Niedawno tłumaczyliśmy, na czym polega prawo Archimedesa. Dziś pora na kolejną wodną lekcję fizyki. Tym razem małe edukacyjne co-nieco związane m.in. z pewnym paradoksem dotyczącym ciśnienia.
Ciśnienie to wielkość określana jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni, podzielona przez tę powierzchnię. W środowisku wodnym mówimy o ciśnieniu hydrostatycznym. To ciśnienie wywierane na otaczające ciała przez ciecz nie będącą w ruchu.
Co z niego wynika? Im większa głębokość, tym większe ciśnienie płynu. Jeśli mieliście kiedyś okazję nurkować, mogliście poczuć to na własnej skórze. Co ciekawe, ciśnienie hydrostatyczne zależy od gęstości cieczy i wysokości słupa cieczy (czyli wspomnianej głębokości), nie zależy natomiast od kształtu naczynia ani objętości cieczy. I tu mamy do czynienia z tzw. paradoksem hydrostatycznym. Przyjrzyjcie się poniższym naczyniom.
źródło: gandalf.com.pl
Zauważycie pewnie, że wysokość słupa wody jest w każdym naczyniu taka sama, lecz objętość wody jest różna w każdym z nich. Mimo różnorodnych kształtów i różnej objętości cieczy – na dnie wszystkich naczyń występuje takie samo ciśnienie. Zależy ono bowiem od wysokości słupa i ciężaru właściwego cieczy*. Nie zależy natomiast od jej masy czy objętości. Nieważne więc, czy zanurzysz się 5 metrów pod wodą w wielkim jeziorze czy w wąskiej studni – wszędzie ciśnienie będziesz odczuwać tak samo. Paradoks ten został dostrzeżony już w XVI wieku przez Simona Stevina, holenderskiego uczonego. Spopularyzował go jednak francuski matematyk Blaise Pascal, gdy odkrył inne prawo, zwane od jego nazwiska Prawem Pascala. W 1648 r. zademonstrował publicznie rozsadzenie beczki przy pomocy niewielkiej ilości wody. Ilustrowało to prawo, które mówi, że jeżeli na płyn (ciecz lub gaz) w zbiorniku zamkniętym zadziałamy dodatkową siłą z zewnątrz, to wytworzone w ten sposób ciśnienie jest przenoszone wewnątrz zbiornika we wszystkich kierunkach jednakowo. Przy czym sumaryczne ciśnienie wewnątrz jest równe ciśnieniu zewnętrznemu – wielkości przyłożonej siły.
Przykładowo: jeżeli w naczyniu wypełnionym wodą zrobimy dziury, a następnie ściśniemy butelkę – ze wszystkich otworów woda poleci z dokładnie taką samą siłą, w kierunku prostopadłym do ścian naczynia. Nie ma znaczenia, z której strony i pod jakim kątem naciskamy na naczynie.
Prawo Pascala jest bardzo ważne i ma zastosowanie w praktyce. Wykorzystują je takie urządzenia jak prasa hydrauliczna (która pozwala modelować kształty np. z blachy) czy hamulce hydrauliczne (stosowane w samochodach).
DOŚWIADCZENIE
W ciekawy sposób Prawo Pascala, jak również prezentowane ostatnio Prawo Archimedesa, można przedstawić wykorzystując tzw. Nurka Kartezjusza. Polecamy prezentację:
Pierwsza część doświadczenia to zobrazowanie Prawa Archimedesa, gdyż na naszego „nurka” działa siła wyporu, która zawsze działa w kierunku przeciwnym do siły ciężkości (ciężaru zanurzanego ciała).
Dlatego niezależnie od tego jak trzymamy butelkę, siła ciężkości działa zawsze w dół naczynia, a siła wyporu – w górę (nasz nurek wędruje zawsze ku górze).
Druga część doświadczenia, która powoduje zanurzanie nurka to nic innego jak Prawo Pascala. Naciskając butelkę działamy zewnętrzną siłą na ciecz znajdującą się wewnątrz tej butelki. Nasza siła wywołuje ciśnienie, które rozchodzi się wewnątrz butelki równomiernie we wszystkich kierunkach – działa więc również na naszego „nurka”. Działająca siła powoduje ściśnięcie nurka również w części, w której zgromadzone jest powietrze (zgniata powietrze, czyli zmniejsza objętość gazu i zwiększa średnią gęstość nurka, co ma wpływ na wyporność). W ten sposób siła wyporu maleje, a „nurek” opada na dno.
Mamy nadzieję, że dowiedzieliście się czegoś nowego;) Już wkrótce kolejna wodna lekcja, zostańcie z nami!
wsparcie merytoryczne: eszkola-wielkopolska.pl, klasowka.onet.pl, fizykon.org
*ciężar właściwy to iloczyn gęstości i przyspieszenia ziemskiego
