所述桶帕斯卡是由法国科学家帕斯卡在1646年进行了一项实验,以明确表明,液体压力传播相同的相同,而不管的容器的形状。
该实验包括用细高管将桶装满,并根据加油口颈部进行完美调整。当液体达到大约10米的高度(相当于7个堆叠的桶的高度)时,桶会由于液体在细管中施加的压力而破裂。
帕斯卡的桶的例证。资料来源:维基共享资源。
现象的关键是了解压力的概念。流体施加在表面上的压力P是该表面上的总力F除以该表面的面积A:
P = F / A
Pascal的枪管如何工作?
为了了解Pascal实验的物理原理,让我们计算一下装满水的酒桶底部的压力。为了使计算更加简单,我们将其假定为圆柱形,尺寸如下:直径90厘米,高度130厘米。
如上所述,底部的压力P是底部的总力F除以底部的面积A:
P = F / A
底部的面积A是底部半径R的pi乘以(π≈3.14):
A =π⋅R^ 2
如果是枪管,则为6362 cm ^ 2相当于0.6362 m ^ 2。
桶底部的力F将是水的重量。该重量可以通过将水的密度ρ乘以水的体积并乘以重力加速度g来计算。
F =ρ⋅A⋅h⋅g
对于装满水的桶,我们有:
F =ρ⋅A⋅h⋅g= 1000(kg / m ^ 3)⋅0.6362 m ^ 2⋅1.30m⋅10(m / s ^ 2)= 8271 N.
力以牛顿计算,相当于827千克力,相当接近一吨。枪管底部的压力为:
P = F / A = 8271 N / 0.6362 m ^ 2 = 13000 Pa = 13 kPa。
压力以帕斯卡(Pa)计算,这是国际SI测量系统中的压力单位。一气压等于101325 Pa = 101.32 kPa。
垂直管底部的压力
让我们考虑一个小管,其内径为1厘米,高度等于桶的高度,即1.30米。该管垂直放置,其下端用圆帽密封,并在其上端充满水。
首先让我们计算一下管子底部的面积:
A =π⋅R^ 2 = 3.14 *(0.5 cm)^ 2 = 0.785 cm ^ 2 = 0.0000785 m ^ 2。
根据以下公式计算管中所含水的重量:
F =ρ⋅A⋅h⋅g= 1000(kg / m ^ 3)⋅0.0000785m ^ 2⋅1.30m⋅10(m / s ^ 2)= 1.0 N.
换句话说,水的重量为0.1 kg-f,也就是说只有100克。
现在让我们计算压力:
P = F / A = 1 N / 0.0000785 m ^ 2 = 13000 Pa = 13 kPa。
惊人!压力与桶的压力相同。这就是静水悖论。
实验
帕斯卡桶底部的压力将是桶中所含水产生的压力加上与口相连的9米高,直径1厘米的细管中所容纳的水的压力之和。桶装。
图2.布莱斯·帕斯卡(Blaise Pascal)(1623-1662)。资料来源:凡尔赛宫,试管下端的压力由下式给出:
P = F / A =ρ⋅A⋅h⋅g/ A =ρ⋅g⋅h= 1000 * 10 * 9 Pa = 90000 Pa = 90 kPa。
注意,在前面的表达式中,区域A被取消,无论它是大还是小,如管子。换句话说,压力取决于表面相对于底部的高度,而与直径无关。
让我们在此压力的底部增加桶本身的压力:
P tot = 90 kPa + 13 kPa = 103 kPa。
为了找出施加到枪管底部的力,我们将总压力乘以枪管底部的面积。
F tot = P tot * A = 103000 Pa * 0.6362 m ^ 2 = 65529 N = 6553 kg-f。
换句话说,枪管的底部支撑着6.5吨的重量。
实行
如果以较小的比例进行,Pascal的桶状实验可以轻松在家中重现。为此,不仅需要减小尺寸,而且还需要用耐压性较小的玻璃或容器来代替机筒。
材料
1-带盖的一次性聚苯乙烯杯。根据西班牙语国家/地区的说法,聚苯乙烯有不同的称呼:白软木,聚苯乙烯泡沫塑料,聚苯乙烯,泡沫,动漫和其他名称。这些盖通常在外卖快餐店找到。
2-塑料软管,最好透明,直径为0.5厘米或更小,长度在1.5至1.8 m之间。
3-包装用胶带。
实验步骤
-在钻头的帮助下,用冲头,刀子或刀具刺穿聚苯乙烯杯的盖子,以便在其上打孔,使软管紧紧穿过。
-将软管穿过盖子上的孔,以使软管的一小部分进入便池。
-用胶带整齐地密封,用胶带将软管的接头与盖的两边盖住。
-将盖子放在广口瓶上,并用包装胶带密封盖子和广口瓶之间的接缝,以防止水溢出。
-将玻璃杯放在地板上,然后您必须拉长并抬高软管。使用吊椅,凳子或梯子起床可能会有所帮助。
-通过软管在玻璃杯中加水。可以通过在软管末端放置一个小的漏斗来帮助填充。
当玻璃装满并且水位开始通过软管上升时,压力会增加。有时候帕斯卡(Pascal)用他著名的酒桶证明了聚苯乙烯玻璃不能承受压力和破裂。
参考文献
- 液压机。取自大不列颠百科全书:britannica.com。
- 静水压力。从传感器一中恢复:sensorsone.com
- 静水压力。从《油田词汇表》中恢复:glossary.oilfield.slb.com
- 帕斯卡的原理和水力学。国家航空航天局(NASA)。摘自:grc.nasa.gov。
- Serway,R.,Jewett,J。(2008)。科学与工程物理。第2卷。墨西哥。参与学习编辑。367-372。
- 什么是静水压力:流体压力和深度。从数学和科学活动中心恢复:edinformatics.com
- 井控学校手册。第01章压力原理。