Fizyka 1

Fizyka 1

Wykład 13.

Podstawowe stany skupienia materii:

ciała stałe, ciecze

Atomy lub cząsteczki w cieczach mogą się przesuwać i zmieniać położenie względem sąsiadujących cząsteczek.

Łatwo ulegają deformacji po przyłożeniu siły i nie

powracają do swojego oryginalnego kształtu, gdy przestanie ona działać. Płyną, a ich molekuły utrzymują się razem w

wyniku wzajemnych oddziaływań. Tworzą powierzchnię swobodną - powierzchnia styku cieczy z próżnią lub płynem, kształt jaki przyjmuje zależy od sił działających na

granicy cieczy i dla cieczy nie poddawanej przyspieszeniu jest zawsze prostopadła do siły wypadkowej działającej na Ciała stałe są sztywne i mają konkretne kształty oraz określone

objętości. Ich atomy lub cząstki znajdują się blisko siebie i oddziałują ze sobą znacznymi siłami. Zmiana ich kształtu

wymaga zadziałania dużą siłą.

Podstawowe stany skupienia materii:

gazy

Odległości między atomami w gazach są bardzo duże i w związku z tym siły między nimi są niewielkie, z wyjątkiem sytuacji zderzenia atomów. Poruszają się w taki sposób, aby

wypełnić cały pojemnik, w którym się znajdują, dlatego gazy nie mają ani konkretnego kształtu, ani określonej objętości. Względnie łatwo je ścisnąć oraz mogą one płynąć.

Inaczej niż ciecze, szybko uciekają z otwartego pojemnika.

Zarówno gazy jak i ciecze nazywamy płynami.

Gęstość

Kawałek mosiądzu i kawałek drewna mają dokładnie tę samą masę.

Dlaczego po wrzuceniu ich do zbiornika z wodą drewno będzie się unosiło, a mosiądz zatonie? Mosiądz ma gęstość większą, a drewno mniejszą niż woda.

Średnia gęstość substancji lub przedmiotu jest zdefiniowana jako masa przypadająca na jednostkę objętości:

Jednostką SI gęstości jest kg/m³.

● Gęstość obiektu może pomóc w określeniu jego składu,

● informuje nas o stanie skupienia materii.

Gęstość

Tabela pokazuje gęstość wody w różnych stanach skupienia oraz temperaturach.

Gęstość rośnie ze spadkiem temperatury i osiąga maksimum przy 4,0°C , a następnie zmniejsza się ze spadkiem temperatury poniżej 4,0°C . Ta cecha gęstości wody

wyjaśnia, dlaczego lód tworzy się na powierzchni wody.

Gęstość

Do porównywania gęstości stosujemy inną, bezwymiarową cechę nazywaną gęstością względną. Definiujemy ją jako iloraz gęstości materiału i gęstości

wody w temperaturze 4,0 °C pod ciśnieniem 1 atm, czyli g/cm³:

Bezwymiarowość gęstości względnej umożliwia jej stosowanie w

porównaniach między różnymi materiałami, bez konieczności uwzględniania jednostek ich gęstości.

Ciśnienie

Ciśnienie definiujemy jako wartość siły normalnej do powierzchni F na jednostkę powierzchni A , do której siła jest przyłożona:

Ciśnienie w konkretnym punkcie definiujemy jako siłę dF, z jaką płyn działa na nieskończenie mały element powierzchni dA, zawierający ten

punkt, z czego otrzymujemy p = dF/dA.

Ciśnienie

Kierunek ciśnienia w płynie

Ciśnienie w płynie nie ma kierunku, ponieważ jest wartością skalarną, natomiast siły wywoływane przez nie mają wyraźnie określone kierunki:

zawsze są przyłożone prostopadle do dowolnej powierzchni. Podobnie ciśnienie oddziałuje prostopadle do powierzchni dowolnego przedmiotu

umieszczonego w płynie.

Ciśnienie na pewnej głębokości dla płynu o stałej gęstości

Ciśnienie na pewnej głębokości dla płynu o stałej gęstości równe jest sumie ciśnienia atmosferycznego i ciśnienia wywieranego przez ciężar

płynu, czyli:

gdzie p jest ciśnieniem na rozważanej głębokości, p₀ ciśnieniem atmosferycznym, ρ gęstością płynu, g przyspieszeniem ziemskim, a

h głębokością.

Ciśnienie na dnie naczynia:

Ciśnienie w płynie zależy jedynie od głębokości liczonej od

powierzchni płynu, niezależnie od kształtu pojemnika.

Pomiar ciśnienia – barometr

Barometr został wynaleziony przez włoskiego matematyka i fizyka, Evangelistę Torricellego (1608–1647) w 1643 r.

Barometr Torricellego składa się z rurki wypełnionej rtęcią

( ρ_Hg = 13.6 10⋅ ³ kg/m³ ), którą odwracamy nad naczyniem z rtęcią.

Zadanie

U-kształtną, otwartą z obu stron rurkę wypełnia ciecz o gęstości ρ₁ do wysokości h z obu stron. Następnie do jednego ramienia rurki wlano

ciecz o gęstości ρ₂ < ρ₁ wskutek czego ciecz 2 osiadła na cieczy 1.

Wysokości słupów cieczy w obu ramionach rurki są różne. Wysokość od strony cieczy 2 mierzona od styku dwóch substancji wynosi h₂ , a

wysokość od strony cieczy 1 mierzona od styku dwóch substancji wynosi h₁. Wyprowadź wzór na różnicę tych wysokości.

Ciśnienie w punktach leżących na tej samej wysokości po obu stronach rurki U- kształtnej musi być takie samo, jeżeli oba punkty znajdują się w tej samej cieczy.

Zadanie

Ciśnienie w punktach leżących na tej samej wysokości po obu stronach rurki U- kształtnej musi być takie samo, jeżeli oba punkty znajdują się w tej samej cieczy.

Ponieważ oba punkty znajdują się w cieczy 1 i są położone na tej samej wysokości, ciśnienie w nich musi być takie samo.

Prawo Pascala

Ciśnienie zewnętrzne wywierane na zamknięty płyn jest przekazywane niezmienione na każdą część płynu oraz na ścianki naczynia.

Typowy układ hydrauliczny złożony z dwóch wypełnionych płynem cylindrów,

zamkniętych tłokami i połączonych rurą zwaną przewodem hydraulicznym.

Skierowana w dół siła F₁ przyłożona do lewego tłoka powoduje zmianę ciśnienia przekazywaną bez strat do wszystkich części płynu w naczyniu.

Wywołuje to skierowaną ku górze siłę F₂ działającą na prawy tłok. Siła ta jest większa niż F₁, ponieważ pole powierzchni prawego tłoka jest większe.

Tłoki umieszczone na tej samej wysokości, stąd p₁=p₂.

p₂ = F₂ /A₂

Prawo Pascala – układ hydrauliczny

Równanie to wiąże stosunki sił do powierzchni w dowolnym układzie hydraulicznym, pod warunkiem, że tłoki znajdują się na tej samej wysokości

oraz że można pominąć tarcie obecne w układzie.

Układy hydrauliczne mogą zwiększać lub zmniejszać przyłożoną do nich siłę, działają analogicznie do dźwigni prostych, ale mają tę zaletę, że ciśnienie może być przekazywane nawet wzdłuż wymyślnie poskręcanych przewodów,

w kilka miejsc jednocześnie.

Prawo Pascala – podnośnik hydrauliczny

Podnośnika hydraulicznego używa się do podnoszenia dużych ciężarów, np. w warsztatach do unoszenia samochodów. Podnośnik składa się z nieściśliwego płynu umieszczonego w U-kształtnej rurze zakończonej z obu stron ruchomymi tłokami. Mała siła przyłożona do małej powierzchni może zrównoważyć znacznie większą siłę przyłożoną po drugiej stronie do znacznie większej powierzchni.

Używając zasady Pascala, możemy pokazać, że siła niezbędna do podniesienia samochodu jest mniejsza niż ciężar samochodu:

Siła wyporu

Siła wyporu to skierowana ku górze siła, działająca na każdy obiekt zanurzony w płynie.

Jeżeli siła wyporu jest większa niż ciężar obiektu, to unosi się on ku powierzchni płynu. Jeżeli siła wyporu równa się

ciężarowi obiektu, to przedmiot pozostaje na tej samej głębokości. Siła wyporu jest zawsze obecna, niezależnie od

tego, czy przedmiot pływa po powierzchni, tonie, czy jest zawieszony w płynie.

Gęstość okrętu podwodnego można

Prawo Archimedesa

Siła wyporu działająca na zanurzony przedmiot równa się ciężarowi płynu, który jest wyparty przez ten przedmiot.

W postaci równania prawo Archimedesa przedstawia się następująco:

gdzie F_W jest siłą wyporu, a Q_prz ciężarem płynu wypartego przez przedmiot.

Obiekty pozornie tracą na wadze po zanurzeniu – wagę po zanurzeniu nazywamy wagą pozorną. Przedmiot doświadcza utraty wagi równej ciężarowi wypartego płynu.

Prawo Archimedesa odnosi się do siły wyporu, która pojawia się, gdy ciało zostanie całkowicie lub częściowo umieszczone w wodzie. Ponieważ spód

zanurzonego ciała znajduje się na większej głębokości niż jego szczyt, ciśnienie na dolną część ciała jest większe niż ciśnienie na górną część. W związku z tym powstaje wypadkowa siła działająca na ciało ku górze. Ta siła

Prawo Archimedesa – pływanie ciał

Gdy ciało pływa w płynie, wartość działającej na nie siły wyporu F_w jest równa wartości działającej na nie siły ciężkości F_g.

F_w=F_g F_w=m_pg

Gdy ciało pływa w płynie, wartość działającej na nie siły ciężkości F_g jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało m_pg.

F_g=m_pg

Ciało pływające w płynie wypiera płyn o ciężarze równym swojemu