Сполучені посудини

Сполучені посудини – опис, правила, приклади



Всі розуміють, що насправді потрібно робити з чайником, щоб в його носику було багато води — просто нахилити його. Але питання про те, чи можна, наприклад, перемістити корабель через гору в море або інший басейн, викличе у багатьох сумніви.

Щоб відповісти на це питання, спочатку потрібно розуміння суті терміна і закону сполучених посудин.

Сполучені посудини - приклад
Сполучені посудини – приклад

Трохи історії

Сполучені посудини, якщо налити в них воду, являють собою систему ємностей, заповнених однорідною рідиною, з’єднаних біля основи, до того ж на них діє однаковий атмосферний тиск.

Правило рівноваги:

  • Коли рідина (газ, ртуть) осідає, вона доходить до однакового рівня у всіх контейнерах, незалежно від їх форми і об’єму.
  • Якщо в один контейнер додається додаткова рідина, у всіх підключених посудинах буде встановлений новий рівний рівень.

Цей процес є частиною закону Паскаля і відбувається тому, що сила тяжіння і тиск постійні в кожній посудині (гідростатичний тиск).

Паскаль довів в сімнадцятому столітті, що тиск, який чиниться на молекулу рідини, передається повністю і з однаковою інтенсивністю у всіх напрямках.

З часів Стародавнього Риму концепція впливу посудин використовувалася для сантехніки всередині приміщень через водоносні горизонти і свинцеві труби. Вода досягне однакового рівня у всіх частинах системи, яка діє як посудини, незалежно від того, що є найнижчою точкою труб.

Принцип дії шлюза

Але на практиці найнижча частина перетину системи залежить від здатності водопроводу протистояти тиску рідини. У містах часто використовуються водонапірні вежі, так що мережа буде функціонувати як ємності, що розподіляють воду на верхні поверхи будівель з достатнім тиском.

Гідравлічні преси, що застосовують системи класу взаємодіючих ємностей, широко використовуються в різних промислових процесах.

Параметри гідравлічних пресів, які в сукупності визначають їх технологічні можливості і конструктивні особливості:

  • номінальна сила;
  • робочий хід;
  • швидкість руху притискної балки;
  • розміри контейнера.

Тема впливу посудин часто використовується як загальний приклад у викладанні фізики. Статична властивість цієї системи також застосовується в інших предметних областях, наприклад, в соціології та економіці. Широко поширена думка про те, що рідина в сусідніх контейнерах досягає однакової висоти, вимірюваної щодо загальної контрольної точки, незалежно від форми сполучених посудин

анімація заповнення сполучених посудин
анімація заповнення сполучених посудин

Технологічні рішення

Якщо ємності знаходяться на різних висотах, тиск буде працювати на виході з трубки, що з’єднує ці посудини. Коли контейнери розташовані на різних висотах, вода з верхньої посудини буде текти в нижній резервуар.

Якщо подивитися на ситуацію з технологіями, то існує велика кількість випадків, коли використовувалися сполучені посудини.

Фізика, що стежить за цим явищем, іноді може творити чудеса. Як чудові, наприклад, фонтани! Але вони будуються без використання складних технологій, електродвигунів та іншого обладнання. І тут в чистому вигляді використовуються взаємопов’язані  посудини. Резервуари з водою вище значень фонтанів, що фактично гарантує приплив води до них без будь-яких пристроїв під атмосферним тиском.

Або інший зразок, де все зрозуміло – водяна вежа. Вода закачується в неї, а сама вежа знаходиться на величезному пагорбі. Далі в будинок надходить вода, причому не тільки на перші поверхи. Тут знову працюють сполучені посудини. Тиск, величина якого виправдана різницею висот між водонапірною вежею і краном, буде забезпечувати подачу води до верхніх поверхів.

Але китайці знали про сполучені посудини і, застосовуючи їх якості, почали будувати замки. Принцип роботи досить простий. Поруч знаходяться 2 камери з замком, об’єднані спеціальним каналом. Ворота шлюзу закриваються, потім відкривається канал, що з’єднує дві камери, і вода тече меншою мірою відповідно до закону про сполучені посудини. Використовуючи систему площі цих шлюзів, вдалося реалізувати рух суден у районах зі значною різницею у висоті.

Звичайно, вищевикладене не охоплює всі випадки практичного використання сполучених посудин, але дозволяє отримати уявлення про те, що це чудовий матеріальний закон, і про те, як він застосовується в повсякденному житті.

Сполучені посудини - визначення

Закон і концепція

Сполучені циліндричні посудини – це ті контейнери, які взаємопов’язані нижче значення води на кожному з судин. Таким чином, рідина має здатність переміщатися з однієї посудини в іншу, наприклад, як в крапельниці.

До сих пір слід розуміти принцип різниці і впливу посудин і можливості їх використання для вирішення основного гідростатичного рівняння.

Поперечні відкриті об’єднані посудини мають одне суцільне дно, а закон про них говорить:

  • Незалежно від форми цих водомірних посудин, один і той же тиск діє на площину однорідної рідини в спокої на одному і тому ж рівні.
  • При впливі посудин з однаковим тиском на вільну поверхню води діє висота подачі, виміряна від поверхні і пропорційна щільності рідини.

Перший закон сполучених посудин

Водонагнітна вежа

З досвіду, якщо рівень в посудинах однаковий, рідина буде тиснути на стінки обох контейнерів. Поділ між контейнерами такий же. Час від часу додавання рідини з судин, наприклад, призводить до напору водного стовпа. Якщо придумати, що перегородка є, рідина почне потрапляти в посудину, де її рівень буде нижче, а висота води в обох судинах буде однаковою.

У повсякденному житті цей принцип можна використовувати в водонапірній вежі. Наповнення найвищої вежі рідиною будь-якої температури змушує її працювати. Після цього відкривають клапани, розташовані на першому поверсі, і вода потече по трубопроводах в будь-який житловий простір, підключений до джерела води.

Цей пристрій виділяє два з’єднувальних контейнерів – дві вертикальні скляні трубки А і В, з’єднані зігнутим коліном С. Потім визначають висоту води в трубах вище значень Н₁ і Н₂, хоча ці висоти фактично пропорційні щільності води для тестування.

У разі, коли обидві посудини заповнені однією і тією ж рідиною, висота підйому рідини в комбінованих посудинах буде однаковою. Парадокс з’єднання ємностей лежить в основі багатьох інших приладів, призначених для вимірювання тиску.

Другий закон сполучених посудин

Введення приладу обліку тиску

П’єзометр – це прилад, який вимірює тиск води. Наприклад, висота рідини в п’єзометричній трубі називається п’єзоелектровисотою і характеризується надлишковим тиском в посудині і може служити мірою для визначення її величини.

П’єзометр – досить зрозумілий інструмент, але він зручний тільки для вимірювання малих тисків.

При високих тисках використання п’єзометричної трубки ускладнюється. Трубка досить довга, що насправді, буквально, ускладнює вимірювання. При цьому рідкі манометри, в яких тиск не врівноважується рідиною, практично беруть воду в комбінованих ємностях, але для цього потрібна рідина з більш високою щільністю.

Манометр - опис

Закон Паскаля

У цьому випадку справа стосується значення тиску води, яке вважається результатом дії зовнішньої сили. Фактично він говорить, що тиск води, викликаний впливом зовнішніх сил, рівномірно поширюється.

Таким чином, збільшення тиску ідентично як у водному компоненті, так і в кожній точці площини, яку обмежує рідина.

Закон Паскаля застосовується на практиці при проєктування різних типів:

  • домкратів;
  • пресів;
  • гідравлічних гальм.

Всі ці пристрої вважаються звичайними машинами, тому що вони дають можливість працювати з меншою старанністю на довгих дорогах, а не з більшою потужністю на менших ділянках шляху.

Принцип дії водонапірної вежі

Використаний принцип сполучених посудин видно добре при будівництві фонтанів, водопроводів, шлюзів. Використовуючи сполучені посудини, формули, можна перемістити корабель через гору.

Якщо вода перекрита греблею, то рівень води у водосховищі вище, ніж у річки, що розташована нижче за течією. Корабель повинен підійти до воріт. Коли шлюз повністю заповнюється водою, судно залишає його і продовжує свій шлях.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *