Давление жидкости и закон Паскаля

Нажмите на поршень заполненного водой шприца с закрытым отверстием — вода не сожмётся, но давление внутри вырастет сразу везде, а не только там, где палец. Физика 7 класс объясняет это явление законом Паскаля — одним из самых наглядных законов во всей школьной программе.

Что такое закон Паскаля? Формулировка звучит так: давление, приложенное к жидкости или газу, передаётся во всех направлениях без изменения. Закон Паскаля простыми словами — надавите на жидкость в одном месте, и это почувствуют все точки сосуда сразу, а не только та, куда давили.

Формулировка и суть закона 

Какой закон Паскаля формулируют физики? Внешнее давление на жидкость передаётся одинаково в любую точку этой жидкости — вот и вся формулировка закона Паскаля, несмотря на то что открытие ему больше трёхсот лет. Давление закон Паскаля ставит в центр всего объяснения — без него не обойтись ни в одной формуле этой темы.

Кстати, про паскаль — закон Паскаля назвали не только в честь самого учёного, но и единицу давления назвали так же: паскаль. Па закон Паскаля связывает напрямую: именно в паскалях выражают давление во всех формулах этой темы. 1 закон Паскаля считают первым по-настоящему фундаментальным законом гидростатики, который проходят в школе, а иногда его же обозначают как 4 закон Паскаля среди законов о давлении жидкостей и газов — нумерация зависит от учебника.

Где выполняется закон Паскаля

В жидкостях и газах закон Паскаля выполняется, а вот в твёрдых телах — нет: там давление ведёт себя совсем иначе. Где выполняется закон Паскаля лучше всего? Там, где среда способна течь и заполнять любую форму сосуда.

Тем же самым правилам, что и жидкость, подчиняется и газ — в поиске это иногда пишут просто «закон Паскаля газ». Давление газов закон Паскаля передаёт так же равномерно, хотя газ гораздо легче сжать, а жидкость почти нет.

Закон Паскаля и давление

Неразрывно друг с другом связаны закон Паскаля и давление: без давления не было бы и самого закона. Приложите силу к поршню — и давление сразу разойдётся по всему объёму жидкости, а не задержится около поршня.

Управлять этим можно, меняя площадь, к которой давление приложено. Небольшое усилие на маленьком поршне превращается в большую силу на поршне побольше — в этом суть гидравлического пресса.

Закон Паскаля в гидростатике

Центральное место закон Паскаля в гидростатике занимает не случайно: без него нельзя объяснить, почему давление на глубине выше, чем у поверхности. Жидкости передают давление одинаково во все стороны — в отличие от твёрдых тел, где сила распространяется совсем по-другому.

Текучая среда — необходимое условие для работы закона. Газ и жидкость подходят, а вот камень — нет, как бы сильно на него ни давили.

Гидравлика вокруг нас

Гидравлический пресс — самый наглядный пример применения закона. Гидравлические тормоза в автомобиле передают усилие ноги на все четыре колеса сразу, и водитель об этом даже не задумывается.

Гидросистема самолёта управляет закрылками и шасси именно через передачу давления жидкостью. Гидропривод заменяет громоздкие механические передачи там, где нужна большая сила при небольшом усилии оператора.

Домкрат в багажнике машины поднимает тонны груза усилием одной руки — и это тоже он, закон Паскаля в действии. Механизмы с гидравлическим приводом часто надёжнее чисто механических аналогов в задачах с большой нагрузкой.

Опыты, иллюстрирующие закон

Проще некуда закон Паскаля опыт демонстрирует такой: шприц без иглы, наполненный водой, с закрытым отверстием. Надавите на поршень — и вода попытается выйти равномерно через любое отверстие, сколько бы их ни было.

Есть и историческая демонстрация — так называемый шар Паскаля: сосуд с несколькими отверстиями, из которых вода бьёт одинаковыми струями. Опытным путём закон подтвердили ещё в XVII веке, и с тех пор ни разу не опровергли.

Примеры закона Паскаля в жизни

Примеры закона Паскаля встречаются на каждом шагу: надувной матрас, автомобильные тормоза, кран с гидроприводом. Закон Паскаля в жизни работает даже там, где мы совсем не думаем о физике — просто нажимая на педаль тормоза.

Поршня в шприце достаточно, чтобы почувствовать принцип на кончиках пальцев. А вот поршни разного диаметра в одной системе как раз и дают тот самый выигрыш в силе — небольшой поршень толкает большой, и итоговое усилие вырастает в разы.

Сообщающиеся сосуды

Сообщающихся сосудов закон касается напрямую: уровень жидкости в них всегда одинаков, если жидкость одна и та же, вне зависимости от формы каждого сосуда. Сосуды сообщающиеся используют в водопроводных башнях и артезианских скважинах — форма роли не играет, важна только высота.

Молекулы и несжимаемость

Почему закон вообще работает? Дело в молекулах: частицы вещества в жидкости расположены плотно, но подвижно, и потому могут свободно передавать давление друг другу. Межмолекулярное расстояние в жидкости меньше, чем в газе, поэтому жидкости почти не сжимаются.

Постоянный объём жидкости — ключевое допущение всей гидростатики. Сжимаемость жидкостей ничтожна по сравнению со сжимаемостью газов, и эта несжимаемость воды — то самое приближение, которым пользуются почти во всех школьных задачах.

Сила и площадь поршня

Силы, приложенной к поршню, достаточно, чтобы вся система пришла в движение. А вот дальше начинается магия закона: силу можно многократно усилить, просто увеличив площадь второго поршня.

Приложенная сила к малому поршню создаёт большую силу на большом — в этом и заключается экономия усилий, ради которой гидравлику вообще придумали.

Уравнение и физический смысл

Уравнения закона Паскаля просты: давление равно силе, делённой на площадь, и оно одинаково в любой точке связанной жидкости. Формула не менялась со времён самого Паскаля.

Физический смысл закона прост: жидкость не может сжаться, поэтому давление вынуждено распределяться равномерно. Раздел физики, который изучает подобные процессы, называется гидростатика.

Атмосферное давление и поверхность

Атмосферное давление тоже подчиняется закону Паскаля: воздух передаёт давление во все стороны, включая вверх, а не только вниз, как можно было бы подумать. Воздушная оболочка планеты — тоже своего рода текучая среда, где действует тот же принцип.

Площадь поверхности поршня определяет итоговую силу в гидравлической системе — чем она больше, тем больше и сила на выходе при том же давлении.

Значение закона Паскаля

Далеко за пределы школьного учебника выходят закон Паскаля и его значение: от медицинских шприцов до тормозов грузовиков. Основной принцип остаётся неизменным везде, где есть жидкость под давлением.

Базовое правило звучит просто: давление передаётся равномерно — и этого хватает для множества практических применений. Фундаментальное положение гидростатики не устарело за три с половиной века и вряд ли устареет.

Заключение: практическое значение закона Паскаля

Один из самых практичных законов физики — закон Паскаля: он объясняет и работу тормозов, и подъём тяжестей домкратом. Применений у него в жизни куда больше, чем кажется на первый взгляд.