הידרוסטטיקה הוא ענף בפיזיקה החוקר את מאפייני הנוזלים במנוחה. בפרט, הוא יוצר מערכות יחסים עם לַחַץ המופעל על גופים השקועים בנוזלים כמו אוויר אטמוספרי ומים.
תראהגַם:מושגים חשובים לחקר הידרוסטטיקה
מהי הידרוסטטיקה?
ה הידרוסטטיקה זהו תחום בפיזיקה החוקר את תכונות הנוזלים במנוחה. בין התכונות הפיזיקליות של נוזלים, אנו יכולים להדגיש את החשוב ביותר: צְפִיפוּת,לַחַץ וכוח של צִיפָה. אנו מבינים כנוזלים חומרים המסוגלים לקבל את צורת המיכל שלהם, לשנות את צורתם תחת פעולה של כוח חיצוני כלשהו.
ה צְפִיפוּת הוא פרמטר חשוב, שכן מאפיין זה מודד את כמות החומר שיש לנוזל במרחב נתון. על פי מערכת היחידות הבינלאומית (SI), צפיפות הנוזל נמדדת ב קילוגרמיםלְכָלרכבת תחתיתמְעוּקָב (ק"ג / מ"ק).
ה לַחַץהידרוסטטי מודד את כוח ליחידת שטח שנוזל במנוחה מסוגל להפעיל על פני השטח. ככל שעומק הגוף השקוע בנוזל גדול יותר, כך הלחץ המופעל עליו גדול יותר. יחידת הלחץ ב- SI היא ה- פסחאל (Pa), המקביל ללחץ של ניוטון 1 למ"ר (N / m²).
או צִיפָה, בתורו, זהו הכוח שכל נוזל מפעיל על הגופים השקועים בו. הכוח הצף אחראי על הוצאת בועות גז ממשקאות מוגזים. בנוסף, הוא גורם לפקק, ספינה או קוביית קרח לצוף על מים. הכוח הצף מתואר על ידי
משפט ארכימדס, והיחידה שלך היא ניוטון (N).לחץ הידרוסטטי
ה לַחַץהידרוסטטי הוא הלחץ שמפעילה עמודת נוזלים במנוחה. כדי לחשב את המודול של הלחץ ההידרוסטטי המופעל על ידי נוזל, אנו משתמשים ב- עִקָרוֹןבסיסינותןהידרוסטטיקה:
הפרש הלחץ בין שתי נקודות בנוזל נקבע על ידי תוצר צפיפותו, מודול הכבידה המקומי והפרש הגובה בין נקודות אלה. |
העיקרון הבסיסי של הידרוסטטיקה קובע שככל שעומק הנוזל גדול יותר, כך הוא יפעיל לחץ רב יותר.
אנו יכולים לתרגם את העיקרון הבסיסי של הידרודינמיקה במשוואה הבאה:
ΔP - הפרש לחץ (אב)
ד - צפיפות נוזלים (ק"ג / מ"ק)
הו - הפרש גובה בין נקודות נוזל (מ ')
ניתוח מדוקדק של העיקרון שהוצג לעיל מאפשר לנו להסיק כי:
שתי נקודות הטמונות ב אותו גובה בנוזל יהיה להם אותו לחץ;
כולם נוזלים פנימה איזון מציג את המשטח החופשי שלה המסודר בכיוון אופקי;
הלחץ בנוזל עולה עם שלו עוֹמֶק.
→ משפט ולחץ של פסקל
לפי משפט פסקל, כל לחץ עולה מעל נוזל אידיאלי, כלומר נוזל לא ניתן לדחיסה, רָצִיף ו לְלֹאצְמִיגוּת, הוא מועבר בצורה הומוגנית לאורך כל נפחו. אחד היישומים של העיקרון של פסקל הוא בתפעול מכבשים הידראוליים ובוכנות.
F - כוח מופעל (N)
ה - שטח הפעלת כוח (מ"ר)
הידרוסטטיקה וצפיפות
ה צְפִיפוּת זהו אחד המאפיינים החשובים ביותר של נוזל. באמצעותו ניתן לקבוע את כמות החומר המהווה נוזל בנפח נתון. הגדרת הצפיפות מוצגת להלן:
ד - צפיפות (ק"ג / מ"ק)
M - מסה (ק"ג)
ו - נפח (m³)
צפיפות הנוזל נמדדת על בסיס צפיפות המים הטהורים, שמודולוסם 1.0 קִילוֹגרָםלְכָלרכבת תחתיתמְעוּקָב. ישנן מספר יחידות צפיפות הנפוצות בחקר הידרוסטטיקה. בדוק כמה מהן באיור למטה וניצל את ההזדמנות ללמוד כיצד לבצע המרות יחידה במידת הצורך:
שוויון בין יחידות הצפיפות העיקריות.
תראהגַם: הבדלים בין צפיפות ומסה ספציפית
ציפה והידרוסטטיקה
כשמכניסים אותו לנוזל, גוף תופס חלק מהחלל שכבש הנוזל עצמו בעבר. לפיכך, הנוזל יפעיל על עצם זה כוח המופנה כלפי מעלה בעוצמה השווה למשקל הנוזל שנעקר עקב החדרת הגוף בתוכו.
ההגדרה שהוצגה לעיל פותחה על ידי ארכימדסבסירקיוז, חשוב מתמטיקאי, ממציא ו פִיסִיקַאִי יווני. הצהרתך המקורית מוצגת להלן:
"כל גוף השקוע בנוזל במנוחה עובר, מצד הנוזל, כוח אנכי כלפי מעלה, שעוצמתו שווה למשקל הנוזל שנעקר על ידי הגוף." |
ניתן לחשב את המודול של הכוח הצף באמצעות ההגדרה הבאה:
הדחף המופעל תלוי בנפח (V) של נוזלים העקורים על ידי הכנסת גוף, צפיפות נוזלים וכוח המשיכה המקומי.
הציפה שמפעילה נוזל לאזה יהיה תלוילכן, של מִשׁקָלשֶׁלגוּף או שלך צְפִיפוּת, אבל כן של צְפִיפוּתשֶׁלנוֹזֵל, נותן כוח משיכהמְקוֹמִי זה מ כרךבנוֹזֵלעָקוּר, שהוא, אגב, כן שווה אל ה כרך של חלק הגוף זה שקוע ב נוֹזֵל.
למרות שהציפה אינה נקבעת על פי צפיפות הגוף, דרך הקשר בין צפיפות הגוף לנוזל, ניתן לדעת אם הגוף יצוף, יישארבאיזון אוֹ יטבול. שעון:
אם הגוף כן יותרצָפוּף שהתחתית, היא תטה לשקוע;
אם לגוף יש צפיפות הַבָּא זה של הנוזל, הוא נוטה להישאר באיזון;
אם לגוף יש צפיפות קטן יותר מצפיפות הנוזל, הוא נוטה להשתנות.
משקל לכאורה
מִשׁקָלנִרְאֶה היא תוצאה של כוחות מִשׁקָל ו צִיפָה הפועלים על גוף מוטבע בנוזל. כשהוא שקוע בנוזל, הגוף יופיע יותר "אוֹר" ממה שזה באמת. הסיבה לכך היא שהכוח הצף פועל על גוף זה בכיוון אֲנָכִי, תמיד מצביע ללְמַעלָה.
או מִשׁקָלנִרְאֶה ניתן לחשב כדלקמן:
פAP - משקל לכאורה (N)
פ - משקל גוף (N)
AND - דחף על הגוף (N)
נוסחאות הידרוסטטיות
בדוק להלן כמה מהנוסחאות העיקריות המשמשות במחקר ההידרוסטטיקה.
→ עקרון יסודי של הידרוסטטיקה
העיקרון הבסיסי של הידרוסטטיקה מאפשר לחשב את הפרש הלחץ בין שתי נקודות בגבהים שונים בתוך נוזל אידיאלי.
→ צְפִיפוּת
צפיפות מודדת את כמות החומר הכלול בנוזל או בגוף ליחידת שטח שתופסת על ידו:
→ משפט פסקל
משפט פסקל מעיד כי עליית הלחץ המופעלת על נוזל שיווי המשקל מופצת מעליו בצורה אינטגרלית והומוגנית:
→ צִיפָה
ציפה היא הכוח שמפעיל נוזל שנעקר ממצבו כתוצאה מהכנסת גוף. הציפה תלויה בנפח העקירה של הנוזל, בכוח המשיכה המקומי ובצפיפות הנוזל:
→ משקל לכאורה
משקל לכאורה הוא הכוח שנוצר על גוף המוחדר לנוזל באופן מלא או חלקי:
תרגילים הידרוסטטיים
1. קבע את הפרש הלחץ בין שתי נקודות הנמצאות בעומק 10 מ 'ו -20 מ' באגם מים מליחים בצפיפות השווה ל 1200 ק"ג / מ '.
לְאַמֵץ:
ז = 10 מ 'לשנייה
פתרון הבעיה
כדי לחשב את הפרש הלחץ בין שתי הנקודות שהוזכרו בתרגיל, נשתמש בעקרון הבסיסי של הידרוסטטיקה:
'
בדרך זו, יהיה לנו את החישוב הבא:
על ידי רפאל הלרברוק