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跟胖哥學物理 液體壓強產生和應用
在物理課中,同學們知道液體壓強,當一個物體放在液體中會受到液體對它產生各個方向上壓強,書中還告訴我們,液體之所以產生壓強,是因為液體具有重力,並且液體具有流動性原因。
不過,在分子動理論中,我們知道物體是有分子構成的,分子在不停做無規則運動,物體之所以有三種狀態,是因為物體之間存在分子作用力。不過,在液體內部,分子與分子之間受到兩種力作用,第一是分子之間作用力,還有分子自然也受到地球對它吸引力作用。液體分子之間的引力小於萬有引力,這樣分子受萬有引力作用,就會向最大動能方向運動。
在向最大動能方向運動時,就會向阻礙運動方向產生分力,而凡和分子不在一個水平面的都會產生阻礙,所以液體分子會向不在一個水平面產生分力。這種分力就使液體不僅對下面產生壓強,而且對低於液體表面周圍產生壓強。
這僅僅是力角度來說的,其實液體壓強,還與能量有關係,首先雖然分子之間引力小於萬有引力,但是由於萬有引力存在,分子之間距離肯定要發生改變,自然分子之間勢能也會在上面分子重力勢能作用下自然轉化成下面分子之間勢能,當一個物體放進去自然轉移成一種壓力能。
同時從微觀表現上說,液壓壓強是流體內部分子熱運動撞擊邊界的力綜合產生的,也會產生一種靜壓。在初中物理做中,我們知道液體壓強雖然是由於重力和液體流動性造成的,但是液體對底部壓力卻與容器形狀有關。
當容器是直柱容器時,由於分子與容器之間發生碰撞,但是隻能改變分子橫行運動速度,而且彼此抵消,因此容器側部對液體分子壓強沒有貢獻。但是,對於錐形容器,因為分子與上邊容器碰撞時,會對下邊分子產生影響,分子之間動能和分子勢能都會發生變化,從而使液體對底部容器產生壓力大於液體自身重力。
同樣的,如果是一個臺柱容器,液體中分子在自身重力作用下,會產生分子引力和一個整體壓力,但是由於側部分子與容器發生碰撞,勢必會讓分子產生一個向上合力,這些合力對整個容器中分子對壓力減小,因此臺柱容器對底部壓力小於重力。
(由於要上課,先寫到這些,可以砸磚)
我們哉來看看帕斯卡定律: 在密閉液體上的壓強,能夠大小不變地由液體向各個方向傳遞。根據靜壓力基本方程(p=p0+ρgh),盛放在密閉容器內的液體,其外加壓強p0發生變化時,只要液體仍保持其原來的靜止狀態不變,液體中任一點的壓強均將發生同樣大小的變化。
對於帕斯卡,他曾經做好一個牛逼實驗。帕斯卡做過的大量實驗中,最著名的一個是這樣的:他用一個木酒桶,頂端開一個孔,孔中插接一根很長的鐵管子,將接插口密封好。實驗的時候,酒桶中先權滿水,然後慢慢地往鐵管子裡注幾杯水,當管子中的水柱高達幾米的時候,就見木桶突然破裂,水從裂縫中向四面八方噴出。從這個實驗得到結論,液體對各個方向都有壓強,並且同一種液體,液體的壓強只與深度有關。
1553年經過數年的觀察、實驗和思考,綜合成《論液體的平衡和空氣的重力》一書。提出了著名的帕斯卡定律(或稱帕斯卡原理)。帕斯卡在此書中書中詳細敘述了密封容器中的流體能傳遞壓強,討論了連通器的原理。帕斯卡利用一個充水的容器,它有兩個圓筒形的出口,除此之外,其他部分都封閉。兩個出口的截面積相差100倍,在每一個出口的圓筒中放入一個大小剛好適合的活塞,則小活塞上一個人施加的推力等於大活塞上100人所施加的推力,因而可以勝過大活塞上99個人施加的推力,不管這兩個出口大小的比例如何,只要施加於兩個活塞上的力和兩個出口的大小成比例,則水的平衡就可以實現。帕斯卡在書中一一敘述了密閉液體、壓強不變、向各方 傳遞等帕斯卡定律的基本點。 此書是帕斯卡於1653年寫成的,但直到他逝世後的第二年----1663年才首次面世。 帕斯卡是在大量觀察、實驗的基礎上,又用虛功原理加以;證明才發現了帕斯卡定律的。在帕斯卡定律的發現,為流體靜力學的建立奠定了基礎。帕斯卡還在這一定律的基礎上提出了連通器的原理和後來得到廣泛應用的水壓機的最初設想。他又指出器壁上所受的、由於液體重力而產生的壓強,僅僅與深度有關;他用實驗,並從理論上解釋了與此有關的液體靜力學佯謬現象。他在一週之內就突擊讀完了歐幾里得《幾何原本》的前六本,並還能把它應用於力學。1653年,他進入牛津大學裡奧爾學院做工讀生。他沒有取得學士學位,而是在1663年獲得文學碩士學位。
斯卡定律是流體(氣體或液體)力學中,指封閉容器中的靜止流體的某一部分發生的壓強變化,將毫無損失地傳遞至流體的各個部分和容器壁。其實,結合前面我們分析的,液體分子壓力是沿著一個沿著一個最大動能方向,本質還是分子與運動壁發生碰撞後大小不變傳遞給分子,使得分子之間勢能發生某一個方向改變,最後變成液體分子對另一壁碰撞,剛好也能解釋帕斯卡定律產生機制。
根據壓強等於作用力除以作用面積,結合根據帕斯卡原理,在水力系統中的一個活塞上施加一定的壓強,必將在另一個活塞上產生相同的壓強增量。如果第二個活塞的面積是第一個活塞的面積的10倍,那麼作用於第二個活塞上的力將增大為第一個活塞的10倍,而兩個活塞上的壓強仍然相等。水壓機就是帕斯卡原理的例項。它具有多種用途,如液壓制動等。
同樣的,人類可以透過一定方法給水加壓,又會讓水把這種壓力轉化為動能,從而來切割物體,也就是所謂水刀。水刀,即以水為刀,本名高壓水射流切割技術,這項技術最早起源於美國。用於航空航天軍事工業。以其冷切割不會改變材料的物理化學性質而備受青睞。後經技術不斷改進,在高壓水中混入石榴砂、金剛砂等磨料輔助切割,極大的提高了水刀的切割速度和切割厚度。水刀已經廣泛應用於陶瓷、石材、玻璃、金屬、複合材料等眾多行業。在中國,水刀的最大壓強已經做到了420MPa。
2019年4月16日於夷陵吾同齋
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壓強是描述壓力作用效果的物理量,主要是研究單位面積(平方米)所受壓力大小的。不論是固體、液體還是氣體,它都要對支承物產生壓力。有壓力就有壓強。
假如地球的引力消失,地球上的一切物體就失去重力。地球周圍的大氣層不會存在,沒有了大氣重力,也就沒有了大氣壓強。同理,地球上的液體也會失去了重力,液體對支承物(容器)沒有了壓力,壓強就不存在了。實際上浮力也會消失,固體的壓強也會因為沒有了壓力而沒有了壓強。
液體不會流動,液體會以球形或分子形式在宇宙中靜止或作勻速直線運動。
分子運動表現出來的宏觀現象是物體的內能發生改變,即分子動能和分子勢能的改變,只要分子成團存在(物體或物質),內能總是存在,但壓強不一定存在。即使重力消失,但重力不是產生壓強的唯一原因。壓縮一個封閉的裝有液體或氣體的容器,也會產生壓強,這種壓強就與分子的運動有關了。
你知道的壓強的本質是這樣的嗎?