосуд пуст, дно прижато к его краю силой давления воды снизу вверх: давление на глубине, где находится дно, направлено во все стороны, в том числе вверх. Поэтому дно не отпадает, хотя на него действует сила тяжести.
Когда в сосуд наливают воду, на дно сверху начинает давить столб воды, который находится в сосуде. Сила давления снизу остаётся прежней. Когда уровень воды в сосуде становится равным уровню воды в банке, давления сверху и снизу на дно сравниваются, силы давления на него уравновешиваются, и дно перестаёт прижиматься. Под действием силы тяжести (вес дна) оно отпадает от сосуда. Опыт подтверждает, что давление зависит от глубины и направлено в том числе вверх.
Когда в сосуд наливают воду, на дно сверху начинает давить столб воды, который находится в сосуде. Сила давления снизу остаётся прежней. Когда уровень воды в сосуде становится равным уровню воды в банке, давления сверху и снизу на дно сравниваются, силы давления на него уравновешиваются, и дно перестаёт прижиматься. Под действием силы тяжести (вес дна) оно отпадает от сосуда. Опыт подтверждает, что давление зависит от глубины и направлено в том числе вверх.
§ 38. Вопрос 4. Приведите примеры, когда давление газа, созданное его весом, можно не учитывать.
Плотность газов значительно меньше плотности жидкостей, поэтому вес газа в сосуде мал, и давление, созданное его весом, незначительно. Давление газа можно не учитывать в таких случаях: 1) воздух в баллоне велосипедной шины, автомобильной камеры или футбольного мяча: давление определяется ударами молекул о стенки и достигает сотен кПа, а вес воздуха в камере — доли ньютона; 2) воздух в воздушном шарике и в медицинском шприце; 3) газ в баллонах (кислородный, газовый баллон для плиты), где давление составляет МПа; 4) пар в котле. Во всех этих случаях давление газа одинаково во всём объёме сосуда, и разницей давлений на разной высоте можно пренебречь. Для атмосферы Земли, высота которой много километров, вес воздуха учитывать приходится.