فشار آب بسته به عمق فشار آب در اعماق اقیانوس

به یاد بیاورید که فشار p توسط رابطه تعیین می شود

که در آن F مدول نیروی فشار است، S سطحی است که نیروی فشار روی آن اثر می کند. نیروی فشار عمود بر سطح هدایت می شود.

فشار یک کمیت اسکالر است. با N پاسکال (Pa) اندازه گیری می شود: 1 Pa \u003d 1 N / m 2. فشار اتمسفر حدود 105 Pa است. لایه های پوشاننده مایع وزن خود را بر روی لایه های زیرین فشار می دهند. بنابراین، فشار در مایع با عمق افزایش می یابد. وابستگی فشار مایع به عمق را می توان با یافتن نیروی فشار در کف یک ظرف استوانه ای به دست آورد.

1. نشان دهید که فشار یک مایع با چگالی ρ در عمق h (به استثنای فشار اتمسفر) با فرمول بیان می شود.

سرنخ. نیروی فشار مایع را در کف ظرف استوانه ای پیدا کنید و از فرمول (1) استفاده کنید.

اگر فشار خارجی بر روی سطح مایع اعمال شود (مثلاً فشار پیستون یا فشار اتمسفر)، فشار مایع در عمق h با فرمول بیان می شود.

p = p ext + ρgh.

2. فشار در دریاچه دو برابر فشار اتمسفر در چه عمقی است؟ در بسیاری از مسائل (مثلاً هنگام یافتن نیروی ارشمیدس)، تنها تفاوت فشار سیال در اعماق مختلف مهم است و در این تفاوت سهم فشار اتمسفر کاهش می یابد. بنابراین در چنین مواردی فشار اتمسفر در نظر گرفته نمی شود، یعنی فشار در عمق h با فرمول (2) پیدا می شود. ما همین کار را انجام خواهیم داد، بدون اینکه هر بار شرط کنیم.

اگر چند مایع غیرقابل اختلاط با چگالی متفاوت در ظرف وجود داشته باشد، فشار ایجاد شده توسط آنها برابر است با مجموع فشارهای ایجاد شده توسط لایه هر مایع.

3. در یک ظرف استوانه ای با مساحت کف 1 dm 2 آب و نفت سفید وجود دارد (این مایعات با هم مخلوط نمی شوند). جرم کل مایعات 2.8 کیلوگرم است، سطح بالای نفت سفید در ارتفاع 30 سانتی متر از پایین است. چگالی نفت سفید 0.8 چگالی آب است.
الف) رابط مایع در چه ارتفاعی از پایین قرار دارد؟
ب) جرم نفت سفید چقدر است؟

4. در یک لوله U شکل با آرنج های یکسان، با سطح مقطع 10 -3 متر مربع، آب وجود دارد (شکل 37.1). 0.1 کیلوگرم نفت سفید در زانوی چپ ریخته می شود.

الف) روی نقشه موقعیت مایعات را در زانوهای لوله بکشید.
ب) ارتفاع ستون نفت سفید چقدر است؟
ج) فشار مایعات در سطح سطح مشترک مایع چقدر است؟
د) ارتفاع ستون آب در زانوی راست بالاتر از سطح جداسازی مایع چقدر است؟
ه) سطح آب در زانوی راست نسبت به حالت اولیه چقدر بالا رفته است؟
سرنخ. در زانوی راست، سطح آب به همان میزانی که در زانوی چپ پایین آمد، افزایش یافت (چون حجم آب تغییر نکرده است).

2. قانون ارشمیدس

نیروهای فشار یک مایع را روی یک مکعب غوطه ور در یک مایع در نظر بگیرید (شکل 37.2).

نیروهای فشار در وجوه جانبی مکعب متقابلاً متعادل هستند. اما نیروهای فشار روی سطح بالا و پایین متعادل نیستند: از آنجایی که فشار سیال با عمق افزایش می‌یابد، نیروی فشار بیشتری بر روی سطح پایینی مکعب وارد می‌شود تا روی آن.

در نتیجه، حاصل نیروهای فشار وارد بر تمام بخش‌های سطح مکعب به سمت بالا هدایت می‌شود. این نیروی شناور یا نیروی ارشمیدس است که از درس فیزیک مدرسه برای شما آشناست.

5. نیروی ارشمیدس بر روی مکعبی با طول لبه a غوطه ور در مایعی با چگالی ρ چیست؟

بیایید دریابیم که مدول نیروی ارشمیدس که بر جسمی با شکل دلخواه عمل می کند چقدر است، این نیرو به کجا هدایت می شود و در چه نقطه ای اعمال می شود. در شکل 37.3، a، فلش های قرمز به صورت شماتیک نیروهای فشار سیال را که بر قسمت هایی از بدنه همان ناحیه اعمال می کنند، نشان می دهند. با افزایش عمق، این نیروها افزایش می یابند.


اجازه دهید جسم غوطه ور در مایع را با همان مایع به طور ذهنی جایگزین کنیم. همان نیروهای فشاری بر روی سطح این جسم "مایع" مانند این جسم عمل می کند (شکل 37.3، ب). در نتیجه، برآیند نیروهای فشار وارد بر سیال در حجم یک جسم معین، با نیروی ارشمیدس وارد بر خود جسم معین یکسان خواهد بود.

اکنون توجه داشته باشید که حجم مایع انتخاب شده در داخل همان مایع در حالت تعادل است. در نتیجه، نیروی گرانش t و نیروی ارشمیدس A که بر آن وارد می‌شود، یکدیگر را متعادل می‌کنند، یعنی از نظر قدر مطلق برابر هستند و در جهت مخالف هستند (شکل 37.3، ج). از این رو نتیجه می شود که
جسمی که در مایع غوطه ور است با نیروی رو به بالا ارشمیدس A که از نظر قدر مطلق برابر با وزن مایع در حجم بخشی از بدن غوطه ور در مایع است، وارد می شود:

F A = ​​ρgV (3)

نتیجه گیری بالا نشان می دهد که نیروی ارشمیدس در مرکز ثقل حجم مایع جابجا شده توسط بدن اعمال می شود (شکل 32.3، ج).

عبارت حاصل برای نیروی ارشمیدس و بیانیه در مورد نقطه کاربرد آن نیز زمانی معتبر است که بدن فقط تا حدی در مایع غوطه ور باشد.

6. در انتهای یک میله سبک با طول (گلوله های آلومینیومی و برنجی با جرم مساوی معلق هستند. سیستم در حالت تعادل است. میله همراه با توپ ها در آب غوطه ور می شود).
الف) آیا میله در حالت تعادل باقی می ماند؟ و اگر نه، وزن کدام توپ در آب بیشتر است؟
ب) نقطه تعلیق میله را در جهت کدام گوی باید حرکت داد تا در آب در حالت تعادل قرار گیرد؟
ج) طول میله l، جرم گلوله ها m، چگالی آب، آلومینیوم و برنج ρ در، ρ a و ρ l، و حجم گلوله های V a و V l را نشان می دهیم. بیایید مدول جابجایی نقطه تعلیق را با x نشان دهیم. دلیل درست بودن معادله را توضیح دهید:

د) نقطه تعلیق میله چقدر باید جابجا شود تا در آب در حالت تعادل باشد، اگر l = 1 متر، چگالی برنج 3 برابر چگالی آلومینیوم و چگالی آلومینیوم 2.7 برابر است. چگالی آب؟

7. یک فنر به پایین آکواریوم متصل شده است که به انتهای بالایی آن یک توپ چوبی متصل شده است (شکل 37.4). اگر انرژی کشسانی چشمه پس از ریختن آب در آکواریوم تغییر نکند، چگالی درخت چقدر است؟ در نظر بگیرید که توپ کاملاً در آب فرو رفته است.

8. یک چوب پلاستیکی نازک به جرم m و طول l که در یک انتها آویزان شده است تا حدی در آب غوطه ور شده و در حالت مایل در حالت تعادل قرار دارد (شکل 37.5). در این حالت طول قسمتی از چوب غوطه ور در آب برابر با l 1 است. اجازه دهید سطح مقطع چوب S، چگالی پلاستیک ρ p، چگالی آب ρc را نشان دهیم.

الف) نیروی گرانش و نیروی ارشمیدس وارد بر چوب را روی نقشه بکشید. دلیل درست بودن معادلات را توضیح دهید:

ب) چگالی پلاستیک چقدر است اگر l 1 \u003d 0.5l باشد؟

در یک لیوان آب بچسبانید

اجازه دهید به چوب در لیوان که در § 36 بحث شد برگردیم. اما اکنون اجازه دهید لیوان تا بالا با آب پر شود (شکل 37.6). ما فرض می کنیم که موقعیت چوب تغییر نکرده است.

? 9. چگونه و چرا نیروی فشار لبه لیوان روی چوب پس از پر شدن لیوان از آب تغییر کرد؟
اجازه دهید نماد را معرفی کنیم:
l طول چوب است،
S مساحت سطح مقطع آن است،
m جرم چوب است،
ρ چگالی چوب است،
ρ در - چگالی آب،
h ارتفاع لیوان است،
d قطر آن است.

برای ساده کردن فرمول ها، تعیین α زاویه بین چوب و عمود، و طول بخشی از چوب در شیشه b راحت است (α و b را می توان از طریق h و d بیان کرد، اما راحت تر است. برای ساده کردن فرمول ها، نام های خود را برای آنها معرفی کنند).

نیروی وارد بر چوب از سمت لبه شیشه با k و نیروی ارشمیدس - A نشان داده می شود.

10. در نقاشی دفترچه یادداشت تمام نیروهای وارد بر چوب را مشخص کنید و توضیح دهید که چرا معادلات معتبر هستند:

11. در یک لیوان استوانه ای صاف به قطر 6 سانتی متر و ارتفاع 8 سانتی متر یک چوب نازک به طول 15 سانتی متر وجود دارد که چگالی چوب 2 برابر چگالی آب است. فشار چوب روی لبه لیوان بعد از پر شدن از آب چند برابر کاهش می یابد؟

3. بدن شنا

وضعیت شناور بدن

وقتی جسمی شناور می شود، نیروی ارشمیدس A که بر آن وارد می شود، نیروی گرانش m را متعادل می کند.

این برای هر جسم و هر مایعی صادق است، صرف نظر از اینکه بدن به طور کامل در مایع غوطه ور است (شکل 37.7، الف) یا تا حدی (شکل 37.7، ب).

(ممکن است نقطه اعمال نیروی ارشمیدس با نقطه اعمال نیروی گرانش منطبق نباشد. اما از آنجایی که در اینجا فقط از اولین شرط تعادل استفاده می شود، این نیروها را در نقشه به صورت اعمال شده در یک نقطه نشان می دهیم.)

? 12. توپ های چوبی یکسان در آب و نفت سفید شناور می شوند. بیشترین نیروی ارشمیدس بر کدام توپ تأثیر می گذارد؟

شنای اجسام همگن

جرم m یک جسم همگن به چگالی ρt و حجم V با رابطه مربوط است

m = ρ t V. (5)

و نیروی ارشمیدس برابر با وزن مایع در حجم قسمت غوطه ور بدن است. بگذارید چگالی مایع ρzh و حجم بخشی از بدن غوطه ور در غوطه وری مایع V را نشان دهیم. سپس

F A = ​​ρ W gV (6)

13. توضیح دهید که چرا این نسبت درست است

غوطه وری V /V = ρ t /ρ چاه. (7)

سرنخ. از فرمول های (4)، (5)، (6) استفاده کنید.

14. به دو توپ چوبی یکسان برگردیم که اولی در آب شناور است و دومی در نفت سفید. جرم هر توپ 100 گرم است.
الف) حجم قسمت غوطه ور شده برای کدام توپ بیشتر است؟
ب) حجم قسمت غوطه ور شده یک توپ تا چه اندازه از دیگری بیشتر است؟

حال اجازه دهید بدن روی مرز دو مایع شناور شود (شکل 37.8). چگونه می توان حجم بخشی از بدن غوطه ور در هر مایع را پیدا کرد؟

همانطور که در اشتقاق عبارت (3) برای نیروی ارشمیدس استدلال می کنیم، قسمت هایی از بدن را که در مایعات مختلف قرار دارند با دو «جسم» هم حجم و یک شکل که از مایعات مربوطه تشکیل شده اند، جایگزین می کنیم. (در این مورد، لازم است قسمتی از بدن که بالای سطح مشترک مایع (خط چین در شکل 37.10) است را در مایع بالایی غوطه ور و زیر این مرز در قسمت پایینی در نظر بگیرید.)

این اجسام در مایعات "خود" در تعادل خواهند بود. در نتیجه، حاصل نیروهای فشار وارد شده به تمام قسمت‌های سطح بدن به سمت بالا هدایت می‌شود و از نظر قدر مطلق با وزن کل مایعات در حجم جابجا شده توسط بدن برابر است.

15. هنگامی که یک بلوک روی مرز دو مایع شناور می شود، مایع K. بالایی (فندک) روی آن فشار می آورد (شکل 37.9)! پس چرا هنگام یافتن نیروی شناوری وارد بر میله، باید فرض کنیم که نیروی ارشمیدس که از سمت سیال فندکی بر آن وارد می‌شود، به سمت بالا هدایت می‌شود؟

16. جسمی با حجم V و چگالی ρt روی مرز دو مایع شناور است که چگالی آنها ρ 1 و ρ 2 است. اجازه دهید حجم اعضای بدن غوطه ور در هر مایع را به صورت V 1 و V 2 نشان دهیم. دلیل درست بودن معادله زیر را توضیح دهید:

ρ 1 V 1 + ρ 2 V 2 = ρτV.

17. یک میله پلاستیکی به ارتفاع 10 سانتی متر روی مرز آب و نفت سفید شناور می شود و میله به اندازه 4 سانتی متر در آب فرو می رود چگالی میله چقدر است؟

شنای اجسام ناهمگن

اگر بدن ناهمگن باشد (مثلاً از مواد مختلف ساخته شده باشد یا دارای حفره باشد)، حجم بخشی از بدن غوطه ور در مایع را نیز می توان با استفاده از فرمول (4) یافت. به یاد بیاورید که او ادعا می کند که نیروی ارشمیدس که بر روی یک جسم شناور عمل می کند، نیروی گرانش را متعادل می کند.

18. یک توپ مسی توخالی روی سطح آب شناور است. شعاع توپ 10 سانتی متر و ضخامت دیواره آن 1 میلی متر است. چه کسری از حجم کره در آب غوطه ور است؟
سرنخ. حجم یک کره با شعاع r و مساحت سطح آن با فرمول های V = (4πr 3)/3، S = 4πr 2 بیان می شود. اگر ضخامت دیواره های توپ d بسیار کمتر از شعاع آن باشد، حجم دیواره های آن (پوسته) با دقت خوبی با فرمول V vol \u003d Sd بیان می شود که در آن S مساحت سطح است. توپ

19. یک یخ تخت به مساحت 5 متر مربع و ضخامت 10 سانتی متر بر روی سطح آب شناور است که چگالی یخ 0.9 تراکم آب است.
الف) کوچکترین وزنه ای که باید روی یخ گذاشته شود تا کاملاً در آب غوطه ور شود چیست؟
ب) حداقل کار لازم برای غوطه ور کردن کامل یخ در آب چقدر است؟

سرنخ. در این حالت، هنگام یافتن کار برای بلند کردن یا غرق کردن بدن، می توانید میانگین حسابی مقادیر نیروی ارشمیدس را که در حالت اولیه و نهایی بر بدن وارد می شود، بگیرید.

آیا بدن غوطه ور در آب وزن کم می کند؟

بیایید تجربه را بگذاریم
بیایید یک استوانه از آلیاژ فلز سبک و یک لیوان نیمه پر از آب را وزن کنیم (شکل 37.10، a) و سپس استوانه آویزان شده از دینامومتر را در یک لیوان آب فرو می کنیم (شکل 37.10، b).


خواهیم دید که قرائت دینامومتر کاهش یافته است. توضیح این موضوع آسان است: نیروی ارشمیدس بر روی استوانه ای که در آب غوطه ور شده است، عمل می کند.
آیا این بدان معناست که وزن جسم غوطه ور در مایع به اندازه نیروی شناور کاهش می یابد؟

نه، اینطور نیست! به یاد داشته باشید که وزن نیرویی است که بدن با آن تعلیق را کشیده یا روی تکیه گاه فشار می دهد. هنگامی که سیلندر در آب غوطه ور شد، وزن آن کاهش پیدا نکرد، بلکه دوباره توزیع شد: اکنون فقط بخشی از وزن سیلندر روی سیستم تعلیق (دینامومتر) و بقیه وزن روی تکیه گاه (آب) می افتد. تأیید این امر آسان است: هنگامی که استوانه در آب غوطه ور می شود، خوانش ترازوهایی که لیوان آب روی آن قرار دارد، به اندازه خوانش دینامومتری که استوانه به آن آویزان شده است، کاهش می یابد.

هنگامی که شخصی روی آب دراز می کشد (شکل 37.11)، نیروی ارشمیدس که بر او وارد می شود، نیروی گرانش را متعادل می کند. اما این شخص در بی وزنی نیست: آب به عنوان یک تکیه گاه بسیار نرم، اما همچنان به او خدمت می کند.

? 20. آیا ماهی در آب در حالت بی وزنی است؟

سوالات و وظایف اضافی

21. وقتی جسم معلق از دینامومتر در آب غوطه ور می شود، قرائت دینامومتر برابر با P در است و هنگامی که همان جسم در نفت سفید غوطه ور شود، قرائت دینامومتر برابر با P k است. قرائت دینامومتر P برابر است. به اگر بدن در هوا است؟ در نظر بگیرید که چگالی بدن از چگالی آب بیشتر است و چگالی نفت سفید 8/0 چگالی آب است.

22. یک مکعب با چگالی 900 کیلوگرم بر متر مکعب در ظرفی با آب شناور است. طول لبه مکعب 10 سانتی متر است، یک لایه نفت سفید روی آب ریخته می شود تا سطح بالای نفت سفید با سطح بالای مکعب همسطح شود.
الف) ضخامت لایه نفت سفید چقدر است؟
ب) عمق غوطه ور شدن مکعب در آب چقدر تغییر کرده است؟

23. در انتهای یک میله سبک به طول 1 متر، گلوله های آلومینیومی و برنجی با حجم مساوی تعادل دارند. میله همراه با توپ ها در آب غوطه ور می شود. آیا تعادل میله حفظ می شود؟ و اگر نه، وزن کدام توپ در آب بیشتر است؟

24. یک زنجیر فولادی بلند به یک توپ چوبی با جرم 20 کیلوگرم و چگالی 400 کیلوگرم بر متر مکعب متصل شده است. جرم 1 متر زنجیر 1 کیلوگرم است. چگالی فولاد را برابر با 8 * 10 3 کیلوگرم بر متر مکعب در نظر بگیرید. یک توپ با یک زنجیر به داخل دریاچه پایین می آید به طوری که بخشی از زنجیره در پایین قرار می گیرد. اگر توپ به طور کامل در آب غوطه ور شود، در چه ارتفاعی از پایین قرار می گیرد؟ در نظر بگیرید که شعاع توپ در مقایسه با عمق غوطه وری را می توان نادیده گرفت.

25. در یک شیشه استوانه ای صاف و بلند به قطر 6 سانتی متر یک چوب نازک به طول 10 سانتی متر و وزن 100 گرم وجود دارد (شکل 37.12). چگالی یک چوب 2 برابر آب است. با ریختن آب داخل لیوان تا وسط چوب انتهای بالایی چوب با چه نیرویی به دیواره لیوان فشار می آورد؟

سرنخ. نیروی مورد نظر به صورت افقی هدایت می شود. حالت تعادل دوم را نسبت به انتهای پایین چوب اعمال کنید.

در بند 147 آمده بود که فشار ستون آب به ارتفاع 10 متر برابر با یک اتمسفر است. چگالی آب نمک دریا ۱ تا ۲ درصد بیشتر از چگالی آب شیرین است. بنابراین می توان با دقت کافی در نظر گرفت که غواصی در دریا به ازای هر 10 متر باعث افزایش یک اتمسفر فشار هیدرواستاتیک می شود. برای مثال، یک زیردریایی که 100 متر زیر آب غوطه ور شده، فشار 10 اتمسفر (بالاتر از اتمسفر) را تجربه می کند که تقریباً فشار داخل دیگ بخار یک لوکوموتیو بخار است. بنابراین، هر عمق زیر سطح آب مربوط به فشار هیدرواستاتیک خاصی است. زیردریایی ها مجهز به فشارسنج هایی هستند که فشار آب دریا را اندازه گیری می کنند. این به شما امکان می دهد عمق غوطه وری را تعیین کنید.

در اعماق بسیار زیاد، تراکم پذیری آب از قبل قابل توجه است: به دلیل فشرده شدن، چگالی آب در لایه های عمیق بیشتر از سطح است و بنابراین فشار با عمق تا حدودی سریعتر از طبق قانون خطی افزایش می یابد. نمودار فشار تا حدودی از یک خط مستقیم منحرف می شود. افزایش فشار ناشی از فشردگی آب به نسبت مربع عمق افزایش می یابد. در بزرگترین عمق اقیانوس، معادل 11 کیلومتر، تقریباً به 3 درصد فشار کل در این عمق می رسد.

برای کاوش در اعماق بسیار زیاد، از باتیسفرها و حمام ها استفاده می شود. باتیسفر یک توپ توخالی فولادی است که می تواند فشار بسیار زیاد آب در اعماق دریا را تحمل کند. سوراخ‌ها در دیوار حمام‌کره چیده شده‌اند - سوراخ‌هایی که با شیشه‌های بادوام به طور هرمتیک مهر و موم شده‌اند. نورافکن لایه‌هایی از آب را که نور خورشید دیگر نمی‌تواند در آن‌ها نفوذ کند، روشن می‌کند. باتیسفری که محقق در آن قرار می گیرد، از روی یک کابل فولادی از کشتی پایین می آید. به این ترتیب امکان رسیدن به عمق حدود 1 کیلومتری وجود داشت. حمام‌ها، متشکل از یک حمام، که در پایین یک مخزن بزرگ فولادی پر از بنزین تقویت شده است (شکل 254)، حتی به اعماق بیشتری فرود می‌آیند.

برنج. 254. حمام

از آنجایی که بنزین از آب سبک تر است، چنین حمامی می تواند مانند یک کشتی هوایی در اعماق دریا شناور باشد. نقش گاز سبک در اینجا توسط بنزین بازی می شود. باتیس اسکاف با منبعی از بالاست و موتورها عرضه می شود که با کمک آنها، بر خلاف باتیسفر، می تواند به طور مستقل بدون اتصال به کشتی در سطح آب حرکت کند.

در ابتدا، حمام مانند یک زیردریایی سطحی روی سطح آب شناور می شود. برای غواصی در محفظه های خالی بالاست، آب خارج از دریا وارد می شود و حمام به زیر آب می رود و عمیق تر و عمیق تر می شود و تا ته آن فرو می رود. برای صعود، بالاست رها می شود و حمام سبک وزن دوباره به سطح شناور می شود. عمیق ترین غواصی در 23 ژانویه 1960 انجام شد، زمانی که حمام به مدت 20 دقیقه در پایین ترانشه ماریانا در اقیانوس آرام، در عمق 10919 متری زیر سطح آب قرار گرفت، جایی که فشار آب (محاسبه شده است). با احتساب افزایش تراکم آب به دلیل شوری و در اثر فشار) بیش از 1150 اتمسفر بود. محققانی که در یک حمام فرود آمدند، موجودات زنده را حتی در این بزرگترین اعماق اقیانوس های جهان کشف کردند.

شناگر یا غواصی که در زیر آب غواصی می کند، فشار هیدرواستاتیک آب اطراف را در کل سطح بدن خود بیش از فشار اتمسفر دائماً فعال تجربه می کند. اگر چه بدن یک غواص (شکل 255)، که با لباس لاستیکی (لباس فضایی) کار می کند، در تماس مستقیم با آب نیست، اما فشاری مشابه بدن شناگر را تجربه می کند، زیرا هوای لباس باید به همان اندازه باشد. به فشار آب اطراف فشرده می شود. به همین دلیل، هوایی که از طریق شیلنگ برای تنفس به غواص می رسد باید با فشاری برابر با فشار آب در عمق غوطه ور شدن غواص پمپ شود. همین فشار باید برای هوایی که از سیلندرهای هوای فشرده وارد ماسک غواص می شود باشد. در زیر آب، باید هوای پرفشار تنفس کنید.

برنج. 255. غواص در لباس لاستیکی با کلاه ایمنی فلزی. هوا از طریق یک لوله در اختیار غواص قرار می گیرد

برنج. 256. زنگ غواصی

زنگ غواصی (شکل 256)، یا کیسون، زیردریایی را از افزایش فشار نجات نمی دهد، زیرا هوای موجود در آنها باید به اندازه کافی فشرده شود تا از ورود آب به زنگ، یعنی به فشار آب اطراف جلوگیری کند. بنابراین، هنگامی که زنگ به تدریج غوطه ور می شود، هوا در تمام مدت به داخل آن پمپ می شود تا فشار هوا با فشار آب در یک عمق معین برابر شود. افزایش فشار برای سلامتی انسان مضر است و این محدودیتی را در عمقی که یک غواص می تواند با خیال راحت کار کند ایجاد می کند. عمق معمول غواصی یک غواص با لباس لاستیکی از 40 متر تجاوز نمی کند: در این عمق، فشار 4 اتمسفر افزایش می یابد. کار یک غواص در عمق بیشتر فقط در لباس سخت ("پوسته") که فشار آب را تحمل می کند امکان پذیر است. در چنین لباس فضایی می توانید با خیال راحت در عمق 200 متری بمانید.هوا در فشار اتمسفر به چنین لباس فضایی عرضه می شود.

با ماندن طولانی مدت زیر آب با فشاری بسیار بالاتر از اتمسفر، مقدار زیادی هوا در خون و سایر مایعات بدن غواص حل می شود. اگر غواص سریعاً به سطح برود، هوای حل شده تحت فشار بالا شروع به حباب زدن از خون می کند (همانطور که هوای حل شده در لیموناد در یک بطری در بسته تحت فشار بالا به شکل حباب با بیرون کشیدن چوب پنبه آزاد می شود. ). تاول های فراری باعث درد شدید در سراسر بدن می شوند و می توانند باعث بیماری جدی ("بیماری کیسون") شوند. بنابراین، غواصی را که مدت زیادی را در اعماق زیاد گذرانده است، باید به آرامی (ساعت ها!) به سطح بالا برد تا گازهای محلول بدون ایجاد حباب، زمان آزاد شدن تدریجی داشته باشند.

افسانه هایی وجود دارد که نشان می دهد کشتی های غرق شده در اقیانوس به پایین غرق نمی شوند، بلکه در عمق خاصی آویزان می شوند و همراه با جریان های اقیانوسی حرکت می کنند. آیا منصفانه است؟ فشار آب در اعماق اقیانوسواقعا به اندازه های بزرگ می رسد. در عمق 10 متری، با نیروی 10 نیوتن به ازای هر 1 سانتی متر مربع از بدن غوطه ور، در عمق 100 متر - 0.1 کیلو نیوتن، 1000 متر - 1 کیلو نیوتن، و غیره فشار می آورد. در عمق ترانشه ماریانا - 11.5 کیلومتر - فشار آب به تقریبا 120 مگاپاسکال می رسد. با چنین فشاری در اعماق اقیانوس، تکه‌های چوب پس از بیرون آمدن به سطح، به قدری فشرده می‌شدند که در آب غرق می‌شدند و بطری‌های محکم بسته شده در اثر فشار آب له می‌شدند. این عقیده وجود دارد که اسلحه ای که تا چنین عمقی پایین آمده است را نمی توان شلیک کرد.

می توان فرض کرد که فشار هیولایی آب در اعماق اقیانوس، آب را فشرده می کند به طوری که کشتی ها و سایر اجسام سنگین در آن آویزان می شوند و غرق نمی شوند. اما آب مانند همه مایعات به راحتی قابل تراکم نیست. اگر آب را به اندازه ای فشرده کنید که در آن شناور شود، باید 8 بار متراکم شود. در ضمن، برای فشرده سازی فقط به نصف، یعنی کاهش حجم به نصف، فشار 1100 مگاپاسکال لازم است. این مربوط به عمق 110 کیلومتری است که واقعی نیست!

در عمیق ترین قسمت اقیانوس، آب 5 درصد فشرده می شود. این تقریباً نمی تواند بر شرایط شناور کردن اجسام مختلف در آن تأثیر بگذارد، به خصوص که اجسام جامد غوطه ور در چنین آبی نیز تحت این فشار قرار می گیرند و بنابراین، آنها نیز فشرده می شوند. بنابراین، می توان نتیجه گرفت که آنها در کف اقیانوس قرار دارند. با وجود این که در برخی از مناطق کشتی هوا به شدت قفل می شود، حتی برای کشتی هایی که به سمت بالا حرکت می کنند، شانسی وجود ندارد. آیا ممکن است برخی از آنها هرگز به پایین نرسند و در اعماق تاریک اقیانوس معلق بمانند؟ یک فشار سبک برای از بین بردن تعادل چنین ظرفی کافی است، آن را برگردانید، آن را با آب پر کنید و به ته بیفتد. اما چگونه می توان در اعماق اقیانوس، جایی که سکوت و آرامش تا ابد حاکم است و حتی پژواک طوفان ها در آن نفوذ نمی کند، شوک وجود داشته باشد؟

همه این استدلال ها بر اساس یک خطای فیزیکی است. یک کشتی واژگون شده به سمت بالا به هیچ وجه شروع به غرق شدن نمی کند، بلکه روی سطح آب باقی می ماند. نمی تواند در نیمه راه بین سطح اقیانوس و کف آن باشد.

با توجه به اینکه چنین پدیده ای هرگز با کشتی های غرق شده مشاهده یا تأیید نشده است، یک دانشمند جدی باید حتی کوچکترین شکی در مورد چیزی باقی بگذارد. علاوه بر این، نظر بسیاری از ملوانان در مورد کشتی های معلق وجود دارد. واقعیت این است که کشتی ها اغلب دارای محفظه های مهر و موم شده هستند. و اگر این محفظه ها آسیب نبینند و هوا در آنها باقی بماند، فشار آب آن در اعماق اقیانوس فشرده نمی شود و به همان حجم می ماند. بنابراین، کشتی با داشتن چگالی کل بیشتر از چگالی سطحی آب اقیانوس ها (تقریباً همیشه کمتر چگالی - به دلیل دمای بالاتر و شوری کمتر)، شروع به غرق شدن می کند و هنگامی که به دمای سرد (در اعماق) می رسد. از اقیانوس‌ها، دمای +4 0 درجه سانتی‌گراد است، در حالی که حداکثر چگالی آن) و لایه‌های نمکی‌تر آن، برای مدت نامحدودی یخ می‌زند.

معلوم می شود که با شکستن کشتی در هنگام پرتاب، ما سرنوشت آن را نام می بریم. او بی امان او را از طریق دریاها و اقیانوس ها هدایت می کند، جایی که او قرار است از آنجا دیدن کند. و اگر این اتفاق افتاد که کشتی غرق شد، این پایان کار نیست. فشار آب در اعماق اقیانوس ممکن است افسانه جدیدی از کشتی های غرق شده سرگردان را به وجود آورد!

تعادل یک سیال همگن در میدان گرانشی زمین را در نظر بگیرید.

هر ذره سیال در میدان گرانشی زمین تحت تأثیر نیروی گرانش است. تحت تأثیر این نیرو، هر لایه مایع بر روی لایه های واقع در زیر خود فشار می آورد. در نتیجه فشار داخل مایع در سطوح مختلف یکسان نخواهد بود. بنابراین در مایعات به دلیل وزن آن فشار وجود دارد.

فشار ناشی از وزن مایع نامیده می شود فشار هیدرواستاتیک.

برای یک محاسبه کمی، اجازه دهید به طور ذهنی در یک مایع حجم کوچکی از شکل استوانه ای را که به صورت عمودی قرار دارد، با مقطع عرضی جدا کنیم. اسو ارتفاع ساعت(شکل 2). در مورد یک سیال ساکن، وزن این سیلندر و در نتیجه نیروی فشار روی سکو اسدر پایه برابر با نیروی گرانش \(~m \vec g\) خواهد بود.

سپس فشار روی پد

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

\(~p = \rho gh\) - فشار هیدرواستاتیک، جایی که ρ چگالی مایع است، ساعتارتفاع ستون مایع است. بنابراین، فشار هیدرواستاتیک برابر با وزن یک ستون مایع با پایه واحد و ارتفاعی برابر با عمق غوطه ور شدن یک نقطه در زیر سطح آزاد مایع است.

از نظر گرافیکی، وابستگی فشار به عمق غوطه ور شدن در مایع در شکل 3 نشان داده شده است.

فشار مایع در کف به شکل ظرف بستگی ندارد، بلکه تنها با ارتفاع سطح مایع و چگالی آن تعیین می شود. در تمام موارد نشان داده شده در شکل 4، فشار مایع در کف مخازن یکسان است.

مایع در یک عمق معین به طور مساوی در همه جهات فشار می آورد - نه تنها به پایین، بلکه به بالا و به طرفین.

بنابراین، فشار روی دیوار در یک عمق معین، با فشار روی یک سکوی افقی واقع در همان عمق یکسان خواهد بود.

اگر فشاری در بالای سطح آزاد مایع ایجاد شود پ 0، سپس فشار در مایع در عمق خواهد بود

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

به تفاوت عبارات توجه کنید: «فشار سیال در عمق ساعت" (پ = pgh) و "فشار در مایع در عمق ساعت" (پ = پ 0 + pgh). این باید در هنگام حل مشکلات مختلف در نظر گرفته شود.

نیروهای فشار در پایین و روی دیوارها را می توان با فرمول محاسبه کرد \[~F_d = \rho gh S_d\] - نیروی فشار مایع در کف افقی، که در آن اسد - منطقه پایین؛

\(~F_(st) = \frac(\rho gh)(2) S_(st)\) - نیروی فشار مایع روی دیواره مستطیلی عمودی جانبی ظرف، جایی که اسخیابان - منطقه دیوار.

در سیال در حال سکون، سطح آزاد سیال همیشه افقی است.

اغلب مواردی وجود دارد که مایع در حالت استراحت نسبت به رگ با آن حرکت می کند. اگر در این حالت رگ به طور یکنواخت و مستقیم حرکت کند، سطح آزاد مایع افقی خواهد بود. اما اگر کشتی با شتاب حرکت کند، وضعیت تغییر می کند و سؤالاتی در مورد شکل سطح آزاد مایع، در مورد توزیع فشار در آن ایجاد می شود.

بنابراین، در مورد حرکت افقی یک کشتی با شتاب \(~\vec a\) در میدان گرانشی زمین، هر بخشی از مایع با جرم متربا همان شتاب \(~\vec a\) تحت تأثیر نیروی فشار حاصل \(~\vec N_d\) که از بقیه مایع و گرانش \(~m \vec g\) عمل می کند حرکت می کند (شکل 1). 5).

معادله پایه دینامیک:

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

در نتیجه سطح آزاد مایع افقی نخواهد بود، بلکه زاویه ای با افق ایجاد می کند α ، که اگر معادله پایه دینامیک را بر روی محورهای افقی و عمودی طرح کنیم به راحتی می توان آن را پیدا کرد\[~N_d \sin \alpha = ma; \N_d \cos \alpha = mg\]. از اینجا

\(~\نام اپراتور(tg) = \frac ag.\)

فشار روی سطح افقی (پایین افقی) در جهت مخالف شتاب افزایش می یابد.

ادبیات

Aksenovich L. A. فیزیک در دبیرستان: نظریه. وظایف. تست ها: Proc. کمک هزینه برای موسسات ارائه عمومی. محیط ها، آموزش / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; اد. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 95-97.