Соединяющиеся сосуды. Реферат на тему: применение сообщающихся сосудов

Одно из любопытных явлений, связанное с гидростатикой - сообщающиеся сосуды. Казалось бы, всё здесь просто, но, тем не менее, они дают прекрасный повод познакомиться с примером работы атмосферного давления и окунуться в далёкое прошлое.

Чтобы освежить в памяти сведения, сообщающиеся сосуды, вспомним простой опыт, проводимый раньше на уроках физики в школе. На одной плоскости размещаются несколько разных по форме сосудов - круглых, прямоугольных, цилиндрических, в виде конуса, и соединяются трубкой на уровне дна. В один из этих сосудов начинает наливаться вода, через соединительную трубку вода будет поступать во все сосуды, и, что удивительно, во всех сосудах, независимо от формы последних, вода находится на одном уровне.

Обусловлено это тем, что все они находятся под одним атмосферным давлением, а раз они расположены на одном уровне, то и жидкость, помещённая в них, будет находиться на одном уровне, потому что во всех сосудах находится под тем же давлением.

Кстати, простейшее практическое применение сообщающихся сосудов мы получаем, когда наливаем воду из чайника. Пока чайник стоит ровно, уровень воды в самом чайнике и в его носике одинаков, т.к. чайник и носик являются сообщающимися сосудами. Уровень края носика чайника выше уровня воды. Если мы наклоняем носик чайника ниже то она начинает из него вытекать.

Существует простое следствие из изложенного. Если сообщающиеся сосуды находятся на разной высоте, то на выходе трубки, соединяющей эти сосуды, будет действовать давление. Его величина равна давлению столба воды, равного разности высот между сосудами. Всё очень просто - если сосуды расположены на разной высоте, то вода из верхнего сосуда будет перетекать в нижний.

Если посмотреть историю техники, то существует множество случаев, когда использовались сообщающиеся сосуды; физика, которая стоит за этим явлением, порой действительно позволяет творить чудеса. Как прекрасны А ведь они построены без применения сложной техники, электромоторов и прочей машинерии, которой непременно воспользовались бы сегодняшние специалисты. А здесь в чистом виде используются сообщающиеся сосуды. Пруды с водой расположены выше уровня фонтанов, что обеспечивает поступление к ним воды без всяких механизмов под давлением атмосферы. Это просто красиво, и этим нельзя не восхищаться.

Или другой пример, всем близкий и понятный. Водонапорная башня. Вода, закачанная в башню и располагающаяся на большой высоте, самотёком поступает в дома, и не только на первые этажи. Здесь опять работают сообщающиеся сосуды. Давление, величина которого обусловлена разностью высот между водонапорной башней и краном водопровода, обеспечит подачу воды и на верхние этажи.

Бедные римляне! О сообщающихся сосудах они ничего не знали и, когда строили свои акведуки для снабжения городов водой, всегда делали их с постоянным понижением от источника, хотя во многих местах могли бы следовать рельефу почвы и пускать трубы вверх по небольшим склонам. Но они всегда строили акведуки на высоте и с постоянным уклоном от источника.

А вот китайцы о сообщающихся сосудах знали и, используя их свойства, стали строить шлюзы. Принцип работы очень прост. Рядом расположены две шлюзовые камеры, соединенные между собой специальным каналом. Шлюзовые ворота закрываются, после этого открывается канал, соединяющий между собой обе камеры, и вода по закону о сообщающихся сосудах перетекает на более низкий уровень. Используя систему таких шлюзов, можно было осуществлять движение судов на участках, имеющих значительный перепад высот.

Конечно, изложенное здесь не охватывает всех случаев практического применения сообщающихся сосудов, но позволяет получить представление о том, что собой представляет этот замечательный физический закон, и как он воплощается в повседневную жизнь.

На рисунке 105 изображено несколько сосудов. Все они имеют разную форму, но одна особенность делает их похожими друг на друга. Какая именно? Приглядевшись, можно заметить, что отдельные части всех этих сосудов имеют соединение, заполненное жидкостью.

Сосуды, имеющие общую (соединяющую их) часть, заполненную покоящейся жидкостью, называются сообщающимися .

Проделаем опыт. Соединим два стеклянных сосуда резиновой трубкой и, зажав трубку в середине, нальем в один из сосудов воду (рис. 106, а ). Теперь откроем зажим и проследим за перетеканием воды из одного сосуда в другой, сообщающийся с первым. Мы увидим, что вода будет перетекать до тех пор, пока поверхности воды в обоих сосудах не установятся на одном уровне (рис. 106, б ). Если один из сосудов оставить закрепленным в штативе, а другой поднимать, опускать или наклонять в сторону, то все равно, как только движение воды прекратится, ее уровни в обоих сосудах окажутся одинаковыми (рис. 106, в ). Закон сообщающихся сосудов гласит:

В сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне.

(Сосуды, о которых говорится в этом законе, не должны иметь слишком малые диаметры, иначе будут наблюдаться капиллярные эффекты (см. § 29).)

Для доказательства этого закона рассмотрим частицы жидкости, находящиеся в том месте, где соединяются сосуды (внизу на рисунке 105, а ). Так как эти частицы (вместе со всей остальной жидкостью) покоятся, то силы давления, действующие на них слева и справа, должны уравновешивать друг друга. Но эти силы пропорциональны давлениям, а давления - высотам столбов жидкости, со стороны которых действуют эти силы. Поэтому из равенства рассматриваемых сил следует и равенство высот столбов жидкости в сообщающихся сосудах.

До сих пор мы рассматривали случай, когда оба сообщающихся сосуда содержали одну и ту же жидкость. Если же в один из этих сосудов налить одну жидкость (например, воду с плотностью ρ 1 ), а в другой - другую жидкость (например, керосин с плотностью ρ 2 ), то уровни этих жидкостей окажутся разными (рис. 107). Однако поскольку жидкости и в данном случае будут покоиться, то по-прежнему можно утверждать, что давления, создаваемые и правым и левым столбами жидкостей (например, на уровне АВ на рисунке), равны:

ρ 1 = ρ 2 .

Каждое из этих давлений может быть выражено с помощью формулы гидростатического давления:

p 1 = ρ 1 gh 1 , p 2 = ρ 2 gh 2 .

Приравнивая эти выражения, получаем

ρ 1 gh 1 = ρ 2 gh 2 ,

ρ 1 h 1 = ρ 2 h 2 . (39.1)

Из этого равенства следует, что если ρ 1 > ρ 2 , то h 1 < h 2 . Это означает, что в сообщающихся сосудах, содержащих разные жидкости, высота столба жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба жидкости с меньшей плотностью . При этом высоты столбов жидкостей отсчитываются от поверхности соприкосновения жидкостей друг с другом.

1. Приведите примеры сообщающихся сосудов. 2. Сформулируйте закон сообщающихся сосудов. 3. Как располагаются поверхности разнородных жидкостей в сообщающихся сосудах? 4. Докажите закон сообщающихся сосудов, используя формулу (39.1). 5. На рисунке 108 изображено водомерное стекло , применяемое в паровых котлах (1 - паровой котел, 2 - краны, 3 - водомерное стекло). Объясните действие этого прибора. 6. На рисунке 109 изображен артезианский колодец . Слой земли 2 состоит из песка или другого материала, легко пропускающего воду. Слои 1 и 3, наоборот, водонепроницаемы. Объясните действие этого колодца. Почему вода бьет из него фонтаном? 7. На рисунке 110 дана схема устройства шлюза , а на рисунке 111 - схема шлюзования судов. Рассмотрите рисунки и объясните принцип действия шлюзов.

Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные между собой ниже уровня жидкости в каждом из сосудов. Таким образом жидкость может перемещаться из одного сосуда в другой. Перед тем как понять принцип действия сообщающихся сосудов и варианты их использования необходимо определиться в понятиях, а точнее разобраться с основным уравнением гидростатики.

Закон сообщающихся сосудов

Итак, сообщающиеся сосуды имеют одно общее дно и закон о сообщающихся сосудах гласит:

Какую бы форму не имели такие сосуды, на поверхности однородных жидкостей в состоянии покоя на одном уровне действует одинаковое давление.

Для иллюстрации этого закона и возможностей его применения начнем с рассмотрения основного уравнения гидростатики.

Основное уравнение гидростатики

где P1 – это среднее давление на верхний торец призмы,
P – давление на нижний торец,
g – ускорение свободного падения,
h – глубина погружения призмы под свободной поверхностью жидкости.

ρgh – сила тяжести (вес призмы).

Звучит уравнение так:

Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается в жидкости одинаково во всех направлениях.

Из написанного выше уравнения следует, что если давление, например в верхней точке изменится на какую-то величину ΔР, то на такую же величину изменится давление в любой другой точке жидкости

Доказательство закона сообщающихся сосудов

Возвращаемся к разговору про сообщающиеся сосуды.

Предположим, что имеются два сообщающихся сосуда А и В, заполненные различными жидкостями с плотностями ρ1 и ρ2. Будем считать, что в общем случае сосуды закрыты и давления на свободных поверхностях жидкости в них соответственно равны P1 и P2.

Пусть поверхностью раздела жидкостей будет поверхность ab в сосуде А и слой жидкости в этом сосуде равен h1. Определим в заданных условиях уровень воды в сообщающихся сосудах – начнем с сосуда В.

Гидростатическое давление в плоскости ab, в соответствии с уравнение гидростатики

если определять его, исходя из известного давления P1 на поверхность жидкости в сосуде А.

Это давление можно определить следующим образом

где h2 – искомая глубина нагружения поверхности ab под уровнем жидкости в сосуде В. Отсюда выводим условие для определения величины h2

P1 + ρ1gh1 = P2 + ρ2gh2

В частном случае, когда сосуды открыты (двление на свободной поверхности равно атмосферному), а следовательно P1 = P2 = Pатм, имеем

ρ1 / ρ2 = h2 / h1

т.е. закон сообщающихся сосудов состоит в следующем.

В сообщающихся сосудах при одинаковом давлении на свободных поверхностях высоты жидкостей, отсчитываемые от поверхности раздела, обратно пропорциональны плотностям жидкостей.

Свойства сообщающихся сосудов

Если уровень в сосудах одинаковый, то жидкость одинаково давит на стенки обоих сосудов. А можно ли изменить уровень жидкости в одном из сосудов.

Можно. С помощью перегородки. Перегородка, установленная между сосудами перекроет сообщение. Далее доливая жидкость в один из сосудов мы создаем так называемый подпор – давление столба жидкости.

Если затем убрать перегородку, то жидкость начнет перетекать в тот сосуд где её уровень ниже до тех пор пока высота жидкости в обоих сосудах не станет одинаковой.

В быту этот принцип используется например в водонапорной башне. Наполняя водой высокую башню в ней создают подпор. Затем открывают вентили, расположенные на нижнем этаже и вода устремляется по трубопроводам в каждый подключенный к водоснабжению дом.

Приборы основанные на законе сообщающихся сосудов

На принципе сообщающихся сосудов основано устройство очень простого прибора для определения плотности жидкости. Этот прибор представляет собой два сообщающихся сосуда – две вертикальные стеклянные трубки А и В, соединенные между собой изогнутым коленом С. Одна из вертикальных трубок заполняется исследуемой жидкостью, а другая жидкостью известной плотности ρ1 (например водой), причем в таких количествах, чтобы уровни жидкости в среднем колене находились на одной и той же отметке прибора 0.

Затем измеряют высоты стояния жидкостей в трубках над этой отметкой h1 и h2. И имея ввиду, что эти высоты обратно пропорциональны плотностям легко находят плотность исследуемой жидкости.

В случае, когда оба сосуде заполнены одной и той же жидкостью – высоты, на которые поднимется жидкость в сообщающихся сосудах, будут одинаковы. На этом принципе основано устройство так называемого водометного стекла А. Его применяют для определения уровня жидкости в закрытых сосудах, например резервуарах, паровых котлах и т.д.

Принцип сообщающихся сосудов заложен в основе ряда других приборов, предназначенных для измерения давления.

Применение сообщающихся сосудов

Простейшим прибором жидкостного типа является пьезометр, измеряющий давление в жидкости высотой столба той же жидкости.

Пьезометр представляет собой стеклянную трубку небольшого диаметра (обычно не более 5 мм), открытую с одного конца и вторым концом присоединяемую к сосуду, в котором измеряется давление.

Высота поднятия жидкости в пьезометрической трубке – так называемая пьезометрическая высота – характеризует избыточное давление в сосуде и может служить мерой для определения его величины.

Пьезометр – очень чувствительный и точный прибор, но он удобен только для измерения небольших давлений. При больших давлениях трубка пьезометра получается очень длинной, что усложняет измерения.

В этом случае используют жидкостные манометры, в которых давление уравновешивается не жидкостью, которой может быть вода в сообщающихся сосудах, а жидкостью большей плотности. Обычно такой жидкостью выступает ртуть.

Так как плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды и при измерении одних и тех же давлений трубка ртутного манометра оказывается значительно короче пьезометрической трубки и сам прибор получается компактнее.

В случае если необходимо измерить не давление в сосуде, а разность давлений в двух сосудах или, например, в двух точках жидкости в одном и том же сосуде применяют дифференциальные манометры.

Сообщающиеся сосуды находят применение в водяных и ртутных приборах жидкостного типа, но ограничиваются областью сравнительно небольших давлений – в основном они применяются в лабораториях, где ценятся благодаря своей простоте и высокой точности.

Когда необходимо измерить большое давление применяются приборы основанные на механических принципах. Наиболее распространенный из них – пружинный манометр. Под действием давления пружина манометра частично распрямляется и посредством зубчатого механизма приводит в движение стрелку, по отклонению которой на циферблате показана величина давления.

Видео по теме

Ещё одним устройством использующим принцип сообщающихся сосудов хорошо знакомым автолюбителем является гидравлический пресс(домкрат). Конструктивно он состоит из двух цилиндров: одного большого, другого маленького. При воздействии на поршень малого цилиндра на большой передается усилие во столько раз большего давления во сколько площадь большого поршня больше площади малого.

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

Реферат на тему: применение сообщающихся сосудов Подготовила: Золотова Анастасия Ученица 7 «Б»

2 слайд

Описание слайда:

Сообщающиеся сосуды - это сосуды, которые имеют связывающие их каналы, заполненные жидкостью. Другими словами, это сосуды, соединенные ниже поверхности жидкости таким образом, что жидкость может перетекать из одного сосуда в другой Чайник и его носик представляют собой сообщающиеся сосуды: вода стоит в них на одном уровне. Значит, носик чайника должен доходить до той же высоты, что и верхняя кромка сосуда, иначе чайник нельзя будет налить доверху. Когда мы наклоняем чайник, уровень воды остается прежним, а носик опускается; когда он опустится до уровня воды, вода начнет выливаться Примеры сообщающихся сосудов 1)

3 слайд

Описание слайда:

Водомерная трубка. На принципе сообщающихся сосудов устроены водомерные трубки для баков с водой. Такие трубки, например имеются на баках в железнодорожных вагонах. В открытой стеклянной трубке, присоединенной к баку, вода всегда стоит на том же уровне, что и в самом баке. Если водомерная трубка устанавливается на паровом котле, то верхний конец трубки соединяется с верхней частью котла, наполненной паром. Это делается для того, чтобы давления над свободной поверхностью воды в котле т в трубке были одинаковыми. 2) Фонтаны Петергоф - великолепный ансамбль парков, дворцов и фонтанов. Это единственный ансамбль в мире, фонтаны которого работают без насосов и сложных водонапорных сооружений. В этих фонтанах используется принцип сообщающихся сосудов - учтены уровни фонтанов и прудов-хранилищ 3)

4 слайд

Описание слайда:

Каждый день, открывая кран, Вы видите пример сообщающихся сосудов на практике, потому что действие водопровода основано на этом принципе. Принцип действия водопровода заключается в том, что на высокой башне устанавливается бак для накопления воды. От него идут трубы с ответвлениями, концы труб в квартирах домов закрыты кранами. Так как трубы и бак - сообщающиеся сосуды, то при открытии крана вода начинает течь. Такой водопровод не может подавать воду на высоту, большую, чем высота уровня воды в баке. Действие шлюза – гидротехнического устройства, с помощью которого суда проводят из водного бассейна с одним уровнем воды в другой - с иным уровнем. 4) 5)

5 слайд

Описание слайда:

Жидкостной манометр Для измерения давлений, больших или меньших атмосферного, используют манометры. В открытом жидкостном манометре жидкость устанавливается в обоих коленах на одном уровне, т.к. на её поверхность в коленах сосуда действует только атмосферное давление. При принудительном изменении давления в одном колене жидкость приходит в движение и по высоте избыточного столба можно судить об изменении давления. «Неиссякаемая» чаша Закон сообщающихся сосудов использовали и жрецы Древнего Египта для демонстрации своих «чудес», и древние греки. В одном из древнегреческих храмов, например, находилась «неиссякаемая» чаша, наполненная водой. Люди постоянно черпали из нее воду, но ее уровень не понижался. 6) 7)

6 слайд

Описание слайда:

Не зальёт ли лодку и не потонет ли она, если спустить её в воду? Решение проблемного вопроса: Отсек в лодке и русло реки представляют собой сообщающиеся сосуды. Вода, вливающаяся в отсек, не дойдёт до края борта, а будет находиться на таком же уровне, как и в реке. Лодку не зальёт и она будет плавать. Вывод: 8) Конечно, изложенное здесь не охватывает всех случаев практического применения сообщающихся сосудов, но позволяет получить представление о том, что собой представляет этот замечательный физический закон, и как он воплощается в повседневную жизнь. Казалось бы, всё здесь просто, но, тем не менее, они дают прекрасный повод познакомиться с примером работы атмосферного давления и окунуться в далёкое прошлое.

В ходе этого урока вы познакомитесь с поведением жидкостей в сообщающихся сосудах, то есть двух или нескольких сосудах, соединенных друг с другом в нижней части так, что жидкость может свободно перетекать из одного сосуда в другой.

Тема: Давление твердых тел, жидкостей и газов

Урок: Сообщающиеся сосуды

Объектом нашего изучения может быть чайник с нашего кухонного стола, лейка, с помощью которой мы поливаем цветы, или более сложные устройства, такие, как артезианский колодец, водомерное стекло в паровом котле и даже водопровод. Все это устройства, работающие по принципу сообщающихся сосудов (Рис. 1).

Рис. 1. Примеры сообщающихся сосудов: чайник, садовая лейка, водомерное стекло парового котла

Простейшие сообщающиеся сосуды - это две трубки, соединенные между собой резиновым шлангом. Если налить жидкость в одну из этих трубок, то можно видеть, что уровень жидкости в обеих трубках (или, как принято говорить, в обоих коленах сообщающихся сосудов) установится на одной высоте. С чем это может быть связано?

На предыдущем уроке мы выяснили, что давление жидкости на дно и стенки сосуда зависит от плотности жидкости и высоты ее столба. Поскольку в левом и правом коленах находится одна и та же жидкость и высота столба жидкости в левом и правом коленах также одинакова, то и давление жидкости в обоих коленах одинаково. Следовательно, жидкость находится в равновесии.

Если изменять расположение колен в сообщающихся сосудах, поднимая или опуская одно из них, или даже наклоняя, то жидкость будет перетекать из одного колена в другое до тех пор, пока ее уровень в обоих коленах снова не установится на одной и той же высоте (Рис. 2).

Рис. 2. Уровни однородной жидкости в сообщающихся сосудах устанавливаются на одной высоте

Таким образом, уровни однородной жидкости в сообщающихся сосудах устанавливаются на одной высоте .

Это утверждение называют законом сообщающихся сосудов .

Данный закон выполняется не только для двух, но и для любого количества сообщающихся сосудов, независимо от того, какую форму они имеют и как расположены в пространстве (Рис. 3). Единственно, что необходимо - чтобы во всех сосудах находилась одна и та же (однородная) жидкость.

Рис. 3. Уровни однородной жидкости устанавливаются на одной высоте в сообщающихся сосудах любой формы

Что произойдет, если жидкость, заполняющая колена сообщающихся сосудов, не будет однородной? Например, пусть в левое колено налито подсолнечное масло, а в правое - подкрашенная вода. Эти жидкости не смешиваются между собой.

Оказывается, что уровень подсолнечного масла расположится на большей высоте, чем уровень воды (Рис. 4). Это связано с тем, что плотность подсолнечного масла меньше, чем плотность воды. Вспомним формулу давления жидкости на дно сосуда

Из этой формулы видно, что чем меньше плотность жидкости ρ , тем больше должна быть высота ее столба h , чтобы создать одно и то же давление.

Рис. 4. Уровень жидкости с меньшей плотностью устанавливается в сообщающихся сосудах на большей высоте

Таким образом, в сообщающихся сосудах уровень жидкости с меньшей плотностью устанавливается на большей высоте.

Итак, однородная жидкость в коленах сообщающихся сосудов будет устанавливаться на одной высоте, какой бы формы и сечения не были колена.

В случае неоднородной жидкости, имеет значение плотность жидкости, находящейся в коленах. Чем плотность жидкости больше, тем высота столба жидкости меньше.

Список литературы

1. Перышкин А. В. Физика. 7 кл. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010.
2. Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7-9 кл.: 5-е изд., стереотип. - М: Издательство «Экзамен», 2010.
3. Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. - 17-е изд. - М.: Просвещение, 2004.

1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().

Домашнее задание

1. Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов №536-538, 540, 541.