Hydrostatyka i aerostatyka
Nacisk to siła, z jaką jedno ciało działa na powierzchnię drugiego. Siła nacisku jest zawsze prostopadła do powierzchni, na którą działa. Siła nacisku jest wielkością wektorową.
Parcie to siłą nacisku jaką ciecze i gazy działają na ścianki naczynia i wszystkie znajdujące się w nich ciała.
Parcie jest zawsze skierowane prostopadle do powierzchni, na którą działa.
Ciśnienie (oznaczamy symbolem p) to stosunek wartości siły nacisku 𝐹𝑁 działającej prostopadle na daną powierzchnię do pola tej powierzchni S.
𝑝 =𝐹𝑁 𝑆
Jednostką ciśnienia w układzie SI jest 1 Pa (paskal).
1 paskal to ciśnienie, jakie wywiera siła 1N naciskająca na powierzchnię 1 m2.
1𝑃𝑎 = 𝑁 𝑚2
1Pa to mała wartość ciśnienia, dlatego często stosujemy jednostki pochodne:
1 hektopaskal 1 hPa=100 Pa 1 kilopaskal 1 kPa=1000 Pa 1 megapaskal 1 MPa=1000000 Pa Ciśnienie jest wielkością skalarną.
Parcie hydrostatyczne to parcie wywierane przez ciecz na daną powierzchnię.
Ciśnienie hydrostatyczne to ciśnienie w cieczy, które zależy od wysokości słupa cieczy. Obliczamy je ze wzoru:
𝑝 = 𝑑 ∙ 𝑔 ∙ ℎ
ciśnienie hydrostatyczne=gęstość cieczy ∙ przyspieszenie ziemskie ∙ wysokość słupa cieczy Wraz ze wzrostem głębokości wzrasta ciśnienie hydrostatyczne.
Im gęstość cieczy jest większa tym ciśnienie hydrostatyczne jest większe przy takiej samej wysokości słupa cieczy.
Ciśnienie atmosferyczne to ciśnienie jakie wywiera powietrze na Ziemię i wszystkie ciała znajdujące się w atmosferze ziemskiej.
Im wyżej nad powierzchnią Ziemi, tym ciśnienie atmosferyczne jest coraz mniejsze.
Do pomiaru ciśnienia atmosferycznego służy barometr.
Naczynia połączone to naczynia w taki sposób, że ciecz może swobodnie przepływać z jednego naczynia do drugiego.
Jeżeli w naczyniach połączonych znajduje się jedna ciecz, to we wszystkich ramionach poziom cieczy jest taki sam.
Jeżeli w naczyniach połączonych znajdują się niemieszające się ciecze, to poziomy cieczy w ramionach są różne. Niższy poziom jest w ramieniu, w którym znajduje się ciecz o większej gęstości.
Prawo Pascala mówi, że nacisk wywierany z zewnątrz na ciecz lub gaz powoduje jednakowy wzrost ciśnienia w całej objętości cieczy lub gazu.
Innymi słowy: ciśnienie spowodowane działaniem sił zewnętrznych na ciecz lub gaz rozchodzi się jednakowo we wszystkich kierunkach.
Związane jest to z wewnętrzną budową cieczy i gazów. Cząsteczki naciskają na sąsiadujące, te przekazują dalej nacisk swoim sąsiadom i w ten sposób ciśnienie rozchodzi się w całej objętości.
Im bardziej sprężamy gaz tym bardziej rośnie jego ciśnienie.
Maszyną wykorzystującą prawo Pascala jest prasa hydrauliczna (podnośnik hydrauliczny). Naciskając małym tłokiem na ciecz niewielką siłą, można uzyskać dużą siłę działającą na duży tłok.
𝐹1 𝑆1 =𝐹2
𝑆2 gdzie:
𝑆1 − 𝑝𝑜𝑙𝑒 𝑝𝑜𝑤𝑖𝑒𝑟𝑧𝑐ℎ𝑛𝑖 𝑚𝑛𝑖𝑒𝑗𝑠𝑧𝑒𝑔𝑜 𝑡ł𝑜𝑘𝑎, 𝐹1 – 𝑤𝑎𝑟𝑡𝑜ść 𝑠𝑖ł𝑦 𝑑𝑧𝑖𝑎ł𝑎𝑗ą𝑐𝑒𝑗 𝑛𝑎 𝑚𝑛𝑖𝑒𝑗𝑠𝑧𝑦 𝑡ł𝑜𝑘, 𝑆2− 𝑝𝑜𝑙𝑒 𝑝𝑜𝑤𝑖𝑒𝑟𝑧𝑐ℎ𝑛𝑖 𝑤𝑖ę𝑘𝑠𝑧𝑒𝑔𝑜 𝑡ł𝑜𝑘𝑎, 𝐹2 – 𝑤𝑎𝑟𝑡𝑜ść 𝑠𝑖ł𝑦 𝑑𝑧𝑖𝑎ł𝑎𝑗ą𝑐𝑒𝑗 𝑛𝑎 𝑤𝑖ę𝑘𝑠𝑧𝑦 𝑡ł𝑜𝑘.
Prawo Pascala wykorzystuje się też w hamulcach hydraulicznych, po naciśnięciu pedału hamulca płyn hamulcowy jest tłoczny w stronę tarcz i dociska hamulce do kół.
Jeśli jakieś ciało zanurzymy w cieczy to będzie na niego działać siła wyporu. Nie zależy ona od kształtu ciała, ani od rodzaju materiału, z którego jest wykonane. Ciało zanurzone w cieczy powoduje wyparcie pewnej ilości cieczy (podniesienie jej poziomu). Objętość wypartej cieczy jest taka sama jak objętość zanurzonego ciała.
Prawo Archimedesa mówi, że na każde ciało zanurzone w cieczy lub gazie działa zwrócona ku górze siła wyporu (siła Archimedesa) a jej wartość jest równa ciężarowi wypartej cieczy lub gazu.
Siła wyporu ma kierunek pionowy, a zwrot do góry.
Siłę wyporu obliczamy wzorem:
𝐹𝑊 = 𝑑𝑐∙ 𝑉𝑐∙ 𝑔
siła wyporu=gęstość cieczy ∙ objętość zanurzonego ciała ∙ przyspieszenie ziemskie Jeśli gęstość ciała jest większa od gęstości cieczy, ciało tonie.
Jeśli gęstość ciała jest mniejsza niż gęstość cieczy, ciało wypływa na powierzchnię.
Jeśli gęstość ciała jest równa gęstości cieczy to ciało pływa na dowolnej głębokości całkowicie zanurzone pod powierzchnią cieczy.
