základní vlastnosti kapalin, tlak v kapalině, Pascalův zákon, hydraulická zařízení, tlaková síla kapaliny, hydrostatický tlak, vztlaková síla, Archimedův zákon, potápění, plování a vznášení těles
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
|
Kapalina neboli kapalná látka je jedno ze skupenství látek, při kterém jsou částice látky relativně blízko sebe, ale nejsou vázány v pevných polohách a mohou se pohybovat v celém objemu.
2. Tlak v kapalině
Tlak p je fyzikální veličina, která charakterizuje stav tekutiny v klidu.
Tlak v tekutinách může být vyvolán:
| A) vnější silou prostřednictvím pevného tělesa, které je s tekutým tělesem v přímém styku | |
| B) účinkem gravitační síly Země na kapalinu |
A) vnější silou prostřednictvím pevného tělesa
Jak se přenáší tlak v kapalině si můžeš jednoduchým pokusem ověřit sám.
Potřeby: plastová láhev (1,5 l průhledná) s uzávěrem, opatřená otvory
Příprava a provedení: V horní části láhve vytvoříme horkým hřebíkem o průměru cca 2 mm dvě řady otvorů. Láhev nejprve naplníme vodou pod otvory, potom ji uzavřeme a překlopíme. Po mírném zmáčknutí stěn láhve vystřikuje voda do všech směrů vždy přibližně stejně prudce a vždy kolmo ke stěně nádoby.
|
Podobný pokus můžeme provést se skleněnou baňkou, ve které jsou malé otvory. Pístem tlačíme tlakovou silou F na vodu. Voda vystřikuje nejen ve směru působení síly, ale všemi směry a vždy kolmo k nádobě. |
|
|
Výsledky pokusu shrnuje Pascalův zákon: |
|
|
Působením vnější tlakové síly kolmo na povrch kapaliny v uzavřené nádobě vznikne ve všech místech kapaliny stejný tlak. |
To, že tlak je ve všech místech kapaliny stejně velký si můžeš ověřit dalším pokusem.
Příprava a provedení: Širší zavařovací sklenici částečně naplníme vodou. Pak ji vzduchotěsně uzavřeme zátkou se čtyřmi trubičkami. Tři z nich jsou různě zahnuté a zasahují do různé hloubky. Čtvrtá sahá nad hladinu. K ní připojíme gumový balónek. Stisknutím balónku se stlačí vzduch nad kapalinou a působí jako píst tlakovou silou na její hladinu. Pozorujeme, že ve všech třech trubicích vystoupí voda do stejné výše. To svědčí o tom, že tlak vyvolaný ve vodě uzavřené ve sklenici je ve všech místech kapaliny stejný.
Jak určíme tlak v kapalině podle Pascalova zákona?
|
p = |
F | F = tlaková síla | |
| S | S = plocha pístu |
Jak Pracují hydraulická zařízení?
Pascalův zákon je základem hydraulických zařízení, která využívají přenosu tlaku a tím i tlakové síly od jednoho pístu k druhému. Velikostí pístu se dá ovlivnit i velikost tlakové síly.
Hlavní částí hydraulického zařízení jsou dvě válcové nádoby s různým průřezem u dna spojené trubicí. Oba válce i trubice jsou vyplněny kapalinou, která je uzavřena pohyblivými písty.
Jak lze vyjádřit Pascalův zákon na hydraulickém zařízení?
| F1 |
= |
F2 | ||||
| S1 | S2 |
Velikosti sil působících na písty jsou ve stejném poměru jako obsahy jejich průřezů. To znamená, že širší píst bude působit tolikrát větší silou, kolikrát je obsah jeho průřezu větší než obsah průřezu menšího pístu. Toho se využívá u hydraulických lisů, zvedáků, brzd automobilů.
|
Hydraulické zařízení umožňuje nejen přenášet tlakovou sílu, ale také ji zvětšit. Kolikrát je obsah plochy velkého pístu větší než obsah plochy malého, kolikrát větší síla působí na velký píst než na malý píst. |
Jak řešit příklady?
Vodní lis má písty o obsahu 6 cm2 a 10 cm2. Jak velkou tlakovou silou působí voda na velký píst, působí-li na malý píst tlaková síla 240 N?
| F1 = | 240 N | |||
| S1 = | 6 cm2 | = | 0,0006 m2 | |
| S2 = | 10 cm2 | = | 0,001 m2 |
F2 = ?
| F1 |
= |
F2 | ||
| S1 | S2 | |||
|
F2 |
= |
F1 . S2 |
||
|
S1 |
||||
| F2 | = |
240 . 0, 001 |
||
|
0, 0006 |
||||
| F2 | = |
400 N |
||
B) účinkem gravitační síly Země
Jaký je účinek gravitační síly Země na kapalinu? Zkus si další pokusy.
| Potřeby: | plastová láhev (1,5 l průhledná) opatřená otvory s uříznutým dnem, nálevka, igelit připevněný gumičkou na místo dna |
| sklenička, dutý válec, destička |
Provedení a pozorování:
|
Při prvním pokusu odřízneme dno lahve a na jeho místo upevníme gumičkou igelit. Nalijeme vodu do lahve. Horkým hřebíkem propíchneme otvory na lahvi. Pak pokračujeme ve vlévání vody. |
Při druhém pokusu nalijeme do skleničky vodu. Na jeden konec dutého válce přitiskneme destičku. Přidržíme ji rukou a ponoříme válec s destičkou do vody. Destička od válce neodpadne. |
|
 |
|
| Co pozorujeme? | Proč ? | ||
| 1) | při lití vody do lahve se blána z igelitu prohne | na blánu tlačí voda svisle dolů tlakovou silou F | |
| 2) | voda vytéká ze všech otvorů kolmo na stěny válce | tlaková síla F nepůsobí jen dolů, ale i kolmo na stěny válce | |
| 3) | voda udrží destičku u válce | tlaková síla F působí na destičku svisle vzhůru | |
| Jaký je závěr provedených pokusů? |
|||
V důsledku působení gravitační síly Země působí kapalina v nádobě v klidu tlakovou silou kolmo na dno nádoby, na stěny nádoby a na plochy ponořené v kapalině.
Jak určíme velikost tlakové síly ?
|
F = S . h .r . g |
Tlaková síla roste s hloubkou, závisí na obsahu plochy, na kterou kapalina působí a hustotě kapaliny. |
||
| S | obsah plochy | ||
| h | hloubka kapaliny | ||
| r | hustota kapaliny | ||
Co je hydrostatický paradox?
Vezmeme si několik nádob, které mají stejný obsah dna S, ale jejich tvar je různý. Naplníme je vodou do stejné výšky h. Podle vztahu F = Shrg musí být tlaková síla na dno nádoby vždy stejná.
V čem je tedy paradox?
V zúžené nádobě má voda menší hmotnost než v nádobě rovné. Tlaková síla na dno je větší, než je síla Fg působící na vodu. Naopak v rozšiřující se nádobě má voda větší hmotnost než v rovné. V tomto případě na dno působí menší tlakovou silou, než je síla Fg působící na vodu.
Velikost hydrostatické tlakové síly závisí na hustotě kapaliny, na obsahu dna a na hloubce pod volným povrchem kapaliny. Nezávisí na tvaru a celkovém objemu kapalného tělesa.
Toto paradoxní zjištění udělal fyzik B. Pascal v 17. století
Na čem závisí Hydrostatický tlak?
Gravitační síla Země vyvolá v kapalině tlakovou sílu F. Tlaková síla vyvolá v klidné kapalině hydrostatický tlak.
| označení | ph | |||
| jednotka | 1 Pa | |||
| Jak určíme ph? | p = F : S | F = Shrg | ||
| p = F : S = Shrg : S = hrg | ||||
| ph = h . r. g | ||||
Hydrostatický tlak v kapalině roste s hloubkou h pod hladinou. Ve stejné hloubce je větší hydrostatický tlak v kapalině s větší hustotou r.
O působícím tlaku v kapalině se můžeme přesvědčit jednoduchým pokusem. Trubičku ponoříme do kapaliny, s rostoucí hloubkou se voda stále více prohýbá do dna trubice.
K měření tlaku se používají manometry (kapalinové - tlak se odečítá z rozdílu hladin vyvolaných tlakem, kovové - tlak pružně deformuje určité části přístroje)
Místa o stejném hydrostatickém tlaku se nazývají hladiny. Hladina o nulovém hydrostatickém tlaku je na volném povrchu kapaliny a nazývá se volná hladina.
Na základě hydrostatického tlaku lze vysvětlit podstatu spojených nádob. Spojené nádoby jsou nádoby, které jsou u dna spojeny trubicí. Jejich tvar může být jakýkoli. Nalijeme-li do těchto nádob kapalinu o stejné hustotě, pak se hladina ve všech nádobách ustálí ve stejné výšce h nad společným dnem. Je to způsobeno důsledkem Pascalova zákona - ve všech místech kapaliny je stejný tlak. U dna tedy bude tlak ph = r × h × g, r a g jsou stejné, proto musí být i stejná výška h.
|
Naplníme spojené nádoby nemísícími se kapalinami o dvou různých hustotách. Rozhraní, kde se obě kapaliny stýkají nazýváme společná hladina. Hydrostatické tlaky obou kapalin jsou v tomto rozhraní stejné, jinak by se společná hladina posouvala. Hustota druhé kapaliny je menší, proto její výška h2 nad společnou hladinou je vyšší než výška první kapaliny. |
3. Vztlaková síla v kapalinách
Proč se ti podaří ve vodě zvednout kamaráda, když na břehu jej nezvedneš?
Na chlapce ve vodě působí vztlaková síla směřující svisle vzhůru. Proto chlapce ve vodě snadněji zvednete než na břehu.
 |
Tělesa, která ponoříme do kapaliny, jsou lehčí než ve vzduchu. Nadlehčuje je vztlaková síla Fvz, která je důsledkem hydrostatického tlaku kapaliny. Má opačný směr než gravitační síla, směřuje vzhůru. Ponoříme-li do kapaliny kvádr, působí na každou jeho stěnu kolmá tlaková síla. Síly, které působí na boční stěny se navzájem vyruší, na horní stěnu působí síly F, na spodní Fg. Jejich výslednice je vztlaková síla Fvz. Fvz = Fg - F |
Vztlakovou silou působí nejen kapaliny, ale také plyny. Nadlehčována jsou tedy i všechna tělesa ve vzduchu.
Na čem závisí velikost vztlakové síly ?
|
Fvz ~ V |
|
Fvz ~ r |
Jak vypočítáme velikost vztlakové síly ?
|
Fvz = V . r . g |
V...objem tělesa | |
| r...hustota kapaliny | ||
| g....tíhová konstanta (10 N/kg) |
Tento poznatek vyjadřuje Archimédův zákon.
4. Archimédův zákon
 |
Na těleso ponořené do kapaliny působí svisle vzhůru vztlaková síla. Velikost vztlakové síly Fvz se rovná velikosti gravitační síly Fg působící na kapalinu stejného objemu, jako je objem ponořené části tělesa. |
Důsledkem Archimédova zákona je různé chování těles v kapalině. Mohou nastat tři případy:
 |
1. těleso plove rt < rk Þ Fvz > FG Výslednice sil F směřuje nahoru a těleso stoupá k volné hladině kapaliny. Jakmile jí dosáhne, částečně se vynoří a ustálí se v takové poloze, že tíhová síla FG je v rovnováze se vztlakovou silou. Takto se chová např. dřevěný špalek ve vodě. |
|
2. těleso se v kapalině volně vznáší rt = rk Þ Fvz = FG Výslednice sil F = 0, těleso se v kapalině vznáší. Ve vodě se vnášejí např. ryby a mořští živočichové. |
|
|
3. těleso klesá ke dnu rt > r Þ Fvz < FG Výslednice sil F směřuje dolů a těleso klesá ke dnu. Takto se chovají např. kovové předměty ve vodě. |
Při plování tělesa v kapalině se vynoří taková část tělesa,
že gravitační síla Fg a vztlaková síla Fvz působící na těleso jsou v rovnováze.
Proč se nepotopí ve vodě loď, když má větší hustotu než voda?
|
Při vhodném tvaru mohou plovat i tělesa, která mají větší hustotu než kapalina (rT > rk) , protože ponořenou část tělesa tvoří i vzduch s malou hustotou Þ hustota ponořeného celku je menší než hustota kapaliny - lodě, ponorky
|
 |
Těleso plovoucí v různých kapalinách se ponoří tím větší částí svého objemu do kapaliny, čím menší je hustota kapaliny.
Tohoto poznatku se využívá při měření hustoty kapalin:
 |
Hustoměr je skleněná trubice na obou koncích zatavená, do dolní části se zpravidla přidávají broky. Trubice je na zúžené části opatřena stupnicí v jednotkách hustoty (kg/m3 nebo g/cm3). Při měření hustoty plave hustoměr v kapalině. Poloha hladiny kapaliny určuje na stupnici hustotu kapaliny. |
B. Důležité pojmy:
základní vlastnosti kapalin, tlak v kapalině, Pascalův zákon, hydraulická zařízení, vyjádření Pascalova zákona na hydraulických zařízeních, tlaková síla kapaliny, hydrostatický paradox, hydrostatický tlak, volná hladina, spojené nádoby, vztlaková síla, Archimedův zákon, potápění, plování a vznášení těles, měření hustoty kapalin, hustoměr
C. Literatura:
-
Fyzika pro 7. ročník základní školy, Prometheus, Praha 2001
- Fyzika pro 7. ročník základní školy, SPN, Praha 1983
-
M. Rojko a kol., Fyzika kolem nás I, Scientia, Praha 1996
D. Zkušební test: