Как формулируется закон Паскаля и что о нем нужно знать
- 10.10.2024 06:58
Закон Паскаля открыт более 300 лет назад. Он имеет первостепенное значение в инженерии и механике. О сути и значимости закона Паскаля рассказали профильные издания.
КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ
- Закон Паскаля — основной закон гидростатики, сформулированный в 1653 году французским учёным Блезом Паскалем. Он гласит, что давление, оказываемое на жидкость, передается ей одинаково во всех направлениях.
- Закон основан на особенностях движения молекул в жидкостях и газах, где они свободно перемещаются. Это отличает их от твердых тел, где молекулы относительно неподвижны.
- Закон Паскаля имеет широкое практическое применение в гидравлике и инженерии, включая создание строительного оборудования, автомобильных систем, аэрокосмической техники и различных гидравлических устройств.
Закон Паскаля — основной закон гидростатики
Теорию поведения неподвижных жидкостей изучает раздел физики, который называется гидростатика. Основным законом в этой сфере признан принцип или закон Паскаля. Он касается жидкостей и газов, на которые оказывается давление.
Что такое закон Паскаля? В физике он формулируется так: давление, которое оказывается на жидкость, передается жидкостью одинаково во всех направлениях. Как объясняет энциклопедия Britannica, закон Паскаля утверждает, что в жидкости, которая находится в состоянии покоя в закрытом сосуде, изменение давления в одной части передается без потерь всем частям жидкости и стенкам сосуда.
В 1653 году этот закон сформулировал французский учёный Блез Паскаль. Он стал автором основного закона гидростатики. Кроме того, Паскаль был одним из основателей математического анализа, теории вероятности, а также известным философом и теологом XVII века.
Закон Паскаля описывается формулой p=F/S. В этой формуле латинскими буквами обозначены: p — давление; F — приложенная сила; S — площадь поверхности / сосуда. Из этой формулы следует, что при увеличении силы воздействия на жидкость в одном и том же сосуде давление на стенки увеличивается. Давление измеряется в ньютонах на м² (Н/м²) или в паскалях (Па), как принято в Международной системе единиц СИ.
Основан на особенностях движения молекул в разных телах
Молекулы твердых тел, жидкостей и газов ведут себя по-разному:
- В твердых телах молекулы сравнительно неподвижны относительно друг друга.
- В жидкостях молекулы свободно перемещаются относительно друг друга во всех направлениях.
- Частички газов движутся ещё более свободно.
В результате таких отличий в строении значительно отличается давление, передаваемое твердым телам или жидкостям, газам:
- При давлении на твердые тела расстояние между молекулами изменяется только в направлении приложенной силы, при этом одновременно возникает и сила сопротивления этому давлению. Таким образом, все изменения происходят внутри твердого тела.
- При давлении на жидкости и газы расстояние между молекулами изменяется из-за их подвижности. При этом изменяется оно одинаково во всех направлениях. Следовательно, и действующая сила будет одинаковой во всех направлениях.
На основании этой особенности поведения жидкостей (газов) под давлением был сформулирован закон Паскаля. Эксперты образовательной платформы BY JU’S дополняют, что статическое давление действует под прямым углом к любой поверхности, с которой соприкасается жидкость.
Опыты подтверждают закон Паскаля
В 1648 году ещё до открытия своего закона Блез Паскаль демонстрировал интересный опыт. В плотно закрытую бочку с водой он с большой высоты через тонкую трубку вливал ещё кружку жидкости. В узкой трубке вода поднялась очень высоко, при этом давление в бочке увеличилось настолько, что крепление бочки не выдержало, и она треснула.
Этот опыт получил название гидростатического парадокса, или парадокса Паскаля. Причина гидростатического парадокса состоит в том, что по закону Паскаля жидкость давит не только на дно, но и на стенки сосуда. При этом имеет значение форма сосуда и его поперечное сечение, от чего зависит давление наливаемой жидкости, которое будет отличаться от её веса.
Другой опыт, подтверждающий закон Паскаля, проводят в учебных лабораториях. Для этого металлический шар с множеством маленьких отверстий наполняют водой, присоединяют к нему трубку с поршнем. Надавливая на поршень, увеличивают давление на воду в шаре. При этом она выливается струйками во все отверстия, причём напор во всех струях одинаковый. Аналогичный опыт повторяется с дымом вместо воды.
Закон Паскаля — основа развития гидравлики
Закон Паскаля играет ключевую роль в развитии гидравлики — науки, изучающей, как ведут себя жидкости и как использовать их для передачи силы. Наглядно принцип действия демонстрируется на работе гидравлической системы, которую описывают на сайте компании Domin, разрабатывающей эти системы.
Гидравлическая система состоит из цилиндров разного сечения, соединенных между собой и заполненных водой. Они снабжены подвижными поршнями, которые закрывают цилиндры. При надавливании на поршень в меньшем сосуде возникает давление, которое без изменений передается в больший сосуд. При этом малой силой в меньшем сосуде можно создать значительно большую силу, которая действует на поршень в большем сосуде.
Таким образом, закон Паскаля позволяет умножать силы с помощью сосудов и поршней разного сечения. На этом принципе создаются сложные инженерные конструкции, поток жидкости в которых регулируется с помощью клапанов и других механизмов управления. В зависимости от конструкции и назначения механизмов в них создается движение в разных формах — линейное или вращательное.
Многие механизмы действуют по принципу Паскаля
Как отмечают на сайте NASA, гидравлические системы используют несжимаемость жидкости для передачи усилий из одного места в другое в пределах этой жидкости. Где применяется закон Паскаля? Он находит практическое применение во многих отраслях и играет первостепенную роль в инженерии. Гидравлические системы отличаются большой мощностью, они незаменимы в таких сферах:
- В создании строительного оборудования и механизмов. На законах гидравлики строится работа экскаваторов, бульдозеров.
- На многих производствах применяются гидравлические устройства — прессы, домкраты, подъёмники.
- В автомобилестроении — в устройстве тормозов, усилителей рулевого управления.
- В аэрокосмической промышленности — в тормозной системе и шасси самолётов.
По аналогичному принципу действуют и пневматические системы, в работе которых используют сжатый воздух. На их основе создаются тормозные системы некоторых самолётов, управление движением закрылков.
Закон Паскаля сформулирован сотни лет назад. Со временем его принцип находит все большее применение в современных механизмах.
