Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczne Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Gimnazjum im. Adama Mickiewicz w Brodach ID grupy: 98/66_MF_G1 Opiekun: Agnieszka Sykała Kompetencja: matematyczno – fizyczna Temat projektowy: Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczne Semestr/rok szkolny: drugi/ 2010/2011

Spis treści 1. Ogólne pojęcie ciśnienia. 2. Jednostki ciśnienia. 3. Zamiana jednostek ciśnienia. 4. Ciśnienie hydrostatyczne. 5. Czynniki wpływające na ciśnienie 6. Blaise Pascal. 7. Doświadczenie Pascala. 8. Naczynia połączone i ich praktyczne wykorzystanie. 9. Pojęcie atmosfery. 10. Ciśnienie atmosferyczne. 11. Doświadczenie Torricellego. 12. Przyrządy do pomiaru ciśnienia. 13. Ciekawostki. 14. Przykładowe doświadczenia związane z ciśnieniem. 15. Przykładowe zadania związane z ciśnieniem. 16. Spis literatury.

Ogólne Pojęcie ciśnienia Ciśnienie - wielkość fizyczna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa, co przedstawia zależność: P – ciśnienie (Pa) Fn – składowa siły prostopadła do powierzchni (N) S – powierzchnia (m²) SPIS TREŚCI

Jednostki ciśnienia 1 hPa (hektopaskal) = 100 Pa 1 kPa (kilopaskal) = 1 000 Pa 1 MPa (megapaskal) = 1 000 000 Pa SPIS TREŚCI

Zamiana jednostek ciśnienia SPIS TREŚCI

Przykłady zamiany jednostek Zamień na paskale: 1 hPa = 100 Pa 250 hPa = 25 000 Pa 1 kPa = 1 000 Pa 60 kPa = 60 000 Pa 1 Mpa = 1 000 000 Pa 80 Mpa = 80 000 000 Pa

Ciśnienie hydrostatyczne Ciśnienie hydrostatyczne – ciśnienie, jakie panuje na pewnej głębokości w cieczy nie będącej w ruchu, która znajduje się w polu grawitacyjnym. p = ρ · g · h p - ciśnienie cieczy ρ - gęstość cieczy (w układzie SI w kg/m³) h - wysokość słupa cieczy (w układzie SI w metrach) g - przyśpieszenie ziemskie (w układzie SI w m/s²) SPIS TREŚCI

Czynniki wpływające na ciśnienie Ciśnienie hydrostatyczne jest zależne od dwóch czynników: gęstość substancji oraz wysokość słupa cieczy. Ciśnienie hydrostatyczne jest tym większe - im większy jest słup cieczy i jej gęstość. Pod wodą wpływają dwa różne czynniki na wartość ciśnienia: wysokość słupa wody oraz ciśnienie atmosferyczne nad wodą. SPIS TREŚCI

Blaise Pascal Blaise Pascal (Błażej Paskal) (1623- 1662) – francuski filozof, matematyk i fizyk. Tematem jego badań były prawdopodobieństwo, próżnia, ciśnienie atmosferyczne. Na jego cześć jednostkę ciśnienia nazwano paskal (Pa) oraz język programowania Pascal. W połowie życia porzucił nauki ścisłe na rzecz filozofii i religii, skłaniał się ku jansenizmowi. SPIS TREŚCI

Doświadczenie Pascala Pascal, twierdził, że parcie hydrostatyczne nie zależy od ilości (objętości) cieczy, lecz od wysokości jej słupa. Aby to udowodnić, wykonał słynne doświadczenie z beczką. SPIS TREŚCI

Zastosowanie prawa pascala pompowanie dętki, materaca, układy hamulcowe, dmuchanie balonów, działanie urządzeń pneumatycznych (prasa pneumatyczna) działanie urządzeń hydraulicznych (układ hamulcowy, podnośnik hydrauliczny, młot pneumatyczny, prasa hydrauliczna)

Doświadczenie Pascala W górne jej dno Pascal wmontował długą pionową rurkę o niewielkim przekroju. Beczka została całkowicie napełniona wodą. Następnie zaczęto wlewać wodę do rurki. Beczka pękła, gdy wysokość słupa wody w rurce stała się dostatecznie duża. Wysokość słupa wody w rurce wynosiła 12 m, a pole powierzchni dna i ścian beczki – 1 m2. SPIS TREŚCI

Naczynia połączone 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. SPIS TREŚCI

praktyczne wykorzystanie

Studnia artezyjska 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).

Pojęcie atmosfery 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. SPIS TREŚCI

Ciśnienie atmosferyczne 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. SPIS TREŚCI

Ciśnienie atmosferyczne Jako pierwszy pomiaru ciśnienia atmosferycznego dokonał Torricelli w 1643 roku. Torricelli uważany jest też za twórcę pierwszego barometru rtęciowego Jednostki ciśnienia atmosferycznego milimetry słupa rtęci Milibary hektopaskale 1 mm Hg = 1,33 hPa 1 hPa = 0,75 mm Hg 1 hPa = 1mbar SPIS TREŚCI

Doświadczenie Torricellego Doświadczenie wykazujące istnienie ciśnienia atmosferycznego wykonał w roku 1643 Torricelli. Napełnił on zamkniętą z jednej strony szklaną rurkę rtęcią a następnie, obracając tak aby nic się z niej nie wylało, umieścił w naczyniu, także uprzednio napełnionym rtęcią. SPIS TREŚCI

Doświadczenie Torricellego Torricelli zaobserwował, że poziom rtęci w próbówce obniżył się, a w jej górnej części powstała pusta przestrzeń. Było to pierwsze doświadczalne wytworzenie próżni, wcześniej zakładano, że jej istnienie jest niemożliwe („natura nie znosi próżni”). Wysokość słupa rtęci pozostałego w rurce była równa około 760 mm. SPIS TREŚCI

Torricelli wyjaśnił, że rtęć w próbówce podtrzymywana jest przez ciśnienie atmosferyczne. Wysokość słupa rtęci zależy od wartości tego ciśnienia. Jest to zasada działania barometru rtęciowego. SPIS TREŚCI

PRZYRZĄDY DO POMIARU CIŚNIENIA SPIS TREŚCI

BAROMETR MANOMETR CIŚNIENIOMEIRZ SPIS TREŚCI

MANOMETR (CIŚNIENIOMIERZ) MIKROMANOMETR SPIS TREŚCI

Ciekawostki Doświadczenia Torricellego zainspirowały Pascala do zbadania zależności ciśnienia od wysokości. Ponieważ ciśnienie zależy od wysokości słupa powietrza znajdującego się powyżej miejsca, w którym je mierzymy, więc wysoko w górach będzie ono niższe niż na poziomie morza. Na wierzchołku Mount Everest średnie ciśnienie jest ponad trzy razy niższe niż na poziomie morza. SPIS TREŚCI

Półkule magdeburskie W 1654 r. Otto von Guericke, niemiecki fizyk i wynalazca, wykonał w Magdeburgu doświadczenie, którego celem było udowodnienie istnienia ciśnienia atmosferycznego oraz pokazanie, jak duże wartości mają siły, którymi powietrze atmosferyczne działa na nas i otaczające nas ciała.

Półkule magdeburskie Zestawił razem dwie półkule mosiężne o średnicy około 42 cm. Następnie z tak otrzymanej kuli wypompował powietrze.  Aby półkule te rozerwać, trzeba było użyć 16 koni (huk towarzyszący rozrywaniu półkul przypominał wystrzał armatni), natomiast ponowne wpuszczenie powietrza do wnętrza kuli powodowało, że półkule mógł z łatwością rozdzielić jeden człowiek. Po wypompowaniu powietrza z wnętrza kuli obie półkule utrzymywane były razem przez siłę parcia związaną z ciśnieniem atmosferycznym. Doświadczenie pokazało, jak dużą wartość może mieć ta siła.

Rów mariański Ciśnienie wody na dnie Rowu Mariańskiego jest tak olbrzymie, że rozerwałoby człowieka na strzępy. Do tej pory Rów Mariański udało się spenetrować amerykańskiej łodzi podwodnej "Trieste". Ciśnienie wody w najgłębszym miejscu na Ziemi (ok. 10911 metrów pod poziomem morza) wynosi 110,2 MPa. Głębokość tę do tej pory osiągnęła tylko jedna załogowa łódź podwodna. Był to batyskaf amerykańskiej armii "Trieste".

Przykładowe doświadczenia związane z ciśnieniem SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 1 Cel doświadczenia: Oddziaływanie ciśnienia atmosferycznego Potrzebne przyrządy: szklanka (nieduża butelka) menzurka kawałek gładkiego, sztywnego papieru, woda SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 1 Kolejne czynności: Do szklanki lub niedużej butelki i menzurki nalej pełno („z czubem”) wody. Przykryj je niedużym kawałkiem sztywnego papieru. Przytrzymaj kartkę ręką i odwrócić szybko szklankę i menzurkę do góry dnem. Puść kartkę. SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 1 Obserwacje: Kartka trzymała się zarówno przy szklane jak i menzurce. Wnioski: Kartka nie odpada, ponieważ przytrzymuje ją powietrze. Doświadczenie potwierdza istnienie ciśnienia atmosferycznego. Kartka odpadnie, gdy ciśnienie hydrostatyczne będzie większe od atmosferycznego. SPIS TREŚCI

Jaka musi być wysokość naczynia aby kartka odpadła Jaka musi być wysokość naczynia aby kartka odpadła ?( wykonaj obliczenia) Obliczenia: Korzystamy ze wzoru na ciśnienie hydrostatyczne: p = ρ·g·h, czyli h = ρ/g·h Ciśnienie atmosferyczne wynosi w przybliżeniu p = 100 000 Pa, a gęstość wody ρ=1000 kg/m³. Związku z czym, wysokość naczynia musi być większa od 10 m. SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 2 Cel doświadczenia: Badanie ciśnienia w cieczy na różnych głębokościach Potrzebne przyrządy: wysoki słój wąska probówka woda SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 2 Kolejne czynności: Wyskoki słój wypełniamy wodą. 1/3 objętości probówki wypełniamy wodą. Probówkę odwracamy do góry dnem i zanurzamy w słoju. Zaobserwuj, jaki jest poziom wody w probówce. Następnie zanurz ją jak najgłębiej, trzymając pionowo i ponownie zaobserwuj poziom wody. SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 2 Obserwacje: Poziom wody w probówce zwiększa się wraz z głębokością. Wnioski: Zależność ciśnienia zależy od głębokości (wysokości słupa cieczy). Im większa wysokość słupa cieczy, tym większa wartość ciśnienia hydrostatycznego. SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 3 Cel doświadczenia: Czy ciśnienie hydrostatyczne zależy od wysokości słupa cieczy? Potrzebne przyrządy: 2 duże butelki plastikowe taśma klejąca miedniczki ostry przyrząd (nożyczki) SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 3 Kolejne czynności: Bierzemy 2 duże butelki. Na bocznej ściance pierwszej butelki robimy otwory około 5 cm od dna butelki na tym samym poziomie. Na drugiej butelce robimy otwory w odległości około 10 cm od szyjki butelki (na tym samym poziomie). Zalepiamy otwory taśmą i nalewamy wody do pełna. Butelki umieszczamy w miedniczkach, zrywamy taśmę i obserwujemy zasięg wypływających strumieni. SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 3 Obserwacje: Strumienie na tej samej wysokości są takie samo. Mocniejszy strumień obserwujemy z otworów umieszczonych na dole butelki. Wnioski: Ciśnienie cieczy na tej samej wysokości jest takie samo. Ciśnienie cieczy na ściankach naczynia zależy od wysokości słupa cieczy. SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 4 Cel doświadczenia: Badanie poziomu cieczy w naczyniu połączonym Potrzebne przyrządy: kawałek, przezroczystego węża woda lejek SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 4 Kolejne czynności: Wąż zegnij w kształcie litery U. Nalej do niego wody. Porównaj poziom wody w obu ramionach. Zmień kształt węża i ponownie porównaj poziom wody. Następnie zmień ilość wody w rurce i jeszcze raz porównaj. SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 4 Obserwacje: Poziom wody w obydwu ramionach jest taki sam. Wnioski: Ciśnienie hydrostatyczne nie zależy od kształtu, ani ilości tylko od wysokości słupa cieczy SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 5 Cel doświadczenia: Badanie poziomu cieczy w naczyniach połączonych Potrzebne przyrządy: naczynie połączone woda Obserwacje: Poziom cieczy w każdej rurce jest taki sam. SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 5 Kolejne czynności: Nalej wody do naczynia . Obserwuj jaką wysokość osiągnie ciecz w poszczególnych rurkach. SPIS TREŚCI

Doświadczenie nr 5 Wnioski: Ciśnienia przy dnie naczyń połączonych są sobie równe. Stan równowagi osiągany jest dopiero, gdy ciśnienia hydrostatyczne się wyrównują. Gdyby ciśnienia przy dnie były różne, oznaczałoby to, że woda nie jest w równowadze. Ciśnienie hydrostatyczne nie zależy zatem od kształtu naczynia, jego objętości czy całkowitego ciężaru cieczy, a jedynie od wysokości słupa cieczy SPIS TREŚCI

Przykładowe zadania związane z ciśnieniem atmosferycznym i hydrostatycznym SPIS TREŚCI

Zadanie nr 1 Oblicz ciśnienie w wodzie na głębokości 20 m. Ciśnienie atmosferyczne b = 1000 hPa. DANE: SZUKANE: WZÓR: ρ H2O = 1000 kg/m³ Ph = ? Ph = ρ · g · h h = 20 m Pc = ? Pc = Ph +b b = 1000 hPa = 100000 Pa g = 10 m/s² OBLICZENIA: Ph = 1000 · 20 · 10 = 200000 Pa Pc = 200000 Pa + 100000 Pa = 300 000 Pa. Odp.: Ciśnienie w wodzie na głębokości 20m wynosi 300000 Pa. SPIS TREŚCI

ZADANIE nr 2 Oblicz ciśnienie wywierane na podłoże przez ciągnik o masie 2 t poruszający się na gąsienicach o szerokości 20 cm, jeśli gąsienica styka się z powierzchnią ziemi na długości 2,5m. DANE: SZUKANE: WZÓR: m = 2 t = 2000 kg p=? p= Fn/S a = 20 cm = 0,2 m S = 2ab b = 2,5 m Fn = m · g OBLICZENIA: Fn = 2000 · 10=20000 N S = 2 · 2,5 · 0,2=1 m² p = 20000 N/kg : 1 m² = 20000 Pa Odp.: Ciśnienie wywierane przez ciągnik na podłoże wynosi 20000 Pa. SPIS TREŚCI

Zadanie nr 3 Jaka jest gęstość mleka wypełniającego garnek do wysokości h=10cm, jeśli ciśnienie mleka na dno garnka wynosi 13 hPa? DANE: SZUKANE: WZÓR: h= 10cm = 0,1 m ρ = ? ρ = p/h · g p = 13 hPa = 1300 Pa OBLICZENIA: ρ = 1300 / 0,1 · 10 = 1300 : 1 = 1300kg/m³ Odp.: Gęstość mleka wynosi 1300 kg/m³. SPIS TREŚCI

Zadanie nr 4 W butelce znajduje się benzyna o gęstości 700kg/m3. Do jakiej wysokości napełniona jest butelka, jeżeli ciśnienie benzyny na dno butelki wynosi 14 hPa? DANE: SZUKANE: WZÓR: ρ = 700kg/m³ h = ? h = p/g · ρ p = 14 hPa=1400 Pa g = 10m/s² OBLICZENIA: h = 1400 : 10 · 700 = 0,2 m Odp.: Butelka jest napełniona do 0,2 m. SPIS TREŚCI

Prezentację wykonały Kornelia Żabińska Izabela Galik Andrea Gargalis Katarzyna Kuriańska Ilona Tracz Anna Borgula Małgorzata Łozińska Elwira Matczak Dominika Niedźwiecka Daria Szul

Bibliografia: http://gimzbydniow.republika.pl/publ/hydro.doc www.eduforum.pl http://pl.wikipedia.org/wiki/Atmosfera_ziemska http://wiking.edu.pl/article.php?id=359 http://hydrostatyka.blogspot.com/2009/03/doswiadczenie-torricellego.html http://pl.wikipedia.org/wiki/Manometr http://pl.wikipedia.org/wiki/Mikromanometr http://pl.wikipedia.org/wiki/Sfigmomanometr http://pl.wikipedia.org/wiki/Barograf http://pl.wikipedia.org/wiki/Barometr http://fizyka4you.webpark.pl/pascal.html http://pl.wikipedia.org/wiki/Ci%C5%9Bnienie http://wazniak.mimuw.edu.pl/index.php?title=Biografia_Pascal

Bibliografia: http://meciga.blogspot.com/2009_04_01_archive.html http://brasil.cel.agh.edu.pl/~09urmastyna/cisnieniehydrostatyczne.html http://www.fizyka.net.pl/index.html?menu_file=ciekawostki%2Fmciekawostki.html&former_url=http%3A%2F%2Fwww.fizyka.net.pl%2Fciekawostki%2Fciekawostki_cwz3.html http://czywiesz.pl/natura/240189,Czy-wiesz-ze-cisnienie-w-Rowie-Marianskim-jest-1000-razy-wieksze-niz-atmosferyczne-.html http://scholaris.pl/cms/view_all.php?id=5495 http://www.fizyka.umk.pl/~marta_985/Klopoty_z_powietrzem/polkule_magdeburskie.html

KONIEC Dziękujemy za uwagę 