Гидростатического давления это

Что это такое?

Гидростатическое давление – давление столба воды над условным уровнем. Гидростатическое давление также заменяться аббревиатурой ГДВ.

В любом объеме воды присутствует сила, которую принято называть гидростатическим давлением. Данное определение получило широкое распространение. Оно незаменимо в физике и механике.

Технические средства различного назначения существуют только благодаря знаниям о гидростатике.

Гидростатическое давление воды – это очень важный показатель. Он позволяет производить не только расчеты при разработке и производстве различных устройств, работающих на основе законов гидростатики.

Его часто задействуют и простые люди, на самом обычном бытовом уровне, даже не подозревая об этом. Например, используя прибор для измерения артериального давления, или включая насос на даче.

Три свойства, которыми обладает гидростатика воды, остаются неизменными при любых обстоятельствах, что полезно помнить. Ведь при необходимости, можно даже самостоятельно произвести какие-либо математические расчеты. Например, вычислить ГДВ на дне моря или океана.

Узнать ГДВ в требуемой точке возможно с помощью уравнения, которое называется: основное уравнение гидростатики. Выражено оно в виде:

P = P0 + yh,

Показательно, что ГДВ в заданной точке будет равно величине, состоящей из суммы значений: вес атмосферного столба и вес водного слоя. Наименование у этого параметра – полное давление.

Если на водную поверхность давит сила, которая больше атмосферной нагрузки, то такой вид воздействия будет именоваться, как избыточное давление. Он выражается разностью между полным и атмосферным давлением:

Pизб = Pполн — Pатм

Пояснительным примером может послужить компрессор холодильника, который создает избыточное сжатие  газа в герметичной камере.

В каждой статичной жидкой среде всегда присутствует напряжение сжатия. К примеру, вода, размещенная в условном баке, станет давить на его стенки и дно. А если погрузить в воду какой-либо предмет, то можно с уверенностью сказать, что этот предмет окажется под воздействием силовой нагрузки.

К основным свойствам гидростатического давления относят три закономерности:

Калькулятор ниже предназначен для расчета неизвестной величины по заданным, используя формулу давления столба жидкости.
Сама формула:

Калькулятор позволяет найти

Вывод формул для всех случаев тривиален. Для плотности по умолчанию используется значение плотности воды, для ускорения свободного падения – земное ускорение, и для давления – величина равная давлению в одну атмосферу. Немного теории, как водится, под калькулятором.

Гидростатическое давление

Высота столба жидкости, м

Плотность жидкости, кг/м3

Ускорение свободного падения, м/с2

Знаков после запятой: 2

Гидростатическое давление — давление столба воды над условным уровнем.

Формула гидростатического давления выводится достаточно просто

Из этой формулы видно, что давление не зависит от площади сосуда или его формы. Оно зависит только от плотности и высоты столба конкретной жидкости. Из чего следует, что, увеличив высоту сосуда, мы можем при небольшом объеме создать довольно высокое давление.
В 1648 г. это продемонстрировал Блез Паскаль. Он вставил в закрытую бочку, наполненную водой, узкую трубку и, поднявшись на балкон второго этажа, влил в эту трубку кружку воды. Из-за малой толщины трубки вода в ней поднялась до большой высоты, и давление в бочке увеличилось настолько, что крепления бочки не выдержали, и она треснула.

Также это приводит к такому явлению как гидростатический парадокс.

Гидростатический парадокс — явление, при котором сила весового давления налитой в сосуд жидкости на дно сосуда может отличаться от веса налитой жидкости. В сосудах с увеличивающимся кверху поперечным сечением сила давления на дно сосуда меньше веса жидкости, в сосудах с уменьшающимся кверху поперечным сечением сила давления на дно сосуда больше веса жидкости. Сила давления жидкости на дно сосуда равно весу жидкости лишь для сосуда цилиндрической формы.

На картинке вверху давление на дно сосуда по всех случаях одинакова и не зависит от веса налитой жидкости, а только от ее уровня. Причина гидростатического парадокса состоит в том, что жидкость давит не только на дно, но и на стенки сосуда. Давление жидкости на наклонные стенки имеет вертикальную составляющую. В расширяющемся кверху сосуде она направлена вниз, в сужающемся кверху сосуде она направлена вверх. Вес жидкости в сосуде будет равен сумме вертикальных составляющих давления жидкости по всей внутренней площади сосуда

Источники в википедии: Гидростатическое давление Гидростатический парадокс

Что такое гидростатическое давление

Самое важное свойство жидкости, которое отличает ее по характеристикам от иных видов тел (например, твердых) — текучесть. Даже малейший угол наклона сосуда с жидкостью внутри способствует тому, что под воздействием силы тяжести жидкость перетекает таким образом, что поверхность превращается снова в строго горизонтальную.

Если жидкость находится в равновесии, то есть покоится, то ни между жидкостями и стенками сосуда, ни между слоями жидкости не проявляются силы, которые направлены по касательной к поверхности жидкости.

Свободная поверхность жидкости, которая находится в состоянии покоя, всегда горизонтальна. На языке механики можно говорить о том, что в жидкости, которая покоится, полностью отсутствуют силы трения.

В случае, когда какая-то жидкость касается неподвижного твердого тела (это могут быть стенки сосуда, корпус корабля, дно океана), появляются силы, которые действуют на поверхность твердого тела. Такие силы в физике и механике принято называть силы давления жидкости.

По третьему закону Ньютона этими же силами тело в твердом состоянии воздействует на тело в жидком состоянии.

Напомним, что такое третий закон Ньютона. Он утверждает следующее: «Силы, с которыми происходит воздействие двух дел друг на друга, будут равны по своей величине, а также направлены вдоль прямой в противоположные стороны».

Силы давления характеризуется тем, что всегда направлены перпендикулярно поверхности соприкосновения жидкости и твердого тела в определенной точке.

Гидростатическое давление — силы давления столба жидкости над определенным уровнем.

Человек очень часто в процессе своей жизнедеятельности сталкивается с силами давления жидкости. Силы давления жидкости позволяют человеку, а также различным судам плавать в воде, а также эти силы способны раздавить корпус подводной лодки на больших глубинах.

Чем больше жидкость сжата, тем больше и силы давления, возникающие в ней.

Силы давления распределяются по поверхности соприкосновения со стороны жидкости на поверхность твердого тела. Именно поэтому можно говорить о том, что сила давления на определенную поверхность зависит от степени сжатия жидкости и от размеров данной поверхности. Для того, чтобы дать характеристику распределению сил давления вдоль поверхности соприкосновения, предлагают термин «давление».

Давление на сегменте поверхности — отношение силы давления, которые действует на данный участок, к площади данного участка.

Единица давления — давление, при котором на единицу площади равномерно воздействует сила, которая равна единице. В системе измерительных единиц такая величина называется «паскаль» (названа в честь великого ученого-физика Б. Паскаля)

Манометрами можно измерить давление в разных точках жидкости. Рассмотрим действие самого простого мембранного манометра.

Так выглядит прибор:

Пустую камеру закупоривают герметично тонкой упругой мембраной, которая соединена со стрелкой, которая вращается вокруг оси. При помещении манометра в жидкое пространство мембрана прогибается под воздействием сил давления, стрелка поворачивается, положение отмечается по шкале.

Прогиб мембраны становится больше равно давлению в определенном месте жидкости. Для того чтобы измерения манометра мерили малую область жидкости, величину мембраны должны сократить. Если манометр с малой мембраной положить внутрь жидкости, то можно наблюдать, что показания манометра не меняются при поворачивании его в разных направлениях. Это значит, что давление — характеристика состоянию жидкости в определенном месте. Эта характеристика не зависит от размеров, ориентации площадки, на которой происходит замер давления. Давление напрямую зависит только от степени сжатия жидкости в определенном месте.

Формула гидростатического давления

Гидростатическое давление можно вычислить по следующей формуле:

В этой формуле p будет давлением слоя жидкости в Па,

будет плотностью жидкости (измеряется в

g — коэффициент силы тяжести (измеряется в

, h — высота слоя жидкости (измеряется в м).

Сила F, с которой жидкость воздействует на дно сосуда, будет являться весом жидкости. Его подсчитывают по формуле:

Расчет происходит по параметрам того, что жидкость и дно сосуда остаются в состоянии покоя. Также нужно упомянуть формулу

для выделения массы тела по плотности вещества, а также формулу

Данное уравнение показывает способ вывода формула для расчета гидростатического давления, а также показывает то, что формулу

можно считать частным случаем формулы на вычисление давления

Можно заметить, что при выводу данной формуле необязательно считать, что слой с высотой в h и плотностью в

образуется жидкостью. Ничего не изменится, если мы заменим давление жидкости на давление твердого тела с прямоугольной формой, даже если заменим на газ, который поместим в определенный сосуд. Давление, которое создается весами, предсказывает формула

указывает на то, что давление, которое создается слоем жидкости, не зависит от массы, а зависит от плотности жидкости, высоты слоя, а также места наблюдения. В случае увеличения толщины слоя жидкости, плотности жидкости гидростатическое давление будет увеличиваться.

Данный вывод можно проверить экспериментальным путем.

Справа вы видите стеклянную трубу цилиндрической формы, дно которой затянули резиновой пленкой. С увеличением высоты слоя жидкости будет наблюдаться и увеличение растяжения пленки. Данный опыт показывает, что когда увеличивается высота слоя жидкости, то давление, которое создалось ранее, увеличивается. На рисунке ниже нарисованы трубки с водой и раствором соли. По картинке видно, что уровень высоты у жидкостей одинаковый, но давление на пленку в правой трубке создается большее. Это можно объяснить тем, что плотность солевого раствора больше, чем плотность воды.

Единица измерения давления в СИ (международной системе единиц) — Паскаль. Часто еще гидростатическое давление измеряется в атмосферах. За единицу атмосферы принимают давление в 76 см ртутного столба с температурой ноль градусов по Цельсию, с нормальным ускорением свободного падения в 9,80665 м в квадратную секунду.

Свойства гидростатического давления

На основе гидростатического парадокса возможно измерить гидростатическое давление в высоте столба ртутиводы. Этот столб может производить такое же давление на атмосферу поверхности.

Гидростатический парадокс

Гидростатическое давление на тело не будет зависеть от направления. Расчеты давления несколько усложняются в случаях, когда нужно рассчитать давление, которое производится на не горизонтальную часть стенки сосуда по массе жидкости в ней. Так причиной давления становится вес столбов жидкости, который имеет основанием любую даже самую малую частицу поверхности рассматриваемой, а за высоту принимают вертикальное расстояние от каждой частицы до свободной поверхности жидкости.

Расстояния будут постоянны для горизонтальных частей стенок, для бесконечно узких горизонтальных полос, которые берутся на боковых стенках. К ним можно приложить формулу гидростатического давления. Для боковых стенок необходимо суммировать (согласно правилам интегрального исчисления) давления на горизонтальные элементы поверхности.

В результате получается правило: давление тяжелой жидкости на плоскую стенку будет равно весу столба данной жидкости, который имеет основанием площадь данной стенки, а за высоту принимает вертикальное расстояние центра тяжести от свободной поверхности жидкости.

Давление на дно сосуда зависит только от величины поверхности дна, от высоты уровня жидкости и ее плотности. Не будет зависеть от формы сосуда. Этот вывод известен по понятию «гидростатический парадокс», разъяснено Паскалем.

На первый взгляд оно выглядит неверным, так как в сосудах с равными доньями, которые наполнены до равной высоты одной и той же жидкостью, вес будет различный, если формы будут разными. Но расчеты и опыт указывают на то, что в сосуде, который расширяется кверху, вес излишков жидкости будет поддерживаться боковыми стенками, передаваться весами через посредство, не воздействуя на дно, а в сосуде, который суживается кверху, гидростатическое давление на боковые стенки воздействует снизу вверх, облегчает весы на столько, сколько весило бы недостающее количество жидкости.

Гидравлический пресс

Законом Паскаля легко объясняется принцип работы гидравлического пресса. Гидравлический пресс используют для выжимки масла из семян растений, для штамповки металла, а также других целей. В качестве жидкости используют масло или воду.

Гидравлический пресс представляет собой два цилиндра разных диаметров, которые снабжены поршнями, соединяются трубкой. Часть под поршнями заполняют жидкостью.

Представим, что к малому поршню с площадью сечения

прилагают силу в

. Данная сила создает под поршнем еще одно давление в

. Оно передается во все точки жидкости, в точки под большим поршнем тоже. Это приводит к тому, что на большой поршень со стороны жидкости воздействует сила в несколько раз больше, чем на малый. Соответственно площадь большого поршня будет больше площади малого в

. Если в процессе действия силы

малый поршень опускается на расстояние

то большой поршень поднимается на высоту

. Выводим следствие:

Получаем уравнение, которое характерно для простых механизмов, называют его в физике «золотым правилом механики». Выигрыш по силе сопровождается потерями в пути.

Так выглядит гидравлический пресс:

Как уменьшить или увеличить давление

Для того, чтобы увеличить давление нужно увеличить силу, либо уменьшить площадь. Для уменьшения нужно уменьшить силу, либо увеличить площадь.

Разберем это на примерах.

Если человек будет идти по снегу на лыжах, то не будет проваливаться в снег, хотя без них ноги будут тонуть в снегу. В данном случае силы, которые действуют на поверхность (вес), неизменны. Однако площадь лыж намного больше ступни, поэтому человек в лыжах воздействует на снег меньше, чем без них.

В быту часто используется увеличение или уменьшение давления.

Шины грузовых автомобилей всегда шире, чем шины у легковых авто. Такой принцип делается для большей устойчивости, для уменьшения давления. Особенно это важно для машин, которые предназначены для поездок по бездорожьюпустыням.

Даже тяжелые тракторы и танки оказывают на землю меньшее давление, чем человек. Это происходит из-за размеров площади гусеницы танка — она намного больше ступни человека. Так танк может пройти болото, а человек не сможет, потому что погрязнет. Для этого человек придумал специальную обувь — мокроступы. Они позволяют ходить по таким местностям.

Так они выглядят:

Из-за увеличения площади данная обувь из пластикарезины способствует тому, что человек может ходить по заболоченным местностям, не проваливаясь в трясину и грязь.

Ранее мокроступы делали из древесины (как лапти). Во времена Великой Отечественной Войны мокроступы использовались во время операции под названием «Багратион».

Часто нужно увеличить давление. Это нужно сделать для многих режущих и колющих инструментов. Например, ножниц, ножей, бритв и так далее. Острые лезвия обладают маленькой площадью поверхности, поэтому даже самым маленьким усилием можно образовать большое давление.

При игре в дартс игроки бросают дротики с маленькой силой, но, когда попадают в мишень, создается давление, которое может в несколько раз превышать давление, которое создает гусеничный трактор на землю. Часто такие примеры встречаются и в дикой природе. Зубы, клювы, когти диких животных также являются примером такого давления.

Из-за того, что у них малая площадь поверхности, а также способность развивать большое усилие, создается большое давление.

Так осы воздействуют на кожу человека с силой в 10мкН. Но площадь жала осы так мала, что это усилие создает давление в миллиарды паскалей.

Давление также стараются учитывать в строительстве. Так при постройке зданий увеличивают площадь нижней части фундамента для того, чтобы грунт мог выдерживать давление, которое создается зданием. Также в процессе постройки мостов нагрузку часто распределяют, делая большое количество опор.

Еще один пример. Всем известно, что давление под водой увеличивается по мере того, как мы погружаемся на все большую глубину. Так происходит, так как сила давления воды увеличивается, потому что чем глубже вниз, тем больше воды давит на человека с аквалангом, то есть происходит увеличение силы давления. По этой причине разные подводные жители не могут уйти ниже конкретных глубин (или же подниматься выше определенного уровня).

Примеры задач с гидростатическим давлением

Молекулярные частицы, собранные в некотором объеме, подвержены воздействию силы сжатия. Разные молекулы испытывают разное ГДВ. Это зависит от конкретного местоположения частиц в водном объеме. На поверхности сжатие меньше, на глубине, больше.

Вычислить значение ГДВ можно по формуле: P = pgh,

Чтобы узнать среднее значение ГДВ для заданного объема, следует воспользоваться формулой:

Pср = P/S, где:

От чего зависит параметр?

Для того чтобы рассчитать параметр давления в заданной точке, необходимо знать все о ее местоположении.

И учесть, что на усилие сжатия влияют следующие факторы:

Может показаться странным, но размер и форма емкости на показатель ГДВ совершенно не влияют.

Практическое применение знаний

На практике законы гидравлики широко распространены в современном мире техники.

На их основе построена работа различного оборудования, например, такого как:

Вся гидроавтоматика, управляющая работой, от автомобилей, до космических кораблей, разработана благодаря этим знаниям.