Давление твёрдых тел
Материал из Vladimir
Содержание
Давление твёрдых тел
1.Что такое давление?
Представьте, что вы отправились на лыжную прогулку. Лыжи скользят по снегу, оставляя совсем неглубокий след. Что произойдёт, если снять лыжи? Конечно, вы сразу провалитесь в снег. Давайте разберёмся, почему это происходит. Вес, т.е сила, с которой человек давит на снег, осталась такой же. А что изменилось? Только площадь опоры (сравните подошвы ботинок и лыжи). Значит, можно предположить, что результат действия силы зависит не только от самой силы — точки приложения, направления, модуля — но и от площади соприкосновения.
Чтобы проверить это, проведём эксперимент. Возьмите поролоновую губку и кусок мыла. Поставим мыло на губку самой большой стороной. Обратите внимание на деформацию губки. А теперь переверните мыло на ребро. Что изменилось? Теперь мы можем сделать вывод:результат действия силы зависит и от самой силы, и от площади её воздействия. Следовательно, нужна физическая величина, учитывающая оба фактора. Эта величина называется давлением. Отношение силы F к площади поверхности S при условии, что сила действует перпендикулярно поверхности, называется давлением.
Единицы измерения давления вычисляем по формуле: 1 Н/кв.м = 1 Па (паскаль).Единица измерения названа в честь известного учёного Блеза Паскаля. Кроме основных единиц, используют также и приставки:
1 кПа = 1000 Па, 1 МПа = 1 000 000 Па
Подумайте, используют ли приставки «милли», «микро»? Почему?
2. Способы увеличения и уменьшения давления.
Сначала ответим на вопрос: а для чего это нужно? Вы видели, какие следы оставляют тяжёлые машины, трактора на земле? Такие глубокие колеи возникают как раз из- за высокого давления. Значит, в таких случаях его нужно снижать. Так как давление зависит от силы и площади, изменять его можно, меняя эти величины.
Зачем увеличивать давление? Попробуйте тупым ножом порезать хлеб. Чем тупой нож отличается от острого?Конечно,площадью лезвия и создаваемым давлением. Поэтому все режущие и колющие инструменты должны быть очень острыми.
3. Давление в живой природе.
Об этом можно прочитать здесь: [1]
4. Давление в технике
Давление необходимо учитывать и в машиностроении, и в архитектуре, и на транспорте.Выше уже говорилось о машинах,деформирующих почву. Они наносят непоправимый вред экологии. Например, при освоении Крайнего Севера гусеничными тракторами были уничтожены огромные площади ягеля — основного корма оленей, что отрицательно сказалось на их популяции. Чтобы избежать этого, необходимо уменьшить давление, т.е.либо уменьшить силу давления, либо увеличить площадь. Уменьшить силу сложно:для этого нужно уменьшать массу, применяя более лёгкие материалы. Но эти вещества либо непрочные, либо очень дорогие. Поэтому чаще всего используют именно увеличение площади.Сделать это можно разными способами: применение гусениц на тракторах, увеличение диаметра шин, использование парных колёс.Большое значение имеет и то, как накачены шины, ведь от этого тоже зависит площадь соприкосновения.Гусеницы значительно снижают давление (см.таблицу),повышая проходимость механизма, но при этом сильно повреждают верхние слои почвы.Очень важен учёт давления и в архитектуре, строительстве. Фундамент здания используется для снижения давления.С древних времён при строительстве использовали полые колонны. Имея достаточную прочность, они гораздо легче сплошных, а следовательно и создаваемое давление тоже меньше.
Источник
Школьная Энциклопедия
Nav view search
Навигация
Искать
Использование давления в практических целях
Подробности Категория: О давлении Опубликовано 09.12.2014 13:11 Просмотров: 6799
Человек давно научился использовать давление в своей практической деятельности.
Давление твёрдых тел на службе человеку
Трудно назвать точный период, когда появилась первая лопата. Скорее всего, ещё в древние времена, когда люди начали заниматься земледелием. Казалось бы, какое отношение имеет этот инструмент к использованию давления в практических целях? Оказывается, самое прямое.
Из формулы расчёта давления мы знаем, что чем меньше площадь поверхности твёрдого тела, к которому приложена сила, тем бóльшим будет давление, создаваемое этой силой на единицу площади. Конструкция лопаты такова, что когда мы ею копаем землю, то своим весом создаём большое давление на поверхность очень маленькой площади. Чем острее заточена лопата, тем меньшее усилие нам нужно приложить, чтобы она вошла глубоко в землю.
По такому же принципу создаёт давление обычная канцелярская кнопка. Достаточно придавить её пальцем, как её заострённый конец легко входит в деревянную поверхность.
Сконцентрировать силу на малой площади и тем самым увеличить давление можно с помощью простого приспособления, называемого клином.
Клин представляет собой призму, рабочие поверхности которой сходятся под острым углом. Если приложить силу к основанию этой призму, то она разложится на 2 составляющие, перпендикулярные рабочей поверхности. Каждая из этих сил создаёт давление на поверхность тела, в которое этот клин вгоняется. Используя клин, например, раскалывают древесину. В Древнем Египте с помощью бронзовых клиньев откалывали каменные блоки для строительства.
Клин — один из простейших механизмов, позволяющих ещё и увеличивать приложенную силу. Отношение силы, которую развивает механизм (нагрузки) к прикладываемой силе (усилию) называется выигрышем силы. Выигрыш силы для клина равен отношению его длины к толщине тупого конца. По принципу клина действуют топор, игла, пилá, нож.
Использование давления воздуха в технических устройствах
Простейшее устройство, использующее в своей работе атмосферное давление, — медицинский шприц. Он состоит из прозрачного цилиндра, внутри которого ходит поршень. Когда нам нужно набрать в шприц лекарственный раствор, мы начинаем поднимать поршень. Воздух между дном и поршнем разрежается. И за счёт разницы давлений внутри шприца и наружного атмосферного давления жидкость будет подниматься вверх, пока не заполнит свободное пространство.
Так же поднимается жидкость в пипетке. По такому же принципу устроены доильный аппарат, поилка для птиц, мыльница на присосках, пылесос.
Всасывающий водяной насос
Первым устройством, использующим атмосферное давление, был всасывающий водяной насос. Его изобрёл и описал древнегреческий механик Ктептизий в 1 веке до н.э. В те времена металлов ещё не было, и насосы изготавливались из дерева. Конечно, они часто ломались и были недолговечны. Но их успешно использовали для тушения пожаров. Позднее, когда началась промышленная революция, с помощью таких насосов стали откачивать воду из шахт и рудников. В наше время водяные насосы используются для подъёма воды из скважин и колодцев.
Самый простой всасывающий насос, как и шприц, также состоит из цилиндра, внутри которого движется плотно пригнанный к стенкам цилиндра поршень. Но в отличие от шприца, в самом поршне и в нижней части цилиндра имеются 2 клапана. Они открываются только вверх. Когда поршень поднимается вверх, воздух в цилиндре разрежается, давление понижается. Открывается нижний клапан, и вода под воздействием атмосферного давления устремляется вверх за поршнем. Когда поршень начинает двигаться вниз, вода давит на нижний клапан, и он закрывается. Но в это же время под давлением воды открывается клапан в самом поршне, разрешая воде заполнять пространство над ним. Когда поршень снова начнёт своё движение вверх, находящаяся в цилиндре над ним вода также будет подниматься и начнёт выливаться в трубу.
Воздушный насос
Воздушный насос, которым мы накачиваем мяч или автомобильную шину, использует в своей работе сжатый воздух. Простейший воздушный насос похож на шприц. Конечно, его цилиндр и поршень отличается от аналогичных частей шприца размерами и материалом, из которого они изготовлены. Кроме того, такой насос имеет в корпусе 2 отверстия. Одно предназначено для забора воздуха, а в другое вставлен резиновый шланг с ниппелем на конце. Воздух попадает в корпус, когда поршень движется вверх. Опускаясь, поршень сжимает воздух и выталкивает его через ниппель в шину или мяч.
Ниппель — специальное приспособление, пропускающее воздух только в одну сторону. Он представляет собой тоненькую металлическую трубочку, в боковой поверхности которой есть маленькое отверстие. На это отверстие надевают резиновую трубочку, которая раздувается и пропускает воздух, подающийся из насоса под давлением. Обратно выйти трубочка воздуху не позволяет. Этот процесс мы наблюдаем, когда накачиваем простым ручным насосом колесо велосипеда. Если мы не поставим ниппель на шланг насоса, воздух тут же вырвется из колеса наружу.
Насос-компрессор
Работает такой насос по такому же принципу, что и воздушный насос. Но поршень приводится в движение не вручную, а с помощью специального вращающегося маховика. Цилиндр в компрессоре расположен горизонтально, поршень движется влево-вправо. В цилиндре поставлена заслонка, в которой расположен клапан, открывающийся при движении поршня вправо. В этот момент воздух, сжатый поршнем, закачивается в шину или баллон. При движении влево открывается клапан в поршне и атмосферный воздух попадает в цилиндр.
Гидравлическая машина
Устройства, действующие на основе законов о равновесии жидкостей, широко используются в современной технике. Они называются гидравлическими машинами.
Простейшая гидравлическая машина состоит из двух цилиндров, имеющих разные диаметры, соединённых между собой трубкой. Внутри каждого цилиндра движется поршень соответствующего диаметра. Цилиндры заполняют жидкостью. Так как они являются сообщающимися сосудами, то жидкости в них устанавливаются на одном уровне.
Предположим, площади поршней равны S1 и S2. На поршни соответственно действуют силы F1 и F2.
Давление под поршнем меньшей площади р1 = F1/S1. Давление под бóльшим поршнем р2 = F2/S2. Согласно закону Паскаля, давление жидкости передаётся одинаково по всем направлениям. Следовательно, р1 = р2, а F1/S1 = F2/S2. Отсюда следует, что F2/F1 = S2/S1.
На бóльший поршень действует сила во столько раз превышающая силу, действующую на меньший поршень, во сколько раз площадь бóльшего поршня больше площади меньшего.
Отношение F2/F1 называют выигрышем в силе.
Гидравлическая машина позволяет с помощью малой силы уравновесить большую.
Принцип работы гидравлической машины положен в основу работы гидравлического пресса. Такие прессы применяются там, где требуется сила большой величины, например, на маслобойных заводах при выжимке масла из семян, для изготовления деталей под большим давлением на металлургических производствах и др.
Тело, которое нужно сжать, кладут на платформу, соединённую с поршнем бóльшей площади. С помощью меньшего поршня создают давление, которое передаётся на бóльший поршень. Сила, воздействующая на него, многократно превосходит силу, приложенную к малому поршню. Под её действием поднимается платформа вместе со сжимаемым телом. Так как над ней закреплена ещё одна платформа, неподвижная, то тело упирается в неё и сдавливается.
Работа шлюзов
На основе закона о сообщающихся сосудах устроена работа шлюзов. Чтобы перевести судно из одного водного пространства в другое, если у них разные уровни воды, делают обводной канал со шлюзом. Например, судну нужно обойти плотину ГЭС на реке. Естественно, уровни воды до плотины и после неё различаются.
Собственно, шлюз — это герметичная камера, которая соединяет две части водного канала. По обеим её сторонам расположены металлические щиты (ворота), которые открываются попеременно в зависимости от направления движения судна. Если судно поднимается по каналу, то для его захода в шлюзовую камеру открываются нижние ворота. После того как оно туда зашло, эти ворота закрывают. Уровень воды в камере с помощью перепускного клапана повышается до её уровня в следующем участке канала. После этого открываются другие ворота, и судно выходит из шлюза. Если судно нужно перевести на участок с более низким уровнем воды, то процесс происходит в обратном направлении.
Описанные выше примеры устройств, использующих в своей работе давление, очень просты по своей конструкции. Но принципы их работы положены в основу гораздо более сложных по своим функциональным возможностям приборов и аппаратов, которые успешно применяются практически во всех отраслях промышленности.
Источник