Tonel Pascal, jak to działa i eksperymenty

On Tonel Pascal Był to eksperyment przeprowadzony przez francuskiego naukowca Blaise Pascal w 1646 r., Aby definitywnie wykazać, że ciśnienie cieczy rozprzestrzenia się w ten sam sposób, niezależnie od postaci pojemnika.

Eksperyment polega na napełnianiu lufy cienkiej i bardzo wysokiej rurce, doskonale dostosowanej do ust napełniających. Gdy ciecz osiąga przybliżoną wysokość 10 metrów (wysokość równoważna 7 baryłek), bar.

Ilustracja beczki Pascal. Źródło: Wikimedia Commons.

Kluczem do tego zjawiska jest zrozumienie pojęcia presji. Presja P który wywiera płyn na powierzchni, jest całkowitą siłą F Na tej powierzchni podzielonej między obszar DO wspomnianej powierzchni:

P = f/a

[TOC]

Jak działają beczki Pascala?

Aby zrozumieć fizyczne zasady eksperymentu Pascala, obliczmy ciśnienie na dnie lufy wina, która będzie wypełniona wodą. Aby uzyskać większą prostotę obliczeń, zakładamy to w sposób cylindryczny z następującymi wymiarami: średnica 90 cm i wysokim 130 cm.

Jak powiedziano, presja P W tle jest całkowita siła F w tle, podzielony między obszar DO Z dołu:

P = f/a 

Strefa DO Z tła jest czasy PI (πы3,14) Radio R Z kwadratu podniesionego:

A = π⋅r^2

W przypadku lufy będzie to 6362 cm^2 równoważne 0,6362 m^2.

Siła F Na dole lufy będzie to ciężar wody. Waga tę można obliczyć przez pomnożenie gęstości ρ wody z powodu objętości wody i przyspieszenia grawitacji G.

Może ci służyć: adres (fizyczny)

F = ρ⋅A⋅H⋅G

W przypadku tonge pełnej wody mamy:

F = ρ⋅A⋅H⋅G = 1000 (kg/m^3) ⋅0,6362 m^2⋅1,30 m⋅10 (m/s^2) = 8271 n.

Siła została obliczona w Newtonach i jest równoważna 827 kg-f, co jest wartością zbliżoną do tony. Ciśnienie na dole lufy wynosi:

P = f / a = 8271 N / 0,6362 M^2 = 13000 PA = 13 kPa.

Ciśnienie zostało obliczone w Pascal (PA), który jest jednostką ciśnieniową w międzynarodowym układzie miar, jeśli. Atmosfera ciśnieniowa jest równoważna 101325 PA = 101,32 kPa.

Ciśnienie na dole pionowej rurki

Rozważ rurkę o średnicy wnętrza 1 cm i o wysokości równej lufie, czyli 1,30 metra. Rurka jest umieszczana pionowo za pomocą dolnego końca uszczelniona okrągłą pokrywką i wypełniona wodą na górnym końcu.

Najpierw obliczmy obszar dna rurki:

A = π⋅R^2 = 3,14 * (0,5 cm)^2 = 0,785 cm^2 = 0,0000785 M^2.

Ciężar wody zawarty w rurce jest obliczany zgodnie z następującym wzorem:

F = ρ⋅A⋅H⋅G = 1000 (kg/m^3) ⋅0.0000785 M^2⋅1,30 m⋅10 (m/s^2) = 1,0 n.

To znaczy, że waga wody wynosi 0,1 kg-F, czyli zaledwie 100 gramów.

Obliczmy teraz presję:

P = f / a = 1 N / 0,0000785 M^2 = 13000 PA = 13 kPa.

Niesamowity! Ciśnienie jest takie samo jak ciśnienie lufy. To jest hydrostatyczny paradoks.

Eksperymenty

Ciśnienie na dole napełniania baru barowego Pascal.

Może ci służyć: moc mechaniczna: co to jest, aplikacje, przykłady

Rysunek 2. Blaise Pascal (1623-1662). Źródło: Palace of Versailles [domena publiczna].Ciśnienie w dolnym końcu rurki zostanie podane przez:

P = f/a = ρ⋅A⋅H⋅G/a = ρ⋅Gl = 1000*10*9 PA = 90000 PA = 90 kPa.

Zauważ, że w poprzednim wyrażeniu obszar DO Został anulowany, bez względu na to, czy jest to duży czy mały obszar, taki jak tuba. Innymi słowy, ciśnienie zależy od wysokości powierzchni w odniesieniu do dna, niezależnie od średnicy.

Dodajmy do tego ciśnienia ciśnienie samej lufy na dole:

P_BRZDĄC = 90 kPa + 13 kPa = 103 kPa.

Aby wiedzieć, ile siły jest nakładana na dnie lufy, pomnożamy całkowite ciśnienie przez obszar tła lufy.

F_BRZDĄC = PBRZDĄC * A = 103000 pa * 0,6362 m^2 = 65529 n = 6553 kg-f.

To znaczy, że dno lufy wspiera 6,5 ​​tony masy ciała.

Zastosować w praktyce

Eksperyment lufy Pascal jest łatwo odtwarzalny w domu, pod warunkiem, że jest wykonany na mniejszą skalę. W tym celu będzie konieczne nie tylko zmniejszenie wymiarów, ale także zastąpienie lufy naczyniem lub pojemnikiem o niższym odporności na ciśnienie.

Materiały

1- Statek jednorazowego polistyrenu z pokrywką. Według hiszpańskiego kraju, polistyren na różne sposoby: White Cork, UNICEL, Polyespan, Pianka, Anime i inne nazwy nazywane są polistyrenem. Te naczynia z pokrywką są zwykle osiągane w miejscach sprzedaży fast food.

2- Wąż z tworzywa sztucznego, najlepiej przezroczysty o średnicy 0,5 cm lub mniejszej i od 1,5 do 1,8 m długości.

3- Taśma klejowa do pakowania.

Procedura przeprowadzenia eksperymentu

- Wiercenie pokrywy szklanej polistyrenu za pomocą wiertła.

Może ci służyć: jaki jest moment magnetyczny?

- Przekaż wąż przez otwór pokrywki, tak że niewielka część węża wewnątrz szkła mijała.

- Uszczelnij starannie wstążką zapakowaną w węgiel z pokrywką po obu stronach pokrywki. 

- Umieść pokrywkę do szklanki, a także zapieczętowane taśmą rządzącą.

- Połóż szkło na podłodze, a następnie musisz rozciągnąć i podnieść wąż. Przydatne może być wzniesienie za pomocą nachylenia, chodnika lub drabiny.

- Napełnij szkło wodą przez wąż. Można jej pomóc w małym lejku umieszczonym na czubku węża, aby ułatwić wypełnienie.

Kiedy szkło jest wypełnione, a poziom wody zaczyna rosnąć przez wąż, presja rośnie. Nadchodzi czas, w którym szkło polistyrenowe nie popiera nacisku i pęknięć, podobnie jak Pascal zademonstrował to ze swoją słynną lufą.

Bibliografia

1. Prasa hydrauliczna. Odzyskane z Encyclopædia Britannica: Britannica.com.
2. Ciśnienie hydrostatyczne. Odzyskany z czujników One: Sensorsone.com
3. Ciśnienie hydrostatyczne. Źródło: Glosariusz pola naftowego: Glosariusz.Pole naftowe.SLB.com
4. Zasada i hydraulika Pascala. National Aeronautics and Space Aministration (NASA). Źródło: GRC.garnek.Gov.
5. Serway, r., Jewett, J. (2008). Fizyka nauk i inżynierii. Głośność 2. Meksyk. Redaktorzy edukacyjni Cengage. 367-372.
6. Co to jest ciśnienie hydrostatyczne: ciśnienie płynu i dział. Odzyskane z Math and Science Activity Center: Edinformatics.com
7. Ręczne sterowanie miską AC Control. Rozdział 01 Zasady ciśnienia.