Wasserdruck je nach Tiefe. Wasserdruck in den Tiefen des Ozeans

Denken Sie daran, dass der Druck p durch die Beziehung bestimmt wird

Dabei ist F der Modul der Druckkraft und S die Fläche, auf die die Druckkraft wirkt. Die Druckkraft ist senkrecht zur Oberfläche gerichtet.

Druck ist eine skalare Größe. Sie wird in N Pascal (Pa) gemessen: 1 Pa = 1 N/m2. Der Atmosphärendruck beträgt etwa 10 5 Pa. Die darüber liegenden Flüssigkeitsschichten drücken mit ihrem Gewicht auf die darunter liegenden Schichten. Daher nimmt der Druck in einer Flüssigkeit mit der Tiefe zu. Die Abhängigkeit des Flüssigkeitsdrucks von der Tiefe kann abgeleitet werden, indem die Druckkraft am Boden eines zylindrischen Gefäßes ermittelt wird.

1. Zeigen Sie, dass der Druck einer Flüssigkeit mit der Dichte ρ in der Tiefe h (ohne Berücksichtigung des Atmosphärendrucks) durch die Formel ausgedrückt wird

Hinweis. Ermitteln Sie die Kraft des Flüssigkeitsdrucks am Boden eines zylindrischen Gefäßes und verwenden Sie Formel (1).

Wenn auf die Flüssigkeitsoberfläche ein äußerer Druck von außen ausgeübt wird (z. B. Kolbendruck oder Atmosphärendruck), wird der Flüssigkeitsdruck in der Tiefe h durch die Formel ausgedrückt

p = p ext + ρgh.

2. In welcher Tiefe ist der Druck im See doppelt so hoch wie der Atmosphärendruck? Bei vielen Problemen (z. B. bei der Ermittlung der Archimedes-Kraft) ist nur der Unterschied im Flüssigkeitsdruck in verschiedenen Tiefen von Bedeutung, und bei diesem Unterschied ist der Beitrag des Atmosphärendrucks verringert. Daher wird in solchen Fällen der Atmosphärendruck nicht berücksichtigt, d. h. der Druck in der Tiefe h wird mit Formel (2) ermittelt. Dies werden wir auch tun, ohne dies jeweils ausdrücklich festzulegen.

Wenn ein Gefäß mehrere nicht mischbare Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Dichte enthält, dann ist der von ihnen erzeugte Druck gleich der Summe der Drücke, die durch die Schicht jeder Flüssigkeit erzeugt werden.

3. Ein zylindrisches Gefäß mit einer Bodenfläche von 1 dm2 enthält Wasser und Kerosin (diese Flüssigkeiten vermischen sich nicht). Die Gesamtmasse der Flüssigkeiten beträgt 2,8 kg, der obere Kerosinspiegel liegt 30 cm über dem Boden. Die Dichte von Kerosin beträgt 0,8 der Dichte von Wasser.
a) In welcher Höhe vom Boden befindet sich die Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten?
b) Wie groß ist die Masse von Kerosin?

4. Ein U-förmiges Rohr mit gleichen Bögen mit einer Querschnittsfläche von jeweils 10 -3 m2 enthält Wasser (Abb. 37.1). 0,1 kg Kerosin werden in das linke Knie gegossen.

A) Zeichnen Sie auf der Zeichnung die Position der Flüssigkeiten in den Rohrbögen ein.
b) Wie hoch ist die Kerosinsäule?
c) Wie groß ist der Druck von Flüssigkeiten an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeiten?
d) Wie hoch ist die Wassersäule im rechten Knie über dem Flüssigkeitsabscheideniveau?
e) Um wie viel ist der Wasserspiegel im rechten Knie im Vergleich zur Ausgangsposition angestiegen?
Hinweis. Im rechten Knie ist der Wasserspiegel um den gleichen Betrag gestiegen, wie er im linken Knie gesunken ist (da sich die Wassermenge nicht verändert hat).

2. Gesetz des Archimedes

Betrachten wir die Kräfte des Flüssigkeitsdrucks auf einen in Flüssigkeit eingetauchten Würfel (Abb. 37.2).

Die Druckkräfte an den Seitenflächen des Würfels gleichen sich gegenseitig aus. Aber die Druckkräfte auf der Ober- und Unterseite sind nicht ausgeglichen: Da der Flüssigkeitsdruck mit der Tiefe zunimmt, wirkt auf die Unterseite des Würfels eine größere Druckkraft als auf die Oberseite.

Folglich ist die Resultierende der auf alle Bereiche der Würfeloberfläche wirkenden Druckkräfte nach oben gerichtet. Dabei handelt es sich um die Auftriebskraft bzw. Archimedes-Kraft, die Sie aus dem Physik-Grundkurs der Schule kennen.

5. Wie groß ist die archimedische Kraft, die auf einen Würfel mit der Kantenlänge a wirkt, der in eine Flüssigkeit der Dichte ρ eingetaucht ist?

Lassen Sie uns herausfinden, wie hoch der Modul der archimedischen Kraft ist, die auf einen Körper beliebiger Form wirkt, wohin diese Kraft gerichtet ist und an welchem Punkt sie angewendet wird. In Abbildung 37.3 stellen die roten Pfeile schematisch die Flüssigkeitsdruckkräfte dar, die auf Körperteile im gleichen Bereich wirken. Diese Kräfte nehmen mit zunehmender Tiefe zu.

Ersetzen wir gedanklich den in eine Flüssigkeit eingetauchten Körper durch dieselbe Flüssigkeit. Auf die Oberflächen dieses „flüssigen“ Körpers wirken die gleichen Druckkräfte wie auf diesen Körper (Abb. 37.3, b). Folglich ist die Resultierende der Druckkräfte, die auf die Flüssigkeit im Volumen eines gegebenen Körpers wirken, dieselbe wie die Archimedes-Kraft, die auf den gegebenen Körper selbst wirkt.

Beachten Sie nun, dass sich das zugewiesene Flüssigkeitsvolumen innerhalb derselben Flüssigkeit im Gleichgewicht befindet. Folglich gleichen sich die Schwerkraft m und die auf sie wirkende archimedische Kraft A aus, das heißt, sie sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet (Abb. 37.3, c). Es folgt dem
Auf einen in eine Flüssigkeit eingetauchten Körper wirkt eine nach oben gerichtete archimedische Kraft A, deren Größe dem Gewicht der Flüssigkeit im Volumen des in die Flüssigkeit eingetauchten Körperteils entspricht:

F A = ρgV tauchfähig (3)

Die obige Schlussfolgerung zeigt, dass die archimedische Kraft im Schwerpunkt des vom Körper verdrängten Flüssigkeitsvolumens wirkt (Abb. 32.3, c).

Der resultierende Ausdruck für die Archimedische Kraft und die Aussage über den Angriffspunkt gelten auch dann, wenn der Körper nur teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht ist.

6. An den Enden eines leichten Stabes der Länge Aluminium und Messing sind Kugeln gleicher Masse aufgehängt. Das System befindet sich im Gleichgewicht. Der Stab wird zusammen mit den Kugeln in Wasser getaucht.
a) Bleibt das Gleichgewicht der Rute erhalten? Und wenn nicht, welcher Ball im Wasser überwiegt?
b) In Richtung welcher Kugel soll der Aufhängepunkt des Stabes verschoben werden, damit dieser im Wasser im Gleichgewicht ist?
c) Bezeichnen wir die Länge des Stabes l, die Massen der Kugeln m, die Dichten von Wasser, Aluminium und Messing ρ in, ρ a und ρ l sowie die Volumina der Kugeln V a und V l. Bezeichnen wir den Verschiebungsmodul des Aufhängepunktes mit x. Erklären Sie, warum die Gleichung wahr ist:

d) Um wie viel muss der Aufhängepunkt des Stabes verschoben werden, damit er im Wasser im Gleichgewicht ist, wenn l = 1 m, die Dichte von Messing das 3-fache der Dichte von Aluminium und die Dichte von Aluminium das 2,7-fache der Dichte beträgt aus Wasser?

7. Am Boden des Aquariums ist eine Feder befestigt, an deren oberem Ende eine Holzkugel befestigt ist (Abb. 37.4). Wie groß ist die Dichte des Baumes, wenn sich die elastische Verformungsenergie der Feder nach dem Einfüllen von Wasser in das Aquarium nicht ändert? Gehen Sie davon aus, dass der Ball vollständig in Wasser eingetaucht ist.

8. Ein dünner Kunststoffstab der Masse m und der Länge l, der an einem Ende aufgehängt ist, ist teilweise in Wasser eingetaucht und befindet sich in geneigter Position im Gleichgewicht (Abb. 37.5). In diesem Fall beträgt die Länge des in Wasser eingetauchten Teils des Stabes l 1. Bezeichnen wir die Querschnittsfläche des Stabes S, die Dichte des Kunststoffs ρ p, die Dichte des Wassers ρ w.

a) Zeichnen Sie auf der Zeichnung die Schwerkraft und die Archimedes-Kraft ein, die auf den Stock wirken. Erklären Sie, warum die Gleichungen gültig sind:

b) Wie groß ist die Dichte des Kunststoffs, wenn l 1 = 0,5l?

Geben Sie ein Glas Wasser hinzu

Kehren wir zum Stab im Glas zurück, der in § 36 besprochen wurde. Nun soll das Glas bis zum Rand mit Wasser gefüllt sein (Abb. 37.6). Wir gehen davon aus, dass sich die Position des Sticks nicht verändert hat.

? 9. Wie und warum veränderte sich die Druckkraft vom Glasrand auf den Stab, nachdem das Glas mit Wasser gefüllt wurde?
Führen wir die folgende Notation ein:
l – Stocklänge,
S – seine Querschnittsfläche,
m ist die Masse des Stabes,
ρ – Stabdichte,
ρ in – Dichte des Wassers,
h – Höhe des Glases,
d ist sein Durchmesser.

Um die Formeln zu vereinfachen, ist es zweckmäßig, α als den Winkel zwischen dem Stab und der Vertikalen und die Länge des im Glas befindlichen Teils des Stabes als b zu bezeichnen (α und b können durch h und d ausgedrückt werden, aber es ist es bequemer, eigene Bezeichnungen für sie einzuführen, um die Formeln zu vereinfachen.

Wir bezeichnen die vom Rand des Glases auf den Stab wirkende Kraft mit k und die Archimedes-Kraft mit A.

10. Tragen Sie auf der Zeichnung in Ihrem Notizbuch alle Kräfte ein, die auf den Stock wirken, und erklären Sie, warum die Gleichungen gültig sind:

11. In einem glatten zylindrischen Glas mit einem Durchmesser von 6 cm und einer Höhe von 8 cm befindet sich ein dünner Stab von 15 cm Länge. Die Dichte des Stabes beträgt das Zweifache der Dichte von Wasser. Um wie viel Mal verringert sich die Druckkraft des Stabes auf den Rand des Glases, nachdem es mit Wasser gefüllt ist?

3. Schwebende Körper

Zustand von Schwimmkörpern

Wenn ein Körper schwimmt, gleicht die auf ihn wirkende archimedische Kraft A die Schwerkraft m aus. Daher gilt:

Dies gilt für jeden Körper und jede Flüssigkeit, unabhängig davon, ob der Körper vollständig (Abb. 37.7, a) oder teilweise (Abb. 37.7, b) in die Flüssigkeit eingetaucht ist.

(Der Angriffspunkt der Archimedes-Kraft stimmt möglicherweise nicht mit dem Angriffspunkt der Schwerkraft überein. Da hier jedoch nur die erste Gleichgewichtsbedingung verwendet wird, stellen wir diese Kräfte in der Zeichnung so dar, wie sie an einem Punkt wirken.)

? 12. Identische Holzkugeln schwimmen in Wasser und Kerosin. Welcher Ball erfährt die größte Archimedes-Kraft?

Schwimmen homogener Körper

Die Masse m eines homogenen Körpers hängt durch die Beziehung mit seiner Dichte ρт und seinem Volumen V zusammen

m = ρ t V. (5)

Und die Archimedes-Kraft ist gleich dem Gewicht der Flüssigkeit im Volumen des eingetauchten Körperteils. Bezeichnen wir die Dichte der Flüssigkeit mit ρl und das Volumen des in die Flüssigkeit eingetauchten Körperteils mit V. Dann

F A = ρ f gV tauchfähig (6)

13. Erklären Sie, warum die Beziehung wahr ist

V Eintauchen /V = ρ t /ρ Flüssigkeit. (7)

Hinweis. Verwenden Sie die Formeln (4), (5), (6).

14. Kehren wir zu zwei identischen Holzkugeln zurück, von denen die erste im Wasser und die zweite in Kerosin schwimmt. Die Masse jeder Kugel beträgt 100 g.
a) Bei welcher Kugel ist das Volumen des eingetauchten Teils größer?
b) Um wie viel größer ist das Volumen des eingetauchten Teils einer Kugel als das des anderen?

Lassen Sie den Körper nun auf der Grenze zweier Flüssigkeiten schweben (Abb. 37.8). Wie kann man das Volumen eines Körperteils ermitteln, der in jede Flüssigkeit eingetaucht ist?

Ersetzen wir, wie bei der Ableitung des Ausdrucks (3) für die Archimedes-Kraft, die in unterschiedlichen Flüssigkeiten befindlichen Körperteile durch zwei „Körper“ gleichen Volumens und gleicher Form, die aus den entsprechenden Flüssigkeiten bestehen. (In diesem Fall müssen wir davon ausgehen, dass der Teil des Körpers, der sich über der Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten befindet (gestrichelte Linie in Abbildung 37.10), in der oberen Flüssigkeit eingetaucht ist und unterhalb dieser Grenze in der unteren Flüssigkeit eingetaucht ist.)

Diese Körper befinden sich in „ihren“ Flüssigkeiten im Gleichgewicht. Folglich ist die Resultierende der auf alle Teile der Körperoberfläche ausgeübten Druckkräfte nach oben gerichtet und entspricht betragsmäßig dem Gesamtgewicht der Flüssigkeiten in dem vom Körper verdrängten Volumen.

15. Wenn ein Block an der Grenze zweier Flüssigkeiten schwimmt, drückt die obere (leichtere) Flüssigkeit auf ihn (Abb. 37.9)! Warum sollten wir bei der Bestimmung der Auftriebskraft, die auf den Block wirkt, davon ausgehen, dass die von der Seite der leichteren Flüssigkeit auf ihn einwirkende archimedische Kraft nach oben gerichtet ist?

16. Ein Körper mit Volumen V und Dichte ρт schwimmt auf der Grenze zweier Flüssigkeiten, deren Dichten ρ 1 und ρ 2 sind. Bezeichnen wir die Volumina der in jede Flüssigkeit eingetauchten Körperteile als V 1 und V 2 . Erklären Sie, warum die folgende Gleichung wahr ist:

ρ 1 V 1 + ρ 2 V 2 = ρтV.

17. Ein 10 cm hoher Plastikblock schwimmt auf der Grenze von Wasser und Kerosin und der Block ist 4 cm in Wasser eingetaucht. Welche Dichte hat der Block?

Schwimmen inhomogener Körper

Wenn der Körper heterogen ist (z. B. aus unterschiedlichen Materialien besteht oder einen Hohlraum aufweist), kann das Volumen des in Flüssigkeit eingetauchten Körperteils auch mit Formel (4) ermittelt werden. Erinnern wir uns: Sie behauptet, dass die auf einen schwebenden Körper wirkende Archimedes-Kraft die Schwerkraft ausgleicht.

18. Eine hohle Kupferkugel schwimmt auf der Wasseroberfläche. Der Radius der Kugel beträgt 10 cm und die Wandstärke 1 mm. Welcher Bruchteil des Kugelvolumens ist in Wasser eingetaucht?
Hinweis. Das Volumen einer Kugel mit Radius r und ihre Oberfläche werden durch die Formeln V = (4πr 3)/3, S = 4πr 2 ausgedrückt. Wenn die Dicke der Wände der Kugel d viel geringer ist als ihr Radius, wird das Volumen ihrer Wände (Hülle) mit einem guten Maß an Genauigkeit durch die Formel V ob = Sd ausgedrückt, wobei S die Oberfläche von ist der Ball.

19. Auf der Wasseroberfläche schwimmt eine flache Eisscholle mit einer Fläche von 5 m2 und einer Dicke von 10 cm. Die Dichte des Eises beträgt 0,9 der Dichte des Wassers.
a) Was ist die kleinste Masse, die auf die Eisscholle gebracht werden muss, damit sie vollständig im Wasser untergeht?
b) Wie viel Arbeit muss mindestens geleistet werden, um die Eisscholle vollständig im Wasser zu versenken?

Hinweis. In diesem Fall können Sie beim Ermitteln der Arbeit zum Heben oder Eintauchen eines Körpers das arithmetische Mittel der Werte der archimedischen Kraft nehmen, die im Anfangs- und Endzustand auf den Körper einwirkt.

Verliert ein in Wasser getauchter Körper Gewicht?

Lassen Sie uns Erfahrung sammeln
Wir wiegen einen Zylinder aus einer Leichtmetalllegierung und ein zur Hälfte mit Wasser gefülltes Glas (Abb. 37.10, a) und tauchen den am Dynamometer aufgehängten Zylinder dann in ein Glas Wasser (Abb. 37.10, b).

Wir werden sehen, dass die Dynamometerwerte gesunken sind. Das lässt sich leicht erklären: Auf einen in Wasser getauchten Zylinder wirkt die archimedische Kraft.
Bedeutet dies, dass das Gewicht eines in eine Flüssigkeit eingetauchten Körpers um den Betrag abnimmt, der der Auftriebskraft entspricht?

Nein, das tut es nicht! Denken wir daran, dass das Gewicht die Kraft ist, mit der der Körper die Aufhängung streckt oder auf die Stütze drückt. Beim Eintauchen des Zylinders in Wasser nimmt sein Gewicht nicht ab, sondern wird neu verteilt: Die Aufhängung (Dynamometer) trägt nur noch einen Teil des Gewichts des Zylinders, der Rest fällt auf die Unterlage (Wasser). Dies lässt sich leicht überprüfen: Wenn der Zylinder in Wasser getaucht wurde, stiegen die Messwerte der Waage, auf der das Glas Wasser stand, um den gleichen Betrag, wie die Messwerte des Dynamometers, an dem der Zylinder aufgehängt war, abnahmen.

Wenn ein Mensch auf dem Wasser liegt (Abb. 37.11), gleicht die auf ihn wirkende archimedische Kraft die Schwerkraft aus. Aber dieser Mensch befindet sich nicht in der Schwerelosigkeit: Das Wasser dient ihm als sehr weiche, aber dennoch stabile Stütze. Das Gewicht des Menschen lastet auf dem Wasser und entspricht der Schwerkraft (wie bei jedem ruhenden Körper).

? 20. Befindet sich ein Fisch im Wasser im Zustand der Schwerelosigkeit?

Zusätzliche Fragen und Aufgaben

21. Wenn ein an einem Dynamometer aufgehängter Körper in Wasser eingetaucht wird, sind die Messwerte des Dynamometers gleich P in, und wenn derselbe Körper in Kerosin eingetaucht ist, sind die Messwerte des Dynamometers gleich P k. Wie groß sind die Messwerte des Dynamometers P? wenn der Körper in der Luft ist? Bedenken Sie, dass die Dichte des Körpers größer ist als die Dichte von Wasser und die Dichte von Kerosin 0,8 der Dichte von Wasser beträgt.

22. Ein Würfel mit einer Dichte von 900 kg/m 3 schwimmt in einem Gefäß mit Wasser. Die Kantenlänge des Würfels beträgt 10 cm. Auf das Wasser wird eine Schicht Kerosin gegossen, sodass die obere Kerosinebene bündig mit der Oberkante des Würfels abschließt.
a) Wie dick ist die Kerosinschicht?
b) Wie stark hat sich die Eintauchtiefe des Würfels in Wasser verändert?

23. Aluminium- und Messingkugeln gleichen Volumens sind an den Enden eines 1 m langen Leuchtstabs balanciert. Der Stab wird zusammen mit den Kugeln in Wasser getaucht. Bleibt das Gleichgewicht der Rute erhalten? Und wenn nicht, welcher Ball im Wasser überwiegt?

24. Eine lange Stahlkette ist an einer Holzkugel mit einer Masse von 20 kg und einer Dichte von 400 kg/m3 befestigt. Die Masse einer 1 m langen Kette beträgt 1 kg. Nehmen wir die Dichte von Stahl gleich 8 * 10 3 kg/m 3. Die Kugel und die Kette werden in den See abgesenkt, sodass ein Teil der Kette auf dem Grund liegt. In welcher Höhe über dem Boden befindet sich die Kugel im Gleichgewicht, wenn sie vollständig in Wasser eingetaucht ist? Bedenken Sie, dass der Radius der Kugel im Vergleich zur Eintauchtiefe vernachlässigt werden kann.

25. In einem hohen, glatten zylindrischen Glas mit einem Durchmesser von 6 cm befindet sich ein dünner Stab von 10 cm Länge und 100 g Gewicht (Abb. 37.12). Die Dichte des Stabes beträgt das Zweifache der Dichte von Wasser. Mit welcher Kraft drückt das obere Ende des Stäbchens auf die Glaswand, wenn Wasser bis zur Mitte des Stäbchens in das Glas gegossen wird?

Hinweis. Die erforderliche Kraft wird horizontal gerichtet. Wenden Sie die zweite Gleichgewichtsbedingung relativ zum unteren Ende des Stabes an.

In § 147 hieß es, dass der Druck einer 10 Meter hohen Wassersäule einer Atmosphäre entspricht. Die Dichte von Meersalzwasser ist 1-2 % größer als die Dichte von Süßwasser. Daher können wir mit angemessener Genauigkeit davon ausgehen, dass sich der hydrostatische Druck pro 10 Meter Eintauchen ins Meer um eine Atmosphäre erhöht. Beispielsweise erfährt ein 100 m unter Wasser getauchtes U-Boot einen Druck von 10 atm (über Atmosphärendruck), was in etwa dem Druck im Dampfkessel einer Dampflokomotive entspricht. Somit entspricht jede Tiefe unter der Wasseroberfläche einem bestimmten hydrostatischen Druck. U-Boote sind mit Manometern ausgestattet, die den Meerwasserdruck messen; Dadurch können Sie die Tiefe des Tauchgangs bestimmen.

In sehr großen Tiefen macht sich die Kompressibilität des Wassers bemerkbar: Durch die Kompression ist die Dichte des Wassers in tiefen Schichten größer als an der Oberfläche, und daher steigt der Druck mit der Tiefe etwas schneller als nach einem linearen Gesetz und der Druck Die Grafik weicht etwas von einer geraden Linie ab. Der zusätzliche Druck, der durch die Kompression des Wassers entsteht, steigt proportional zum Quadrat der Tiefe. In der größten Tiefe des Ozeans, gleich 11 km, erreicht er fast 3 % des Gesamtdrucks in dieser Tiefe.

Zur Erkundung sehr großer Tiefen werden Bathyspheres und Bathyscaphes eingesetzt. Eine Bathysphäre ist eine hohle Stahlkugel, die dem enormen Wasserdruck in den Tiefen des Meeres standhält. In der Wand der Bathysphäre sind Bullaugen angebracht – Löcher, die mit haltbarem Glas hermetisch verschlossen sind. Der Scheinwerfer beleuchtet Wasserschichten, in die kein Sonnenlicht mehr eindringen kann. Die Bathysphäre, in der sich der Forscher befindet, wird an einem Stahlseil vom Schiff herabgelassen. Auf diese Weise konnten Tiefen von etwa 1 km erreicht werden. Bathyscaphes, bestehend aus einer Bathysphäre, die am Boden eines großen, mit Benzin gefüllten Stahltanks befestigt ist (Abb. 254), tauchen in noch größere Tiefen ab.

Reis. 254. Bathyscaphe

Da Benzin leichter als Wasser ist, kann ein solches Bathyscaphe in den Tiefen des Meeres schweben wie ein Luftschiff in der Luft. Benzin spielt hier die Rolle des Leichtgases. Das Bathyscaphe ist mit einem Ballastvorrat und Motoren ausgestattet, mit deren Hilfe es sich im Gegensatz zur Bathysphere selbständig bewegen kann, ohne mit dem Schiff auf der Wasseroberfläche verbunden zu sein.

Zunächst schwimmt das Bathyscaphe wie ein aufgetauchtes U-Boot auf der Wasseroberfläche. Um in die leeren Ballastkammern einzutauchen, wird Meerwasser eingelassen, und das Bathyscaphe taucht unter Wasser und sinkt immer tiefer bis auf den Grund. Zum Aufstieg wird der Ballast abgeladen und das leichte Bathyscaphe schwimmt wieder an die Oberfläche. Der tiefste Tauchgang wurde am 23. Januar 1960 durchgeführt, als das Bathyscaphe 20 Minuten lang auf dem Grund des Marianengrabens im Pazifischen Ozean lag, in einer Tiefe von 10919 m unter der Wasseroberfläche, wo der Wasserdruck (berechnet unter (unter Berücksichtigung der Zunahme der Wasserdichte aufgrund des Salzgehalts und der Kompression) betrug über 1150 atm. Forscher, die in das Tauchboot hinabstiegen, entdeckten Lebewesen selbst in dieser größten Tiefe der Weltmeere.

Ein Schwimmer oder Gerätetaucher, der unter Wasser taucht, erfährt auf der gesamten Körperoberfläche den hydrostatischen Druck des umgebenden Wassers, der über dem konstanten Atmosphärendruck liegt. Obwohl der Körper eines Tauchers (Abb. 255), der in einem Gummianzug (Raumanzug) arbeitet, nicht in direktem Kontakt mit dem Wasser steht, erfährt er den gleichen Druck wie der Körper des Schwimmers, da die Luft im Raumanzug komprimiert werden muss der Druck des umgebenden Wassers. Aus dem gleichen Grund muss die Luft, die dem Taucher über den Schlauch zum Atmen zugeführt wird, unter einem Druck gepumpt werden, der dem Wasserdruck in der Eintauchtiefe des Tauchers entspricht. Die Luft, die aus Druckluftflaschen in die Maske des Tauchers gelangt, sollte den gleichen Druck haben. Unter Wasser muss man Hochdruckluft atmen.

Reis. 255. Taucher im Gummianzug mit Metallhelm. Durch einen Schlauch wird dem Taucher Luft zugeführt

Reis. 256. Taucherglocke

Die Taucherglocke (Abb. 256) oder der Senkkasten bewahren den U-Bootfahrer nicht vor hohem Druck, da die Luft in ihnen ausreichend komprimiert werden muss, um das Eindringen von Wasser in die Glocke zu verhindern, d. h. auf den Druck des umgebenden Wassers. Daher wird beim allmählichen Eintauchen der Glocke ständig Luft hineingepumpt, sodass der Luftdruck dem Wasserdruck in einer bestimmten Tiefe entspricht. Ein erhöhter Druck schadet der menschlichen Gesundheit und schränkt die Tiefe ein, in der ein Taucher sicher arbeiten kann. Die übliche Tauchtiefe eines Tauchers im Gummi-Raumanzug beträgt nicht mehr als 40 m: In dieser Tiefe erhöht sich der Druck um 4 atm. Die Arbeit eines Tauchers in größeren Tiefen ist nur in einem Hartschalenanzug („Shell“) möglich, der den Wasserdruck absorbiert. In einem solchen Raumanzug kann man sich sicher in einer Tiefe von bis zu 200 m aufhalten. Die Luft in einem solchen Raumanzug wird mit atmosphärischem Druck zugeführt.

Bei einem längeren Aufenthalt unter Wasser bei einem Druck, der deutlich über dem Atmosphärendruck liegt, löst sich eine große Menge Luft im Blut und anderen Körperflüssigkeiten des Tauchers. Wenn ein Taucher schnell an die Oberfläche steigt, beginnt die unter hohem Druck gelöste Luft in Form von Blasen aus dem Blut freigesetzt zu werden (so wie in Limonade gelöste Luft, die sich in einer verschlossenen Flasche unter hohem Druck befindet, in Form von Blasen freigesetzt wird). Blasenbildung beim Herausziehen des Korkens). Die freigesetzten Blasen verursachen starke Schmerzen im ganzen Körper und können schwere Erkrankungen („Caisson-Krankheit“) auslösen. Daher sollte ein Taucher, der sich längere Zeit in großen Tiefen aufgehalten hat, langsam (stundenlang!) an die Oberfläche gehoben werden, damit die gelösten Gase Zeit haben, nach und nach freigesetzt zu werden, ohne dass sich Blasen bilden.

Es gibt Legenden, dass im Meer versunkene Schiffe nicht auf den Grund sinken, sondern in einer gewissen Tiefe hängen bleiben und sich mit den Meeresströmungen fortbewegen. Ist das fair? Wasserdruck in den Tiefen des Ozeans erreicht wirklich enorme Werte. In einer Tiefe von 10 m drückt es mit einer Kraft von 10 N pro 1 cm 2 eines eingetauchten Körpers, in einer Tiefe von 100 m – 0,1 kN, 1.000 m – 1 kN usw. In der Tiefe des Marianengrabens – 11,5 km - der Wasserdruck erreicht fast 120 MPa. Bei diesem Druck in den Tiefen des Ozeans wurden Holzstücke, nachdem sie an die Oberfläche gebracht wurden, so stark komprimiert, dass sie im Wasser versanken und fest verschlossene Flaschen durch den Druck des Wassers zerdrückt wurden. Es besteht die Meinung, dass eine auf eine solche Tiefe abgesenkte Schusswaffe nicht abgefeuert werden kann.

Es ist davon auszugehen, dass der ungeheure Druck des Wassers in den Tiefen des Ozeans das Wasser so stark verdichtet, dass Schiffe und andere schwere Gegenstände darin hängen bleiben und nicht sinken. Aber Wasser lässt sich, wie alle Flüssigkeiten, nur schwer komprimieren. Wenn man Wasser auf eine solche Dichte komprimieren würde, dass es darin schwimmen würde, müsste man es achtmal komprimieren. Um nur die Hälfte zu verdichten, also das Volumen um die Hälfte zu reduzieren, ist ein Druck von 1100 MPa erforderlich. Dies entspricht einer Tiefe von 110 km, was nicht realistisch ist!

An der tiefsten Stelle des Ozeans ist das Wasser 5 % dichter. Dies kann die Schwimmbedingungen verschiedener Körper darin kaum beeinflussen, zumal auch feste Gegenstände, die in solches Wasser eingetaucht sind, diesem Druck ausgesetzt sind und daher ebenfalls verdichtet werden. Daraus können wir schließen, dass sie auf dem Meeresboden ruhen. Selbst auf dem Kopf stehende Schiffe haben keine Chance, obwohl in manchen Schiffsräumen die Luft dicht verschlossen ist. Ist es möglich, dass einige von ihnen nie den Grund erreichen und in den dunklen Tiefen des Ozeans schweben? Ein leichter Stoß würde ausreichen, um ein solches Gefäß aus dem Gleichgewicht zu bringen, es umzudrehen, es mit Wasser zu füllen und es auf den Boden fallen zu lassen. Aber woher kommen Erschütterungen in den Tiefen des Ozeans, wo immer Stille und Ruhe herrschen und wo nicht einmal das Echo von Stürmen durchdringt?

Alle diese Argumente basieren auf einem physikalischen Fehler. Ein Schiff mit nach oben gerichtetem Kiel beginnt überhaupt nicht zu sinken, sondern bleibt auf der Wasseroberfläche. Er kann sich auf keinen Fall auf halbem Weg zwischen Meeresspiegel und Meeresboden befinden.

Angesichts der Tatsache, dass ein solches Phänomen noch nie bei versunkenen Schiffen beobachtet oder getestet wurde, sollte ein ernsthafter Wissenschaftler auch nur den geringsten Zweifel an irgendetwas lassen. Darüber hinaus wird die Meinung über zugefrorene Schiffe von vielen Seeleuten geteilt. Tatsache ist, dass Schiffe oft über versiegelte Abteile verfügen. Und wenn diese Kompartimente nicht beschädigt sind und Luft darin verbleibt, wird sie durch den Druck des Wassers in den Tiefen des Ozeans nicht komprimiert und ihr Volumen bleibt gleich. Daher beginnt das Schiff, dessen Gesamtdichte höher ist als die Oberflächendichte des Meerwassers (fast immer weniger dicht – sowohl aufgrund der höheren Temperatur als auch des geringeren Salzgehalts), zu sinken, und wenn es kalte Temperaturen erreicht (in den Tiefen der Ozeane). die Temperatur beträgt +4 0 C, während seine maximale Dichte) und seine salzigeren Schichten auf unbestimmte Zeit hängen bleiben...

Es stellt sich heraus, dass wir das Schicksal eines Schiffs besiegeln, indem wir es beim Zuwasserlassen an der Seite zerbrechen. Sie führt ihn unermüdlich durch die Meere und Ozeane, die er besuchen soll. Und wenn das Schiff sinkt, ist das noch nicht das Ende. Der Wasserdruck in den Tiefen des Ozeans könnte eine neue Legende über wandernde, schwebende versunkene Schiffe entstehen lassen!

Betrachten wir das Gleichgewicht einer homogenen Flüssigkeit, die sich im Schwerefeld der Erde befindet.

Auf jedes Flüssigkeitsteilchen, das sich im Schwerefeld der Erde befindet, wirkt die Schwerkraft. Unter dem Einfluss dieser Kraft drückt jede Flüssigkeitsschicht auf die darunter liegenden Schichten. Dadurch ist der Druck im Inneren der Flüssigkeit auf verschiedenen Niveaus nicht gleich. Daher herrscht in Flüssigkeiten aufgrund ihres Gewichts ein Druck.

Der Druck aufgrund des Gewichts der Flüssigkeit wird aufgerufen hydrostatischer Druck.

Für eine quantitative Berechnung isolieren wir gedanklich ein kleines zylindrisches Volumen in der Flüssigkeit, das vertikal angeordnet ist und einen Querschnitt hat S und Höhe H(Abb. 2). Im Falle einer stationären Flüssigkeit das Gewicht dieses Zylinders und damit die Druckkraft auf die Plattform S an der Basis ist gleich der Schwerkraft \(~m \vec g\).

Dann der Druck auf der Website

\(~p = \frac(mg)(S) = \frac(\rho Vg)(S) = \frac(\rho hSg)(S) = \rho gh.\)

\(~p = \rho gh\) - hydrostatischer Druck, Wo ρ - Flüssigkeitsdichte, H- Höhe der Flüssigkeitssäule. Somit ist der hydrostatische Druck gleich dem Gewicht einer Flüssigkeitssäule mit einer Einheitsbasis und einer Höhe, die der Eintauchtiefe eines Punktes unter der freien Oberfläche der Flüssigkeit entspricht.

Die Abhängigkeit des Drucks von der Eintauchtiefe in die Flüssigkeit ist in Abbildung 3 grafisch dargestellt.

Der Druck der Flüssigkeit am Boden hängt nicht von der Form des Gefäßes ab, sondern wird nur von der Höhe des Flüssigkeitsspiegels und seiner Dichte bestimmt. In allen in Abbildung 4 dargestellten Fällen ist der Flüssigkeitsdruck am Boden der Gefäße gleich.

In einer bestimmten Tiefe drückt die Flüssigkeit gleichmäßig in alle Richtungen – nicht nur nach unten, sondern auch nach oben und zur Seite.

Folglich ist der Druck auf die Wand in einer bestimmten Tiefe derselbe wie der Druck auf eine horizontale Plattform in derselben Tiefe.

Wenn über der freien Oberfläche der Flüssigkeit Druck entsteht P 0, dann beträgt der Druck in der Flüssigkeit in der Tiefe

\(~p = p_0 + \rho gh.\)

Beachten Sie den Unterschied in den Ausdrücken: „Flüssigkeitsdruck in der Tiefe.“ H" (P = pgh) und „Druck in der Flüssigkeit in der Tiefe“. H" (P = P 0 + pgh). Dies muss bei der Lösung verschiedener Probleme berücksichtigt werden.

Die Druckkräfte auf den Boden und die Wände können mit den Formeln berechnet werden: \[~F_d = \rho gh S_d\] – die Kraft des Flüssigkeitsdrucks auf den horizontalen Boden, wobei S d – unterer Bereich;

\(~F_(st) = \frac(\rho gh)(2) S_(st)\) ist die Kraft des Flüssigkeitsdrucks auf die seitliche rechteckige vertikale Wand des Gefäßes, wobei S st - Wandbereich.

In einer ruhenden Flüssigkeit ist die freie Oberfläche der Flüssigkeit immer horizontal.

Es kommt häufig vor, dass sich eine Flüssigkeit, die relativ zu einem Gefäß ruht, mit diesem bewegt. Wenn sich das Gefäß gleichmäßig und geradlinig bewegt, ist die freie Oberfläche der Flüssigkeit horizontal. Bewegt sich das Gefäß jedoch mit Beschleunigung, ändert sich die Situation und es stellen sich Fragen nach der Form der freien Oberfläche der Flüssigkeit und der Druckverteilung darin.

Bei horizontaler Bewegung eines Gefäßes mit der Beschleunigung \(~\vec a\) im Schwerefeld der Erde ist also jeder Teil der Flüssigkeit mit einer Masse ausgestattet M bewegt sich mit der gleichen Beschleunigung \(~\vec a\) unter der Wirkung der resultierenden Druckkraft \(~\vec N_d\), die vom Rest der Flüssigkeit und der Schwerkraft \(~m \vec g\) wirkt (Abb. 5).

Grundgleichung der Dynamik:

\(~\vec N_d + m \vec g = m \vec a.\)

Dadurch ist die freie Oberfläche der Flüssigkeit nicht horizontal, sondern bildet einen Winkel mit dem Horizont α , was leicht gefunden werden kann, wenn wir die Grundgleichung der Dynamik auf die horizontale und vertikale Achse projizieren\[~N_d \sin \alpha = ma; \N_d\cos\alpha = mg\]. Von hier

\(~\operatorname(tg) = \frac ag.\)

Der Druck auf die horizontale Fläche (horizontaler Boden) nimmt entgegen der Beschleunigung zu.

Literatur

Aksenovich L. A. Physik in der Sekundarschule: Theorie. Aufgaben. Tests: Lehrbuch. Zuschuss für Einrichtungen der Allgemeinbildung. Umwelt, Bildung / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - S. 95-97.