Страница 151 — Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. §…

Давление, отличающееся от атмосферного, измеряют манометрами (от греч. «манос» — редкий, неплотный, «метрео» — измеряю). Их два основных вида: жидкостные (открытый U-образный манометр, заполненный водой, ртутью или маслом) и металлические (с изогнутой трубкой). Для измерения давления газа в больших пределах, например в баллонах, паровых котлах, шинах, применяют металлические манометры; жидкостные хороши для небольших разностей давления в лаборатории. Для измерения самого атмосферного давления служат барометры — ртутный и барометр-анероид.

Открытый жидкостный манометр — это U-образная стеклянная трубка, частично заполненная жидкостью, с линейкой-шкалой. Одно колено соединяют резиновой трубкой с сосудом, в котором измеряют давление, второе колено открыто в атмосферу. Действие основано на свойстве сообщающихся сосудов и законе Паскаля: если давление на поверхность жидкости в обоих коленах одинаково, жидкость стоит на одном уровне. Если давление в сосуде больше атмосферного, жидкость в колене, соединённом с сосудом, опускается, а в открытом поднимается; разность уровней Δh определяет избыточное давление Δp = ρgΔh. При давлении меньше атмосферного уровни меняются наоборот.

Берут плоскую круглую коробочку, одна сторона которой затянута резиновой плёнкой, и соединяют её резиновой трубкой с жидкостным манометром. Коробочку опускают в воду на некоторую глубину (рис. 142) и, не меняя глубины, поворачивают плёнкой вверх, вниз и вбок. Разность уровней жидкости в коленах манометра при этом остаётся прежней. Значит, на одной и той же глубине давление воды на плёнку не зависит от её ориентации, т. е. одинаково по всем направлениям. Если коробочку опускать глубже, разность уровней растёт: давление увеличивается с глубиной.

Главная часть металлического манометра (рис. 143, 144) — изогнутая по дуге металлическая трубка 1 с овальным сечением. Один её конец запаян, другой через кран 4 присоединяется к системе, где измеряют давление. При увеличении давления трубка стремится выпрямиться, её закрытый конец перемещается и через рычаг 5 и зубчатую передачу 3 поворачивает стрелку 2 около шкалы. При уменьшении давления трубка за счёт упругости возвращается к прежней форме, и стрелка идёт к нулевому делению. Шкалу градуируют по образцовым манометрам.

Действие поршневого жидкостного насоса основано на действии атмосферного давления. При движении поршня вверх нагнетательный клапан закрывается, под поршнем давление воздуха понижается, и атмосферное давление, действующее на воду в водоёме, поднимает всасывающий клапан и по всасывающей трубе заполняет цилиндр насоса. При движении поршня вниз всасывающий клапан закрывается, открывается нагнетательный, и вода переходит в пространство над поршнем. При следующем ходе поршня вверх вода над ним выливается в отводящую трубу, а под поршнем набирается новая порция. Процесс повторяется.

Насос с воздушной камерой 6 устроен так же, как обычный поршневой, но нагнетательный клапан 3 открывается в закрытую воздушную камеру. При ходе поршня вниз вода из цилиндра через нагнетательный клапан попадает в камеру и сжимает находящийся там воздух; давление воздуха в камере может превышать атмосферное в несколько раз. Сжатый воздух выталкивает воду в отводящую трубу непрерывной струёй даже тогда, когда поршень идёт вверх и нагнетательный клапан закрыт. Поэтому такой насос позволяет поднимать воду на большую высоту, а напор и высота подъёма зависят от быстроты движения поршня и скорости поступления воды в камеру.

Дано: p = 101 300 Па; ρнефти ≈ 825 кг/м³; ρртути = 13 600 кг/м³; g = 9,8 Н/кг.
Найти: hнефти, hртути.
Решение: насос поднимает жидкость, пока давление её столба не сравняется с атмосферным: p = ρgh, откуда h = p/(ρg).
Для нефти: h = 101 300 Па / (825 кг/м³ · 9,8 Н/кг) ≈ 12,5 м.
Для ртути: h = 101 300 Па / (13 600 кг/м³ · 9,8 Н/кг) ≈ 0,76 м.
Ответ: нефть — примерно 12,5 м; ртуть — примерно 0,76 м.
Оговорка: плотность нефти разных месторождений 800–850 кг/м³, принято 825 кг/м³; при 800 кг/м³ получилось бы 12,9 м. Реальные насосы из-за остатков воздуха и трения поднимают жидкость ниже предельной высоты.

Дано: h₁ = 10 м при p₁ = 760 мм рт. ст.; p₂ = 600 мм рт. ст.
Найти: h₂.
Решение: высота подъёма воды пропорциональна атмосферному давлению (h = p/(ρg), плотность воды и g те же), поэтому h₂/h₁ = p₂/p₁.
h₂ = h₁ · p₂/p₁ = 10 м · 600 мм рт. ст. / 760 мм рт. ст. ≈ 7,9 м.
Ответ: h₂ ≈ 7,9 м.