uabooks.top

Манометром называют прибор, предназначенный для измерения давлений, которые значительно больше или меньше атмосферного. Металлический манометр состоит из согнутой в виде дуги эластичной металлической трубки, один конец которой запаян, а другой - соединен с резервуаром, в котором измеряется давление. Когда воздух или другой газ под большим давлением входит в трубку, она немного распрямляется и посредством системы рычагов и зубчатых колес вращает стрелку прибора по часовой стрелке (рис. 27.1). Если давление в трубке меньше атмосферного, то трубка свертывается и вращает стрелку прибора в направлении против часовой стрелки. Таким манометром, например, измеряют давление в камерах автомобильных колес.

ЖИДКОСТНЫЕ МАНОМЕТРЫ

Жидкостные манометры позволяют измерять давление с большей точностью, чем металлические. Они состоят из выгнутой в виде буквы U стеклянной трубки, две стороны которой называют соответственно левым и правым коленами манометра. В трубку наливают жидкость. Как правило, это ртуть, но используются и водяные манометры. Одно колено манометра соединяют трубкой с резервуаром, в котором надо измерить давление, а другое открыто, и на поверхность жидкости в трубке действует давление атмосферы (это так называемый открытый манометр).

Рассмотрим случай, когда уровень жидкости в правом колене манометра выше, чем в левом (рис. 27.2). Это значит, что давление «р» в баллоне больше атмосферного на величину ρ · g · h, то естьp = p_a + ρ ·g · h , гдеp_a- атмосфер-

ное давление, а ρ - плотность жидкости в манометре. Если уровень жидкости в правом колене ниже, то давление в баллоне меньше атмосферного на величину Р · g · h.

У манометра, который предназначен для измерения очень малых давлений, правое колено запаяно и полностью заполнено жидкостью перед началом измерений (рис. 27.3а) - это так называемый укороченный манометр. На рис. 27.3б над ртутью в правом колене - вакуум, поэтому давление в колбе равняется избыточному давлению столбика ртути над линией равновесия (пунктир), то есть ρ · д · h.

ПОЧЕМУ ВОДА СЛЕДУЕТ ЗА ПОРШНЕМ

Набирайте в шприц воду, следя за тем, как вода поднимается за поршнем (рис. 27.4). Люди несколько тысячелетий не могли понять этого явления! Древнегреческий ученый Аристотель объяснял его так: когда поршень двигается вверх по трубке насоса, под ним образуется пустота, которую вода вынуждена заполнить. Люди тогда просто не могли представить себе возможность существования ничем не заполненного пространства, то есть вакуума. Как выяснилось после опытов Торричелли, Паскаля и Герике, воду «вдавливает» под поршень сила атмосферного давления, действующая на свободную поверхность воды в сосуде и передающаяся во все точки и во всех направлениях, в частности - вверх. Когда начали закачивать воду на большую высоту, оказалось, что природа «боится» пустоты только до высоты, которая приблизительно составляет 10,5 м, а дальше «отказывается» следовать за поршнем, поскольку сила давления столба воды уравновешивает силу атмосферного давления.

ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ

Рассмотрим конструкцию и принцип действия водяного насоса - обычной ручной водяной помпы. Она состоит из цилиндра с поршнем и двух клапанов (рис. 27.5). Входной клапан находится в верхней части трубы, соединяющей насос с водоносным слоем почвы, и впускает воду вверх по ходу поршня, но не выпускает назад при движении поршня вниз. Второй клапан находится в поршне и пропускает воду вверх, когда поршень двигается вниз. При следующем ходе поршня вверх верхний клапан закрывается и часть воды, которая находится над ним, выливается в ведро.

ИНТЕРЕСНО ЗНАТЬ

Интересную конструкцию насоса изобрел Архимед (рис. 27.6). «Винт Архимеда» находится в трубе, один конец которой надо опустить в воду. При вращении винта в определенном направлении вода начинает подниматься вверх по трубе. Подобная конструкция применяется в домашней ручной мясорубке.

ВОЗДУШНЫЕ НАСОСЫ И КОМПРЕССОРЫ

Чтобы накачать воздух в футбольный мяч, камеру велосипеда или автомобиля, используют воздушные насосы (рис. 27.7). Задание состоит в том, чтобы накачать в камеру воздух до определенного давления и сделать так, чтобы назад из камеры он не выходил. Поршень насоса сделан из кожи так, что его распирает при нагнетании воздуха. В этом случае края поршня крепко прижимаются к стенкам цилиндра и не дают воздуху «убежать». При обратном ходе поршня давление в цилиндре уменьшается, потому что клапан не выпускает воздух из камеры. Края кожи сминаются, и воздух опять заполняет пространство под поршнем. Для лучшей герметизации поршень и стенки цилиндра должны быть смазаны специальным маслом. Пространство под поршнем через систему вентилей и трубочек соединено со штуцером (трубка, к которой присоединяют шланг насоса при накачке камеры).

ОПЫТ 27.1 «ИССЛЕДОВАНИЕ ВАКУУМА»

Закройте отверстие шприца (без иглы) пальцем и потяните за ручку поршня. Что вы чувствуете, держа ручку рукой? Отпустите поршень и он резко вернется на предыдущее место. Объясните опыт.

Поршневой компрессор (от латинского compressus-сжатый) - это нагнетательный воздушный насос, поршень которого приводится в действие двигателем. Он используется для подачи сжатого воздуха в пневматические инструменты. Вы, наверное, видели (и слышали!) как работают пневматический молоток или отвертка. С помощью компрессора накачивают автомобильные шины, перегоняют природный газ в газопроводах, распыляют краску пульверизатором. Специальный кривошипно-шатунный механизм двигает поршень компрессора «туда-сюда», а два клапана - впускной и выпускной -вынуждают воздух двигаться в нужном направлении (рис. 27.8).

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС

Гидравлические устройства, например гидроусилитель руля в автомобиле, широко применяются в современной технике. Из названия понятно, что речь идет об устройствах, которые используют жидкость и многократно усиливают начальное действие. Легко нажав на гидравлический тормоз (рис. 27.9), можно остановить грузовой автомобиль или поезд. Гидравлический подъемник поднимает и удерживает автомобиль (рис. 27.10). Гидравлический пресс штампует какой угодно профиль, даже из толстого стального листа.

Все эти машины и механизмы действуют по единому принципу - принципу гидравлического пресса, изобретенного Паскалем. Гидравлический пресс состоит из двух цилиндров разных диаметров (рис. 27.11). Внутри цилиндров двигаются поршни. Цилиндры герметически соединены между собой и заполнены жидкостью (как правило, минеральным маслом).

Пусть на меньший поршень площадью S_} действует сила F₁. Поршень давит на жидкость, создавая в ней давление

По закону Паскаля, это давление передается во все точки жидкости. Тогда на второй поршень, площадь которого больше и равняется S₂, будет действовать сила

Следовательно, усилие, которое развивает второй поршень, во столько же раз больше начального, во сколько раз площадь большего поршня больше площади меньшего поршня:

(27.1)

В мощных гидравлических машинах малый поршень является частью насоса, который быстро накачивает жидкость в цилиндр с большим поршнем. Если заменить в прессе жидкость воздухом, он тоже будет работать. Такие устройства называют пневматическими. Поскольку воздух легко сжимается, то пневматические тормоза действуют «мягче».

В общественном транспорте двери открываются и закрываются пневматическими устройствами, потому вы не пострадаете, даже если окажетесь в их плену.

Сервоскелет - довольно экзотическое устройство, которое состоит из гидравлических трубок с поршнями и имеет вид скелета. Вы одеваете эту конструкцию на себя - и каждое ваше движение повторяется и усиливается многократно. Можно, например, подойти к многотонной грузовой машине и поднять ее «руками».

ОПЫТ 27.2 «ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕССА»

Соедините отверстия двух одноразовых шприцев разного диаметра пластиковой трубкой (рис. 27.12). Сначала произведите опыты с воздухом. Нажмите на меньший по диаметру поршень. Какой из поршней легче двигать? Который из них перемещается на большее расстояние? Потом наберите в систему воду и повторите опыты.

ТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

27.1. Опишите работу сердца как насоса. Как происходит нагнетание крови в сосуды и как работают сердечные клапаны? Как регулируется частота, с которой «бьется» сердце? Как измеряют артериальное давление?

27.2. По какому принципу действует гидравлический домкрат?

КРАТКИЕ ИТОГИ

Манометры используют для измерения давлений значительно больше или меньше атмосферного.

Вода следует в трубе за поршнем насоса, потому что ее туда «вгоняет» атмосферное давление.

Гидравлический пресс усиливает действие во столько раз, во сколько площадь большого поршня больше площади малого поршня:

УПРАЖНЕНИЕ 27

1. Каково назначение манометров?

2. Почему вода следует за поршнем насоса?

3. Как действует велосипедный насос?

4. Будет ли работать в вакууме поршневой жидкостный насос?

5. Для чего нужны компрессоры?

6. Какие инструменты называют пневматическими?

7. Из каких основных частей состоит гидравлический или пневматический усилитель?

8. За счет чего происходит усиление исходного действия в гидравлическом прессе, и во сколько раз?

9. Почему в гидравлическом прессе используют жидкость, а не воздух?

10. Как из воздушного нагнетательного насоса сделать насос, который создает вакуум?

11. Уровень воды в открытом колене манометра на 20 см выше уровня воды в колене, которое подсоединено к баллону (рис. 27.2). Каково давление в баллоне? Атмосферное давление 100 000 Па, g = 10 Н/кг.

12. Уровень воды в открытом колене водяного манометра на 15 см ниже уровня воды в колене, которое подсоединено к баллону. Каково давление в баллоне? Атмосферное давление 100 000 Па, g = 10 Н/кг.

13. В подсоединенном к резервуару колене укороченного ртутного манометра уровень на 2 см ниже, чем в запаянной части трубки (рис. 27.3 б). Каково давление в колбе? Атмосферное давление представляет р₀ = 100 000 Па, плотность ртути 13 600 кг/м³, g = 10 Н/кг.

14. Может ли уровень ртути в закрытой части укороченного манометра быть ниже, чем в подсоединенной к колбе (рис. 27.3б)?

15. При атмосферном давлении, равняющемся 750 мм рт. ст., манометр показывает давление в шинах автомобиля в 3,4 раза больше, чем атмосферное. Какая сила действует на каждые 100 см² поверхности шины?

16. а) Почему с помощью поршневого насоса можно поднять воду только на высоту около 10,5 м и не выше? б) Придумайте несколько способов поднять воду с помощью поршневого насоса на высоту 20 м и больше.

17. Объем воздуха в цилиндре компрессора уменьшился втрое. Как при этом изменилась плотность воздуха?

18. Какое давление в озере на глубине 40 м? Атмосферное давление 100 000 Па, g = 10 Н/кг.

19. В гидравлическом прессе площадь малого поршня составляет 5 см², а большого - 1 м². Какой максимальный выигрыш в силе может дать этот пресс?

20. Малый поршень гидравлического пресса опускается на 25 см за один ход, а большой при этом поднимается на 5 мм. Какую силу развивает большой поршень, если на малый действует сила 200 Н? Выберите правильный ответ: а) 1000 Н; б) 400 Н; в) 10 000 Н; г) 40 Н.

 

Это материал учебника Физика за 7 класс Пшеничка