Gimnazjum im. Adama Mickiewicza w Brodach DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Gimnazjum im. Adama Mickiewicza w Brodach ID grupy: 98/66 _MF_G2 Opiekun: Grażyna Nowak, Kompetencja: matematyczno – fizyczna Temat projektowy: „Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczne” Semestr/rok szkolny: semestr II /rok szkolny 2010/2011

CIŚNIENIE HYDROSTATYCZNE CIŚNIENIE HYDROSTATYCZNE I ATMOSFERYCZNE CIŚNIENIE HYDROSTATYCZNE I ATMOSFERYCZNE

Ciśnienie- definicja Ciśnienie - wielkość skalarna określona jako iloraz wartości siły działającej prostopadle do powierzchni (siły nacisku Fn) i powierzchni na jaką ona działa (s). Jednostką podstawową ciśnienia jest Paskal (Pa).

Wzór : P = Fn/S Gdzie : P - Ciśnienie Fn - Siła nacisku S - Powierzchnia 5

Jednostki ciśnienia 1 hPa (hektopaskal) = 100 Pa, 1 kPa (kilopaskal) = 1000 Pa, 1 MPa (megapaskal) = 1 000 000 Pa.

Inne stosowane jednostki ciśnienia

Przykłady zamiany jednostek ciśnienia Zamień na Paskale: 1hPa = 10hPa = 200hPa = 1kPa = 300kPa = 80kPa = 1mPa = 90mPa= 700mPa =

Odpowiedzi : 1hPa =100 Pa 10hPa =1000 Pa 200hPa =20 000 Pa 1kPa =1 000 Pa 300kPa =300 000 Pa 80kPa =80 000 Pa 1 MPa =1 000 000 Pa 90 MPa =90 000 000 Pa 700 MPa =700 000 000 Pa

Ciśnienie hydrostatyczne Ciśnienie hydrostatyczne ciśnienie wywierane przez ciecz wynikające z ciężaru cieczy znajdującej się w polu grawitacyjnym.

Wzór :

Ciśnienie hydrostatyczne zależy od gęstości cieczy – ciecz o większej gęstości wywiera większe ciśnienie. Słupy cieczy o różnych gęstościach mają różne wysokości ale cisnienie obydwu ramionach jest takie samo. Słupy cieczy o różnych gęstościach mają różne wysokości ale ciśnienie w obydwu ramionach jest takie samo.

Ciśnienie hydrostatyczne zależy od wysokości słupa cieczy - im większy słup cieczy tym większe ciśnienie.

Ciśnienie hydrostatyczne nie zależy od kształtu naczynia. W każdym z tych naczyń ciecz (ta sama we wszystkich naczyniach) wywiera na dno to samo ciśnienie, gdyż wysokości słupów cieczy są takie same.

Doświadczenie Pascala W 1648 r Pascal wykonał słynne doświadczenie. Napełnił wodą do pełna solidnie wykonaną beczkę z dębowych klepek tak szczelną, że nie przepuściła ani kropli. Do niej przymocowano rurkę sięgającą drugiego piętra, do której wlano dwa litry wody. Ku zdziwieniu zebranej widowni beczka została rozsadzona ! Doświadczenie to potwierdzało hipotezę, że ciśnienie hydrostatyczne zależy od wysokości słupa cieczy.

Blaise Pascal Blaise Pascal , (pol. Błażej Pascal), (ur. 19 czerwca 1623r. w Clermont-Ferrand; zm. 19 sierpnia 1662r. w Paryżu) – francuski matematyk, fizyk i religijny filozof. Był niezwykle uzdolnionym dzieckiem, wyedukowanym przez ojca. Jego wczesne dzieła powstawały spontanicznie, lecz w istotny sposób przyczyniły się do rozwoju nauki. 17

Miał on znaczący wkład w konstrukcję mechanicznych kalkulatorów i mechanikę płynów; sprecyzował także pojęcia ciśnienia i próżni, uogólniając prace Torricelliego. W swoich opracowaniach bronił metody naukowej. Rozważania Pascala w zakresie hydrodynamiki i hydrostatyki koncentrowały się na kwestii zasad rządzących płynami hydraulicznymi. Wśród jego wynalazków znalazły się strzykawka i prasa hydrauliczna (wykorzystująca ciśnienie hydrostatyczne do zwielokrotniania siły), w roku 1646 zaś zainteresował się przeprowadzonymi przez Torricellego eksperymentami z barometrem.

PRAWO PASCALA Jeżeli na płyn (ciecz lub gaz) w zbiorniku zamkniętym wywierane jest ciśnienie zewnętrzne, to (pomijając ciśnienie hydrostatyczne) ciśnienie wewnątrz zbiornika jest wszędzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu.

Przykłady zastosowania Prawa Pascala Pompowanie dętki, materaca, dmuchanie balonów

Działanie urządzeń hydraulicznych Hamulec Hamulec hydrauliczny - hamulec cierny (głównie w pojazdach samochodowych i lotnictwie i rowerach) uruchamiany za pomocą systemu hydraulicznego, złożonego z pompy (na której tłok działa prowadzący pojazd), przewodów ciśnieniowych oraz cylinderków roboczych przy każdym z kół. Zapewnia równy rozkład siły hamowania bez konieczności kłopotliwej regulacji. Hamulec hydrauliczny to dwa cylindry połączone przewodem. Wciskanie jednego z nich powoduje przetłaczanie płynu do drugiego cylindra (zacisk) i wypychanie tłoczka co owocuje zaciskaniem się klocków na tarczy.

Podnośnik hydrauliczny Podnośnik hydrauliczny– to urządzenie, pozwalające na podniesienie przedmiotu. Podnoszenie odbywa się przy udziale cieczy, która wypychana powoduje uniesienie się jednej z części podnośnika, co pozwala na podniesienie przedmiotu. Podnośniki hydrauliczne są wykorzystywane w wielu dziedzinach.

Prasa hydrauliczna Prasa hydrauliczna – urządzenie techniczne zwielokrotniające siłę nacisku dzięki wykorzystaniu zjawiska stałości ciśnienia w zamkniętym układzie hydraulicznym (prawo Pascala).

NACZYNIA POŁĄCZONE

CO TO JEST? Są to co najmniej dwa naczynia skonstruowane tak, że ciecz może swobodnie między nimi przepływać, na przykład przez połączenie znajdujące się w dnie każdego z nich.

NA CZYM POLEGAJĄ ? W obecności jednorodnego pola grawitacyjnego wlewając do któregokolwiek z naczyń połączonych jednolitą ciecz, jej poziom w każdym z naczyń ustali się na tej samej wysokości.

GDZIE SIĘ JE STOSUJE ? Zasadę działania naczyń połączonych wykorzystuje się między innymi do konstrukcji...

WIEŻY CIŚNIEŃ Jest to budynek w formie wieży, na którego szczycie znajduje się zbiornik wody, służący do zapewnienia stabilnego ciśnienia w wodociągu. Pokrywa chwilowy wzrost zapotrzebowania. Zbiornik musi być umieszczony powyżej odbiorców, ponieważ działa poprzez zasadę naczyń połączonych.

POZIOMICY WĘŻOWEJ Składa się ona z dwóch pionowych rurek szklanych, bądź z tworzywa sztucznego, z podziałką, połączonych giętkim przewodem. Ten typ poziomicy był dawniej stosowany w budownictwie.

STUDNI ARTEZYJSKIEJ Studnia, powstająca przez wywiercenie otworu do wód artezyjskich – głęboko położonych warstw wodonośnych, w których woda znajduje się pod ciśnieniem hydrostatycznym.

STUDNIA ARTEZYJSKA Woda z takiego odwiertu wypływa samoczynnie, niekiedy jest pod dużym ciśnieniem (rzędu nawet kilkudziesięciu atmosfer).

ŚLUZA WODNA Budowla hydrotechniczna wznoszona na kanałach żeglownych, rzekach oraz pomiędzy jeziorami. Są one budowane w celu umożliwienia podczas żeglugi pokonywania różnic poziomu wody przez jednostki pływające.

RURKA WODOWSKAZOWA Jest ona umieszczana przy zbiornikach - zazwyczaj nieprzezroczystych, zamkniętych naczyniach. Służy do wskazywania poziomu cieczy w zbiorniku. Stosuje się ją np. w kotłach. Taką rurkę stosuje się również w czajniku elektrycznym.

Co to jest atmosfera? Atmosfera - gazowa powłoka otaczająca planetę o masie wystarczającej do utrzymywania wokół siebie warstwy gazów, w wyniku działania grawitacji. Ta definicja stosuje się do planet skalistych i księżyców.

Skład atmosfery azot - 78,08% tlen - 20,95% argon - 0,934% Atmosfera ziemska składa się z mieszaniny gazów, zwanej powietrzem. azot - 78,08% tlen - 20,95% argon - 0,934%

Ciśnienie atmosferyczne – stosunek wartości siły, z jaką słup powietrza atmosferycznego naciska na powierzchnię Ziemi, do powierzchni, na jaką ten słup naciska. Wynika stąd, że w górach ciśnienie atmosferyczne jest niższe a na nizinach wyższe, ponieważ słup powietrza ma różne wysokości.

Wykorzystanie ciśnienia atmosferycznego

Jaka może być przyczyna powstawania niskiego i wysokiego ciśnienia atmosferycznego? Powietrze nagrzewa się od podłoża. Nad obszarami ciepłymi powietrze unosi się (ciepłe powietrze jest lżejsze). Maleje jego nacisk na powierzchnię Ziemi. Powstaje ośrodek niskiego ciśnienia N. Nad obszarami chłodnymi powietrze opada. Chłodne, cięższe powietrze wywiera większy nacisk na Ziemię. Powstaje ośrodek wysokiego ciśnienia - W. Przy powierzchni Ziemi zaczyna wiać wiatr od wysokiego do niskiego ciśnienia, zmierzając do jego wyrównania.

Doświadczenie Torricellego W 1643 roku Torricelli przeprowadził doświadczenie z barometrem rtęciowym. Doświadczenie miało na celu pokazanie istnienie ciśnienia atmosferycznego.

Jak wykonał doświadczenie ? Napełnił on probówkę rtęcią, obracał powoli żeby się nie wylało i umieścił w większym naczyniu do góry dnem, drugie naczynie było także napełnione rtęcią. Torricelli wyjaśnił, że rtęć w próbówce podtrzymywana jest przez ciśnienie atmosferyczne. Wysokość słupa rtęci zależy od wartości tego ciśnienia

Przyrządy do pomiaru ciśnienia

Barometr Barometr – przyrząd do pomiaru ciśnienia atmosferycznego. Pierwszy barometr cieczowy zbudował Torricelli w 1643 roku. Do pomiaru ciśnienia atmosferycznego wykorzystywana jest tu ciecz o znacznej gęstości (zwykle rtęć) zawarta w rurce umieszczonej pionowo.

Barometr Torricelli

Manometr Manometr (ciśnieniomierz) jest miernikiem służącym do pomiaru ciśnienia cieczy i gazów. Ze względu na wskazywane ciśnienie dzieli się je na : - względne - wskazuje różnicę ciśnień, - bezwzględne - wskazujące ciśnienie w odniesieniu do próżni. Manometr skonstruował Dymitr Mendelejew.

Dymitr Mendelejew Manometr

Ciśnieniomierz - Ciśnieniomierz - hydrostatyczny przyrząd do pomiaru nacisku ciśnienia na powierzchnie ciał stałych. - Pierwszy ciśnieniomierz został skonstruowany przez Alberta Pondukta w 1457 r.

Przyrządy do pomiaru ciśnienia Tonometr - przyrząd do mierzenia ciśnienia, np. wewnątrzgałkowego lub krwi. Sfigmomanometr - aparat do pośredniego pomiaru ciśnienia tętniczego krwi.

ciekawostki

Zakres ciśnień

Na dnie Rowu Mariańskiego woda wywiera ciśnienie 110,2 MPa, czyli ponad 1100-krotnie wyższe niż normalne ciśnienie atmosferyczne. Najwyższe na świecie zarejestrowano 19 grudnia roku 2001 w miejscowości Tosontsengel w Mongolii – wyniosło wtedy 1086 hPa. Najniższe znormalizowane ciśnienie atmosferyczne, wynoszące 870 hPa, spowodowane przejściem tajfunu Tip, zarejestrowano 12 października roku 1979 na Północnym Pacyfiku. Dla Oceanu Atlantyckiego rekord padł 19 października 2005 roku. W oku huraganu Wilma, który potem spustoszył Florydę, zanotowano ciśnienie 882 hPa.

ZADANIA...

Zadanie 1 Jakie ciśnienie na podłogę wywiera Zenon stojąc na dwóch nogach, który waży 50 kg, jeżeli powierzchnia jego buta wynosi 70 cm ² ?

ROZWIĄZANIE Szukane : Wzory : DANE : m=50kg s=70cm² · 2 = 140cm²=0,014m² Szukane : Wzory : DANE : P= ? P= Fn=? Fn =Fg=m·g Fn = Fg = 50kg · 10 N/kg = 500 N P = 500N : 0,014m² = 500 000 N :14m² = 35714,285 Pa ≈35714,3 Pa Odp. Zenon wywiera na podłoże ciśnienie o wartości 35714,3 Pa.

Zadanie 2 Ciśnienie atmosferyczne ma wartość około 1000 hPa. Oblicz, z jaką siłą powietrze naciska na szybę okienną o wymiarach 50 cm x 100 cm. Dlaczego szyba nie pęka?

Pamiętaj o jednostkach podstawowych !!! Dane Pamiętaj o jednostkach podstawowych !!! P= 1000 hPa = 100 000 Pa Wymiary szyby: a = 50 cm = 0,5m b = 100 cm = 1 m b a

SZUKANE: WZORY: S =? Fn = ? S=a·b Fn = p·s Sss=? Fn=? S= a*b Fn = P*S

ROZWIĄZANIE Fn= 100 000 Pa · 0,5 m² = 50 000 N S = 0,5 m · 1 m = 0,5 m² Fn= 100 000 Pa · 0,5 m² = 50 000 N Odp. Powietrze naciska na szybę z siłą 5000 N. Szyba nie pęka, ponieważ nacisk z obydwu stron jest taki sam.

Zadanie 3 Z jaką siłą woda dociska maskę nurkującego Zdzisława na głębokości10 m? (Powierzchnia maski wynosi 50 cm²)

ROZWIĄZANIE Dane : szukane: wzory h= 10 m Fn =? Fn = p · s s= 50 cm² = 0,005 m² p = h · ρ · g g= 10 N/kg (m/s²) ρ = 1000 kg/m³ p= 10m · 1000kg/m³·10N/kg = 100 000 Pa Fn = 100 000Pa · 0,005m² = 500N =0,5kN Odp. Woda dociska maskę Pana Zdzisława z siłą o wartości 500 N.

Zadanie 4 Zygmunt, nurkując w morzu zauważył, że jego ciśnieniomierz wskazuje ciśnienie 3000 hPa. Na jakiej głębokości wtedy pływał? (Przyjmij, że ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza wynosi 1000 hPa).

ROZWIĄZANIE Dane: Szukane: Wzór: p =300 000 Pa+100 000 Pa=400 000 Pa p =3000 hPa=300 000 Pa h=? h= patm.=1000 hPa=100 000 Pa q wody =1000 kg/m³ p =300 000 Pa+100 000 Pa=400 000 Pa h=400 000 Pa /1000 kg/m³ ·10 N/kg = 40 m Odp. Zygmunt, pływał wtedy na głębokości 40 m.

Zadanie 5 Na wykresie przedstawiono zależność ciśnienia hydrostatycznego od wysokości słupa pewnej cieczy. Na jego podstawie oblicz gęstość tej cieczy

ROZWIĄZANIE Dane: Szukane: Wzór: p=3,2 kPa=3200 Pa q=? q= h=40 cm=0,4 m q= Odp. Gęstość cieczy wynosi 800 kg/m³

Doświadczenia

Doswiadczenie 1 Cel doświadczenia: Obserwacja strumieni cieczy na tych samych i na różnych poziomach. Cel doświadczenia: 65

POTRZEBNE PRZYRZĄDY I PRZEDMIOTY: Dwie duże plastikowe butelki Cyrkiel szkolny Taśma klejąca Linijka Miska POTRZEBNE PRZYRZĄDY I PRZEDMIOTY: 66

KOLEJNE CZYNNOŚCI: 1. Bierzemy dwie duże plastikowe butelki Na bocznej ściance jednej z nich robimy otwory wokół dna butelki na tym samym poziomie. W ściance drugiej butelki robimy otwory na różnych wysokościach 2. Zalepiamy otwory taśmą i nalewamy wody do pełna. 3. Butelki umieszczamy nad miedniczkami, zrywamy taśmę i obserwujemy zasięg wypływających strumieni.

OBSERWACJE Strumienie wody na tej samej wysokości są takie same Mocniejszy strumień obserwujemy z otworu umieszczonego na dole a najsłabszy z otworu na górze butelki.

WNIOSKI Ciśnienie cieczy na tej samej wysokości jest takie samo. Najwieksze ciśnienie panuje na dnie butelki Ciśnienie cieczy na ścianki naczynia zależy od wysokości słupa cieczy – im wyższy słup cieczy tym większe ciśnienie.

Doświadczenie 2 Cel doświadczenia: Sprawdzenie prawdziwości prawa Pascala Potrzebne przyrządy i przedmioty: piłeczka pingpongowa strzykawka gwóźdź woda

W piłeczce wykonaj kilka dziurek. KOLEJNE CZYNNOŚCI: W piłeczce wykonaj kilka dziurek. Zanurz strzykawkę w naczyniu i nabierz wody. Osadź piłeczkę na strzykawce. Naciśnij tłok i obserwuj wypływające strumienie wody

Woda wylewa się równomiernie ze wszystkich otworów. OBSERWACJE Woda wylewa się równomiernie ze wszystkich otworów.

WNIOSKI Jednakowe strumienie wody potwierdzają fakt,że zewnętrzne ciśnienie rozchodzi się tak samo we wszystkich kierunkach. Doświadczenie potwierdza prawdziwość prawa Pascala Prawo Pascala: Przyłożone z zewnątrz ciśnienie w gazach i cieczach rozchodzi się jednakowo we wszystkich kierunkach.

Doświadczenie 3 Cel doświadczenia: Obserwacja poziomu dwóch różnych cieczy (oleju, wody) w naczyniu o kształcie litery „U”. Potrzebne przyrządy i przedmioty: naczynie w kształcie litery „U”, lejek, woda, olej.

OBSERWACJE: KOLEJNE CZYNNOŚCI: Do naczynia w kształcie litery U wlewamy niewielką ilość wody. Do jednego z ramion naczynia wlewamy olej Obserwujemy poziomy cieczy w obydwu ramionach OBSERWACJE: Słupy cieczy o różnych gęstościach mają różne wysokości. Słup cieczy o mniejszej gęstości (olej) jest wyższy.

WNIOSEK Ciśnienie hydrostatyczne zależy od gęstości cieczy- im wyższy słup cieczy tym większe ciśnienie

Doświadczenie 4 Cel doświadczenia. Sprawdzenie, czy poziom wody po zmianie kształtu węża ulegnie zmianie. Potrzebne przyrządy i przedmioty: wąż, menzurka, woda.

3. Sprawdź jaki jest obecny poziom wody. KOLEJNE CZYNNOŚCI: 1. Wlej wodę do menzurki. 2. Niech jedna osoba wygnie wąż w literę „U”, a druga wleje wodę do tego węża. 3. Sprawdź jaki jest obecny poziom wody. 4. Zmień kształt węża i również sprawdź poziom wody.

OBSERWACJE: Po wlaniu wody do węża poziom wody był równy. Mimo zmiany kształtu węża poziom wody w obydwu ramionach był taki sam.

WNIOSEK Poziom wody w naczyniach połączonych jest zawsze taki sam, nie zależy od kształtu ramion.

Doświadczenie 5 Cel doświadczenia. Sprawdzamy oddziaływanie ciśnienia atmosferycznego. Potrzebne przyrządy i przedmioty: szklanka butelka kartka (ze sztywnego papieru) woda

Do szklanki nalej pełno („z czubem”) wody. KOLEJNE CZYNNOŚCI: Do szklanki nalej pełno („z czubem”) wody. Przytrzymując kartkę ręką odwróć szybko szklankę do góry dnem. Puść kartę. Te same czynności wykonaj z cylindrem miarowym.

OBSERWACJE Kartka nie odpada od szklanki. Kartka nie odpada również od butelki.

WNIOSKI Kartka nie odpada ponieważ przytrzymuje ją powietrze. Ciśnienie wywierane przez powietrze jest większe od ciśnienia wywieranego przez wodę. Doświadczenie potwierdza istnienie ciśnienia atmosferycznego.

Jak wysokie musi być naczynie, aby kartka odpadła? Kartka odpadnie, gdy ciśnienie hydrostatyczne będzie większe od atmosferycznego. p = ρ∙g∙h, czyli ciśnienie atmosferyczne wynosi w przybliżeniu p =100000 Pa, gęstość wody ρ = 1000 kg/m3 Odp. Wysokość naczynia musi być większa od 10m  

Doświadczenie 6 Cel doświadczenia Sprawdzamy oddziaływanie ciśnienia atmosferycznego. Potrzebne przyrządy i przedmioty: pompa próżniowa, półkule magdeburskie

Próbować rozdzielić półkule. KOLEJNE CZYNNOŚCI: Docisnąć do siebie dwie półkule a następnie za pomocą pompy próżniowej wypompować powietrze z półkul. Zamknąć zawór. Próbować rozdzielić półkule.

OBSERWACJE Po wypompowaniu powietrza nie można rozdzielić półkul, mimo użycia dużej siły. WNIOSKI Półkul nie można rozdzielić, gdyż dociska je powietrze. Doświadczenie potwierdza istnienie ciśnienia atmosferycznego.

WNIOSKI Półkul nie można rozdzielić, gdyż dociska je powietrze. Doświadczenie potwierdza istnienie ciśnienia atmosferycznego.

Doświadczenie 7 Cel doświadczenia „Statek w butelce” – doświadczenie pokazowe Potrzebne przyrządy i przedmioty: świeczka, zapałki butelka z szerokim otworem nakrętka np. od wody mineralnej talerz woda barwnik do wody

WNIOSKI Wskutek ogrzania powietrza w butelce wzrasta jego ciśnienie, co powoduje ucieczkę powietrza z butelki. Gdy płomień świeczki zgaśnie, temperatura wewnątrz butelki zacznie szybko spadać i gwałtownie obniży się ciśnienie. Woda z talerzyka zostaje zassana do wnętrza butelki w celu wyrównania powstałej różnicy ciśnień wewnątrz i na zewnątrz butelki.

Zamocuj świeczkę w nakrętce od butelki. KOLEJNE CZYNNOŚCI: Zamocuj świeczkę w nakrętce od butelki. Do talerza nalej ok. 0,5 l wody i umieść na środku stateczek ze świeczką. Zapal świeczkę i nakryj ją butelką o szerokim otworze np. po dużym kubusiu. Co obserwujesz. Wyjaśnij to zjawisko

OBSERWACJE Po nakryciu świeczki butelką obserwujemy zasysanie wody do butelki. Świeczka pływa wewnątrz butelki.

Prezentację wykonali: Andżelika, Sara, Ola, Paulina S. Paulina M. Błażej, Damian, Adrian, Mateusz, Maciej i Arek oraz nasz opiekun Pani Grażyna.

BIBLIOGRAFIA Francuz – Ornat G., Kulawik T., Nowotny – Różańska M., „Fizyka i astronomia dla gimnazjum – moduł 1 , Nowa Era, Warszawa, 2006 „Zrozumieć świat” podręcznik fizyki dla gimnazjum, część 1i 2, pod redakcją Sagnowskiej B., ZamKor, Kraków, 2005 http://wiki.wolnepodreczniki.pl/Fizyka:Gimnazjum/Hydrostatyka http://hydrostatyka.blogspot.com/2009/03/doswiadczenie-torricellego.html http://www.loszczytno.edu.pl/porady/prezentacje/cisnienie/scenariusz.html http://www.jednostki.adgraf.net/jednostki_cisnienia.php http://pl.wikipedia.org/wiki/Blaise_Pascal http://www.nokaut.pl/podnosniki/proma-podnosnik-hydrauliczny-hzp-8.html http://www.superfizyka.za.pl/statyka.htm#parcie http://pl.wikipedia.org/wiki/Ci%C5%9Bnienie_atmosferyczne http://wiking.edu.pl/article.php?id=380