Физика на службе человека

Блез Паскаль (1623г. – 1662г.)
Точные науки, литература и философия – всё это входило в широкий круг интересов французского учёного по имени Блез Паскаль. Физика также привлекала его с юных лет: мальчик проводил много экспериментов, а впоследствии сформулировал и доказал ряд важных законов, один из которых назван в его честь – закон Паскаля. Этот закон учёный изложил в труде под названием «Трактат о равновесии жидкостей», который был написан в 1653 году, а опубликован спустя десять лет.

Закон Паскаля
Закон Паскаля является основным законом гидростатики. Он гласит: «Давление, оказываемое на поверхность жидкости или газа внешними силами, передаётся во всех направлениях одинаково»
Как же он был выведен?

Опыт Паскаля
В 1648 году Блез Паскаль провёл следующий опыт. Он вставил в закрытую бочку, наполненную водой, трубку диаметром 1 см, длиной 5 м и, поднявшись на балкон второго этажа дома, стал наливать из кружки в эту трубку воду.

Результат опыта
Когда вода поднялась на высоту приблизительно 4 м, давление воды увеличилось настолько, что в крепкой дубовой бочке образовались щели, через которые потекла вода. Опыт показал, что в состоянии покоя давление во всех точках объёма жидкости одинаково и зависит от высоты столба жидкости. Это утверждение справедливо и для покоящихся газов.

Объяснение закона
Объяснить закон Паскаля для жидкостей и газов можно тем, что поведение молекул под воздействием внешнего давления отличается от молекул твёрдых веществ. Способности к движению у них разные. Для первых наблюдается относительно свободное движение, а вот в твёрдом теле молекулы достаточно ограничены : для них доступны только небольшие колебания с минимальным отклонением от исходных положений. А свободно двигающиеся частички газов и жидкостей передают давление и распространяют его равномерно.

Математическая формулировка закона
Поскольку давление в жидкости или газе передаётся во всех направлениях одинаково и не зависит от ориентации площадки, на которую оно действует, то математически закон Паскаля можно выразить так: p=F/S.
Определение давления жидкости на дно сосуда происходит по формуле:
p=P/S=gρSh/s или p=gρh

Применение на практике
Закон Паскаля вложен в основу устройств многих механизмов. Например:
Гидравлический пресс
Тормозные системы
Распылители
Заправочные агрегаты
Системы водоснабжения

Гидравлический пресс
Это устройство состоит из двух сообщающихся сосудов, разных сечений, закрытых поршнями площадью s и площадью S. Под поршнями в сосудах находится жидкость. Если на малый поршень подействовать силой f, то возникнет давление на жидкость p= f / s, жидкость передаст это давление большему поршню и будет действовать на него с силой F=pS.

Гидравлический пресс
Условие равенства давлений для гидравлического пресса: p=f/s=F/S
Если малый поршень опустить на высоту h, он вытеснит жидкость объёмом V=sh, жидкость перетечёт во второй сосуд и поднимет поршень на высоту H. Так как жидкость несжимаема, то изменения объёмов в обоих сосудах будут равны: sh=SH. Гидравлический пресс положен в основу устройства многих гидравлических машин.

Тормозные системы
Рассмотрим пневматический тормоз железнодорожного вагона. Магистраль, тормозной цилиндр и резервуар наполняют сжатым воздухом. При открывании стоп-крана сжатый воздух выходит из магистральной трубы, давление в правой части тормозного цилиндра становится меньше, чем в левой, из которой воздух выйти не может благодаря клапану. Поэтому поршень тормозного цилиндра перемещается вправо и прижимает тормозную колодку к ободу колеса, которое при этом затормаживается.

Распылители
Распылители работают следующим образом. В баллон под давлением закачивается содержимое, перемешанное с сжиженным газом. Затем баллон герметично закрывают крышкой, к которой прикреплена заборная трубка с клапаном на конце. При нажатии на клапан газ в баллоне оказывает давление на смесь (сжиженный газ + содержимое), которая при этом движется по заборной трубке вверх и распыляет струю.

Распылители
Распылители используют в быту, в промышленности, в сельском хозяйстве.

Заправочные агрегаты
Заправочный агрегат для снабжения тепловых машин горючим действует так: компрессор нагнетает воздух в герметически закрытый бак с горючим, которое по шлангу поступает в бак тепловой машины.

Системы водоснабжения
Работа систем водоснабжения устроена так. Электродвигатель заставляет работать насос. Насос подаёт в бак воду, сжимающую воздушную подушку и отключается при достижении давления 400 000 Па. Вода по трубам поднимается в помещения. При понижении давления воздуха вновь включается насос.