อุทกสถิต: มันคืออะไร, แนวคิด, สูตร, แบบฝึกหัด

อุทกสถิต เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาลักษณะของของไหลที่อยู่นิ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันสร้างความสัมพันธ์กับ ความดัน กระทำต่อวัตถุที่แช่อยู่ในของเหลว เช่น อากาศในบรรยากาศและน้ำ

ดูยัง:แนวคิดที่สำคัญสำหรับการศึกษาไฮโดรสแตติกส์

อุทกสถิตคืออะไร?

THE อุทกสถิต เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาคุณสมบัติของของไหลที่อยู่นิ่ง ในบรรดาคุณสมบัติทางกายภาพของของเหลว เราสามารถเน้นสิ่งที่สำคัญที่สุด: ความหนาแน่น,ความดัน และความแข็งแกร่งของ การลอยตัว. เราเข้าใจดีว่าสารของไหลสามารถสมมติรูปร่างของภาชนะได้ โดยเปลี่ยนรูปร่างภายใต้การกระทำของแรงภายนอกบางอย่าง

THE ความหนาแน่น เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญ เนื่องจากคุณสมบัตินี้วัดปริมาณของของไหลในพื้นที่ที่กำหนด ตามระบบสากลของหน่วย (SI) ความหนาแน่นของของไหลวัดเป็น กิโลกรัมต่อรถไฟใต้ดินลูกบาศก์ (กก./ลบ.ม.).

THE ความดันอุทกสถิต วัดค่า แรงต่อหน่วยพื้นที่ ว่าของเหลวที่อยู่นิ่งสามารถออกแรงกระทบกับพื้นผิวได้ ยิ่งความลึกของร่างกายแช่อยู่ในของเหลวมากเท่าใด ความดันที่กระทำต่อมันก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หน่วยความดันใน SI คือ ปาสคาล (Pa) ซึ่งเท่ากับความดันของ 1 นิวตันต่อตารางเมตร (N/m²).

โอ การลอยตัว,

ในทางกลับกันมันเป็นแรงที่ของเหลวทุกชนิดกระทำต่อร่างกายที่แช่อยู่ในนั้น แรงลอยตัวมีหน้าที่ในการไล่ฟองก๊าซออกจากเครื่องดื่มอัดลม นอกจากนี้ยังทำให้จุก เรือ หรือก้อนน้ำแข็งลอยอยู่บนน้ำ แรงลอยตัวอธิบายโดย ทฤษฎีบทของอาร์คิมิดีส, และหน่วยของคุณคือ นิวตัน (น).

แรงดันน้ำ

THE ความดันอุทกสถิต คือ ความดันที่กระทำโดยคอลัมน์ของของไหลที่อยู่นิ่ง ในการคำนวณโมดูลัสของแรงดันไฮโดรสแตติกที่กระทำโดยของไหล เราใช้ หลักการพื้นฐานให้อุทกสถิต:

ความแตกต่างของแรงดันระหว่างจุดสองจุดในของเหลวนั้นพิจารณาจากผลคูณของความหนาแน่นของมัน โมดูลัสความโน้มถ่วงในพื้นที่ และความแตกต่างของความสูงระหว่างจุดเหล่านี้

หลักการพื้นฐานของ Hydrostatics ระบุว่ายิ่งมีความลึกของของเหลวมากเท่าใด แรงดันก็จะยิ่งออกแรงมากขึ้นเท่านั้น

เราสามารถแปลหลักการพื้นฐานของ อุทกพลศาสตร์ ในสมการต่อไปนี้:

ΔP – ความแตกต่างของแรงดัน (Pa)
d – ความหนาแน่นของของเหลว (กก./ลบ.ม.)
โอ้ – ความแตกต่างของความสูงระหว่างจุดของเหลว (ม.)

การวิเคราะห์หลักการที่นำเสนอข้างต้นอย่างรอบคอบทำให้เราสรุปได้ว่า:

• สองจุดที่อยู่ที่ ส่วนสูงเท่ากัน ในของเหลวจะมีความดันเท่ากัน

• ของเหลวทั้งหมดใน สมดุล นำเสนอพื้นผิวอิสระที่จัดวางในทิศทาง แนวนอน;

• ความดันในของเหลวเพิ่มขึ้นด้วย ความลึก.

→ ทฤษฎีบทและแรงกดดันของปาสกาล

ตามที่ ทฤษฎีบทปาสกาล, ทุกแรงดันจะเพิ่มขึ้นเหนือของไหลในอุดมคติ นั่นคือ ของไหล ไม่บีบอัด, ต่อเนื่อง และ ไม่มีความหนืด มันถูกถ่ายทอดเป็นเนื้อเดียวกันตลอดปริมาตร การประยุกต์ใช้หลักการของ Pascal อย่างหนึ่งคือการทำงานของเครื่องอัดไฮดรอลิกและลูกสูบ

F – แรงที่ใช้ (N)
THE – พื้นที่ของการใช้กำลัง (m²)

อุทกสถิตและความหนาแน่น

THE ความหนาแน่น มันเป็นหนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของของไหล เป็นไปได้ที่จะกำหนดปริมาณของสสารที่ประกอบเป็นของเหลวในปริมาตรที่กำหนด คำจำกัดความความหนาแน่นแสดงไว้ด้านล่าง:

d – ความหนาแน่น (กก./ลบ.ม.)
ม – มวล (กก.)
วี – ปริมาณ (m³)

ความหนาแน่นของของเหลววัดจากความหนาแน่นของน้ำบริสุทธิ์ซึ่งมีโมดูลัส 1.0 กิโลกรัมต่อรถไฟใต้ดินลูกบาศก์ มีหน่วยความหนาแน่นหลายหน่วยที่ใช้กันทั่วไปในการศึกษาอุทกสถิต ตรวจสอบบางส่วนของพวกเขาในรูปด้านล่างและใช้โอกาสในการเรียนรู้วิธีดำเนินการแปลงหน่วยเมื่อจำเป็น:

ความเท่าเทียมกันระหว่างหน่วยความหนาแน่นหลัก

ดูยัง: ความแตกต่างระหว่างความหนาแน่นและมวลจำเพาะ

การลอยตัวและอุทกสถิต

เมื่อใส่เข้าไปในของเหลว ร่างกายจะใช้พื้นที่ส่วนหนึ่งของของเหลวที่เคยครอบครองก่อนหน้านี้ ดังนั้น ของไหลจะออกแรงบนวัตถุนี้ด้วยแรงพุ่งขึ้นไปที่มีขนาดเท่ากับน้ำหนักของของไหลที่ถูกแทนที่เนื่องจากการแทรกของร่างกายเข้าไปข้างใน

คำจำกัดความที่นำเสนอข้างต้นได้รับการพัฒนาโดย อาร์คิมิดีสในซีราคิวส์ สิ่งสำคัญ นักคณิตศาสตร์ นักประดิษฐ์ และ นักฟิสิกส์ กรีก. คำแถลงเดิมของคุณแสดงไว้ด้านล่าง:

"ทุกร่างที่แช่อยู่ในของเหลวที่อยู่นิ่งจะได้รับแรงในแนวดิ่งขึ้นในส่วนของของเหลวซึ่งจะมีความเข้มข้นเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่โดยร่างกาย"

โมดูลัสของแรงลอยตัวสามารถคำนวณได้โดยใช้คำจำกัดความต่อไปนี้:

แรงขับที่กระทำขึ้นอยู่กับปริมาตร (V) ของของไหลที่ถูกแทนที่โดยการแทรกตัวของวัตถุ ความหนาแน่นของของเหลว และความโน้มถ่วงเฉพาะที่

แรงลอยตัวที่เกิดจากของไหล ไม่มันจะขึ้นอยู่กับดังนั้น ของ น้ำหนักของร่างกาย หรือของคุณ ความหนาแน่น แต่ใช่ของ ความหนาแน่นของของเหลว, ให้ แรงโน้มถ่วงท้องถิ่น มาจาก ปริมาณในของเหลวพลัดถิ่น ซึ่งก็คือ เท่ากัน เพื่อ ปริมาณ ของส่วนลำตัว ที่แช่อยู่ ที่ ของเหลว

แม้ว่าแรงลอยตัวไม่ได้ถูกกำหนดโดยความหนาแน่นของร่างกาย แต่โดยความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นของร่างกายและของเหลว เป็นไปได้ที่จะทราบได้ว่าร่างกาย จะลอย, จะยังคงในสมดุล หรือ จะจมอยู่ใต้น้ำ ดู:

• ถ้าร่างกายเป็น มากกว่าหนาแน่น ที่ด้านล่างก็จะมีแนวโน้มที่จะจม;

• ถ้าร่างกายมีความหนาแน่น ต่อไป ของไหลนั้นมักจะอยู่ในสมดุล

• ถ้าร่างกายมีความหนาแน่น เล็กกว่า กว่าความหนาแน่นของของเหลวก็จะมีแนวโน้มที่จะผันผวน

น้ำหนักชัดเจน

น้ำหนักชัดเจน เป็นผลของแรง น้ำหนัก และ การลอยตัว ซึ่งกระทำต่อร่างกายที่ฝังอยู่ในของเหลว เมื่อจุ่มลงในของเหลว ร่างกายก็จะปรากฏมากขึ้น "เบา" กว่าที่มันเป็นจริงๆ ทั้งนี้เพราะว่าแรงลอยตัวกระทำต่อร่างกายนี้ในทางทิศนั้น แนวตั้ง ชี้เสมอ สำหรับขึ้น

โอ น้ำหนักชัดเจน สามารถคำนวณได้ดังนี้

พี_AP – น้ำหนักที่ชัดเจน (N)
พี – น้ำหนักตัว (N)
และ – แรงผลักดันในร่างกาย (N)

สูตรอุทกสถิต

ตรวจสอบด้านล่างของสูตรหลักบางส่วนที่ใช้ในการศึกษา Hydrostatics

→ หลักการพื้นฐานของอุทกสถิตย์

หลักการพื้นฐานของ Hydrostatics ทำให้สามารถคำนวณความแตกต่างของแรงดันระหว่างจุดสองจุดที่ความสูงต่างกันภายในของเหลวในอุดมคติได้

→ ความหนาแน่น

ความหนาแน่นวัดปริมาณของสสารที่มีอยู่ในของเหลวหรือร่างกายต่อหน่วยของพื้นที่ที่ครอบครองโดย:

→ ทฤษฎีบทปาสกาล

ทฤษฎีบทของปาสคาลบ่งชี้ว่าการเพิ่มขึ้นของความดันที่กระทำต่อของไหลที่สมดุลถูกกระจายไปทั่วในลักษณะที่เป็นหนึ่งเดียวและเป็นเนื้อเดียวกัน:

→ การลอยตัว

การลอยตัวคือแรงที่กระทำโดยของไหลที่เคลื่อนตัวออกจากตำแหน่งอันเป็นผลมาจากการสอดวัตถุเข้าไป การลอยตัวขึ้นอยู่กับปริมาตรของของเหลวที่ถูกแทนที่ แรงโน้มถ่วงในท้องถิ่น และความหนาแน่นของของเหลว:

→ น้ำหนักชัดเจน

น้ำหนักที่เห็นได้ชัดเจนคือแรงที่เกิดขึ้นบนร่างกายที่ใส่เข้าไปในของเหลวทั้งหมดหรือบางส่วน:

แบบฝึกหัดอุทกสถิต

1. กำหนดความแตกต่างของแรงดันระหว่างจุดสองจุดที่ลึก 10 ม. และ 20 ม. ในทะเลสาบน้ำกร่อยที่มีความหนาแน่นเท่ากับ 1200 กก./ลบ.ม.

รับเลี้ยง:

ก = 10 ม./วินาที²

ความละเอียด

ในการคำนวณความแตกต่างของแรงดันระหว่างสองจุดที่กล่าวถึงในแบบฝึกหัด เราจะใช้หลักการพื้นฐานของ Hydrostatics:

'

ด้วยวิธีนี้เราจะมีการคำนวณดังต่อไปนี้:

By Me. ราฟาเอล เฮเลอร์บร็อก