Ο νόμος του Πασκάλ για τα υγρά και τα αέρια λέει ότι η πίεση, που διαδίδεται σε μια ουσία, δεν αλλάζει την ισχύ της και μεταδίδεται εξίσου προς όλες τις κατευθύνσεις. Οι υγρές και αέριες ουσίες συμπεριφέρονται υπό πίεση με κάποιες διαφορές. Η διαφορά οφείλεται στη συμπεριφορά των σωματιδίων και στο βάρος των αερίων και των υγρών. Στο άρθρο, όλα αυτά θα τα εξετάσουμε λεπτομερώς με τη βοήθεια οπτικών πειραμάτων.
Μεταδίδεται η πίεση υγρού
Ας πάρουμε ένα κυλινδρικό δοχείο, το οποίο σφραγίζεται ερμητικά από πάνω από ένα έμβολο. Υπάρχει ένα υγρό μέσα, και ένα βάρος είναι στο έμβολο. Ασκεί πίεση με δύναμη ίση με το βάρος του. Αυτή η πίεση μεταφέρεται στο ρευστό. Τα μόριά του, σε αντίθεση με τα σωματίδια ενός στερεού σώματος, μπορούν να κινούνται ελεύθερα μεταξύ τους. Δεν υπάρχει αυστηρή σειρά στη διάταξη τους, διασκορπίζονται τυχαία.
Γνώση χαρακτηριστικώνη κίνηση των σωματιδίων διαφορετικών ουσιών στο μέλλον θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τον νόμο του Pascal για τα υγρά και τα αέρια. Πώς θα συμπεριφερθούν τα μόρια του υγρού αν ενεργήσουμε πάνω τους με τη δύναμη πίεσης του βάρους; Η εμπειρία θα μας βοηθήσει να απαντήσουμε σε αυτήν την ερώτηση.
Πώς συμπεριφέρεται το υγρό υπό πίεση
Το μοντέλο του υγρού θα είναι γυάλινες χάντρες και το μοντέλο του δοχείου θα είναι ένα κουτί χωρίς καπάκι. Οι μπάλες, καθώς και τα σωματίδια μιας υγρής ουσίας, κινούνται ελεύθερα σε δοχεία. Πάρτε οποιοδήποτε αντικείμενο έχει το ίδιο πλάτος με το πλάτος του κουτιού. Θα μιμηθεί ένα έμβολο.
Πιέστε το έμβολο στο υγρό. Πώς συμπεριφέρονται τα μόριά του; Βλέπουμε ότι πιέζουν τόσο στον πάτο του δοχείου όσο και στα τοιχώματά του. Σπρώχνουν ο ένας τον άλλον και προσπαθούν να πέσουν από το κουτί. Αν ήταν πραγματικό υγρό, τότε θα έτεινε να εκτοξευθεί έξω από το δοχείο. Αργότερα, όταν μελετήσουμε το νόμο του Pascal για τα υγρά και τα αέρια, θα το δούμε στην πράξη. Λόγω του ότι τα μόρια κινούνται ελεύθερα, η πίεση που ασκείται από το βάρος μεταδίδεται τόσο στα πλάγια όσο και προς τα κάτω. Και τι θα συμβεί αν αντικαταστήσετε το υγρό με αέριο;
Πώς συμπεριφέρεται ο αέρας υπό πίεση
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε έναν κύλινδρο με ένα έμβολο γεμάτο με αέρα. Τοποθετήστε ένα βάρος πάνω από το έμβολο. Πώς μεταδίδεται η πίεση που ασκείται στο αέριο; Καθώς το έμβολο κινείται προς τα κάτω, η απόσταση μεταξύ των μορίων στην κορυφή του αερίου μειώνεται, αλλά όχι για πολύ. Η ταχύτητα των μορίων αερίου είναι εκατοντάδες μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Η απόσταση μεταξύ τους είναι πολύ μεγαλύτερη από το μέγεθός τους. Κινούνται σε τυχαίες κατευθύνσεις και συγκρούονται μεταξύ τους.
Όταν το έμβολοπέφτει, τα σωματίδια απλώς κλειδώνονται σε μικρότερο όγκο. Ως αποτέλεσμα, χτυπούν συχνότερα στα τοιχώματα του δοχείου και καθώς μειώνεται ο όγκος του αερίου, η πίεσή του αυξάνεται. Αυτό το αξίωμα πρέπει να θυμόμαστε, έτσι ώστε αργότερα να είναι ευκολότερο να κατανοήσουμε τον νόμο του Pascal για τα υγρά και τα αέρια. Ο αριθμός των παλμών ανά δευτερόλεπτο ανά τετραγωνικό εκατοστό είναι σχεδόν ο ίδιος. Αυτό σημαίνει ότι η πίεση που παράγει το έμβολο μεταδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις χωρίς αλλαγή.
Μεταφορά πίεσης προς διαφορετικές κατευθύνσεις
Νόμος του Πασκάλ, η μεταφορά της πίεσης από υγρά και αέρια δεν μπορεί να γίνει κατανοητή αν δεν κατανοήσει κανείς μια παραδοξότητα: πώς γίνεται να πιέζουμε προς τα κάτω και η πίεση να μεταφέρεται και προς τα κάτω και στα πλάγια; Τι γίνεται όμως εάν ένας σωλήνας είναι συνδεδεμένος στον κύλινδρο, θα μεταδοθεί η πίεση προς τα πάνω μέσω αυτού; Ας πειραματιστούμε.
Πάρτε δύο σύριγγες γεμάτες με νερό και συνδέστε τις με ένα σωληνάριο. Ας παρατηρήσουμε πώς θα μεταδοθεί η πίεση από το υγρό που υπάρχει στις σύριγγες. Πιέστε το έμβολο μιας σύριγγας. Η δύναμη της πίεσης στο έμβολο, και επομένως στο υγρό, κατευθύνεται προς τα κάτω. Ωστόσο, βλέπουμε ότι το έμβολο της δεύτερης σύριγγας ανεβαίνει. Αποδεικνύεται ότι η πίεση, που μεταδίδεται μέσω του σωλήνα, αλλάζει την κατεύθυνση της δύναμης. Είναι ενδιαφέρον ότι οι σύριγγες μπορούν να τοποθετηθούν όχι μόνο κάθετα, αλλά και σε ορθή γωνία μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα θα είναι το ίδιο.
Χύστε το νερό και θα υπάρχει αέρας στις σύριγγες. Ας επαναλάβουμε την εμπειρία. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, θα δούμε ότι το αέριο μεταδίδει επίσης πίεση προς όλες τις κατευθύνσεις. Υπάρχει μόνο μία διαφορά με το υγρό. Αν χαμηλώσεις το έμβολο του ενόςκατεβάστε τη σύριγγα και στερεώστε το με το δάχτυλό σας και, στη συνέχεια, όταν πιέσετε το έμβολο μιας άλλης σύριγγας, το αέριο θα συμπιεστεί. Ο όγκος του θα μειωθεί κατά περίπου δύο φορές και το έμβολο θα προσπαθήσει να αναπηδήσει προς τα πάνω. Αυτό το αέριο, επιδιώκοντας να αυξήσει τον όγκο του, αναγκάζει το έμβολο να κινηθεί προς τα πάνω. Θα ήταν διαφορετικά με ένα υγρό, δεν θα ήταν δυνατό να το συμπιέσει κανείς τόσο εύκολα.
Νόμος του Πασκάλ
Θα μελετήσουμε τη μεταφορά πίεσης από υγρά και αέρια με τη βοήθεια της εμπειρίας. Εφευρέθηκε από τον Γάλλο φυσικό Blaise Pascal. Πάρτε μια κοίλη σφαίρα στην οποία είναι προσαρτημένος ένας γυάλινος σωλήνας. Σε διάφορα σημεία της μπάλας (πάνω, πλάι, κάτω) υπάρχουν μικρές τρύπες. Ένα έμβολο τοποθετείται μέσα στο σωλήνα. Αυτή είναι μια ειδική συσκευή για την επίδειξη του νόμου του Πασκάλ.
Γεμίστε το μπαλόνι μέσα από το σωλήνα με νερό για να δείτε πώς συμπεριφέρεται. Αν και η βαρύτητα επιδρά στην μπάλα από πάνω προς τα κάτω, σταγόνες νερού ρέουν από τις τρύπες της μπάλας υπό γωνία, προς τα πλάγια και ακόμη και προς τα πάνω. Φυσικά, αποκλίνουν ελαφρώς από την αρχική τους κατεύθυνση, γιατί η βαρύτητα δρα πάνω τους. Βλέπουμε ότι η πίεση που ασκείται στο νερό μεταδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις.
Αν αντί για νερό πάρουμε καπνό και κάνουμε αυτό το πείραμα, θα παρατηρήσουμε τη μεταφορά της πίεσης σε ένα αέριο με τα μάτια μας, επειδή ο καπνός είναι ένα αέριο χρωματισμένο με μικρά σωματίδια αιθάλης ή πίσσας. Λόγω του ότι είναι πολύ ελαφρύ, δεν θα επηρεαστεί τόσο από τη βαρύτητα, δεν θα αποκλίνει από την αρχική του θέση όσο τα ρεύματα νερού. Μπορούμε να συμπεράνουμε το εξής: η πίεση που ασκείταισε υγρό ή αέριο, μεταδίδεται, χωρίς αλλαγή δύναμης, σε οποιοδήποτε σημείο του υγρού και του αερίου προς όλες τις κατευθύνσεις. Αυτός είναι ο νόμος του Pascal για τα υγρά και τα αέρια. Τύπος: P=F/S όπου P είναι η πίεση. Είναι ίσος με τον λόγο της δύναμης F προς την περιοχή S, στην οποία δρα κάθετα.
