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液体压强与帕斯卡原理介绍

899人浏览   2024-03-10 22:19:06

在物理课中,同学们知道液体压强,当一个物体放在液体中会受到液体对它产生各个方向上压强,书中还告诉我们,液体之所以产生压强,是因为液体具有重力,并且液体具有流动性原因。

不过,在分子动理论中,我们知道物体是有分子构成的,分子在不停做无规则运动,物体之所以有三种状态,是因为物体之间存在分子作用力。不过,在液体内部,分子与分子之间受到两种力作用,第一是分子之间作用力,还有分子自然也受到地球对它吸引力作用。液体分子之间的引力小于万有引力,这样分子受万有引力作用,就会向最大动能方向运动。

在向最大动能方向运动时,就会向阻碍运动方向产生分力,而凡和分子不在一个水平面的都会产生阻碍,所以液体分子会向不在一个水平面产生分力。这种分力就使液体不仅对下面产生压强,而且对低于液体表面周围产生压强。

这仅仅是力角度来说的,其实液体压强,还以能量有关系,首先虽然分子之间引力小于万有引力,但是由于万有引力存在,分子之间距离肯定要发生改变,自然分子之间势能也会在上面分子重力势能作用下自然转化成下面分子之间势能,当一个物体放进去自然转移成一种压力能。

同时从微观表现上说,液压压强是流体内部分子热运动撞击边界的力综合产生的,也会产生一种静压。在初中物理做中,我们知道液体压强虽然是由于重力和液体流动性造成的,但是液体对底部压力却与容器形状有关。

当容器是直柱容器时,由于分子与容器之间发生碰撞,但是只能改变分子横行运动速度,而且彼此抵消,因此容器侧部对液体分子压强没有贡献。但是,对于锥形容器,因为分子与上边容器碰撞时,会对下边分子产生影响,分子之间动能和分子势能都会发生变化,从而使液体对底部容器产生压力大于液体自身重力。

同样的,如果是一个台柱容器,液体中分子在自身重力作用下,会产生分子引力和一个整体压力,但是由于侧部分子与容器发生碰撞,势必会让分子产生一个向上合力,这些合力对整个容器中分子对压力减小,因此台柱容器对底部压力小于重力。

我们哉来看看帕斯卡定律: 在密闭液体上的压强,能够大小不变地由液体向各个方向传递。根据静压力基本方程(p=p0+ρgh),盛放在密闭容器内的液体,其外加压强p0发生变化时,只要液体仍保持其原来的静止状态不变,液体中任一点的压强均将发生同样大小的变化。

对于帕斯卡,他曾经做好一个牛逼实验。帕斯卡做过的大量实验中,最着名的一个是这样的:他用一个木酒桶,顶端开一个孔,孔中插接一根很长的铁管子,将接插口密封好。实验的时候,酒桶中先权满水,然后慢慢地往铁管子里注几杯水,当管子中的水柱高达几米的时候,就见木桶突然破裂,水从裂缝中向四面八方喷出。从这个实验得到结论,液体对各个方向都有压强,并且同一种液体,液体的压强只与深度有关。

1553年经过数年的观察、实验和思考,综合成《论液体的平衡和空气的重力》一书。提出了著名的帕斯卡定律(或称帕斯卡原理)。帕斯卡在此书中书中详细叙述了密封容器中的流体能传递压强,讨论了连通器的原理。帕斯卡利用一个充水的容器,它有两个圆筒形的出口,除此之外,其他部分都封闭。两个出口的截面积相差100倍,在每一个出口的圆筒中放入一个大小刚好适合的活塞,则小活塞上一个人施加的推力等于大活塞上100人所施加的推力,因而可以胜过大活塞上99个人施加的推力,不管这两个出口大小的比例如何,只要施加于两个活塞上的力和两个出口的大小成比例,则水的平衡就可以实现。帕斯卡在书中一一叙述了密闭液体、压强不变、向各方 传递等帕斯卡定律的基本点。 此书是帕斯卡于1653年写成的,但直到他逝世后的第二年----1663年才首次面世。 帕斯卡是在大量观察、实验的基础上,又用虚功原理加以;证明才发现了帕斯卡定律的。在帕斯卡定律的发现,为流体静力学的建立奠定了基础。帕斯卡还在这一定律的基础上提出了连通器的原理和后来得到广泛应用的水压机的最初设想。他又指出器壁上所受的、由于液体重力而产生的压强,仅仅与深度有关;他用实验,并从理论上解释了与此有关的液体静力学佯谬现象。他在一周之内就突击读完了欧几里得《几何原本》的前六本,并还能把它应用于力学。1653年,他进入牛津大学里奥尔学院做工读生。他没有取得学士学位,而是在1663年获得文学硕士学位。

斯卡定律是流体(气体或液体)力学中,指封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化,将毫无损失地传递至流体的各个部分和容器壁。其实,结合前面我们分析的,液体分子压力是沿着一个沿着一个最大动能方向,本质还是分子与运动壁发生碰撞后大小不变传递给分子,使得分子之间势能发生某一个方向改变,最后变成液体分子对另一壁碰撞,刚好也能解释帕斯卡定律产生机制。

根据压强等于作用力除以作用面积,结合根据帕斯卡原理,在水力系统中的一个活塞上施加一定的压强,必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞的面积的10倍,那么作用于第二个活塞上的力将增大为第一个活塞的10倍,而两个活塞上的压强仍然相等。水压机就是帕斯卡原理的实例。它具有多种用途,如液压制动等。

同样的,人类可以通过一定方法给水加压,又会让水把这种压力转化为动能,从而来切割物体,也就是所谓水刀。水刀,即以水为刀,本名高压水射流切割技术,这项技术最早起源于美国。用于航空航天军事工业。以其冷切割不会改变材料的物理化学性质而备受青睐。后经技术不断改进,在高压水中混入石榴砂、金刚砂等磨料辅助切割,极大的提高了水刀的切割速度和切割厚度。水刀已经广泛应用于陶瓷、石材、玻璃、金属、复合材料等众多行业。在中国,水刀的最大压强已经做到了420MPa。