Mamy naczynie. To jak szklanka, garnek lub butelka.
To naczynie ma wysokość. Wysokość to odległość od dna naczynia do jego górnej krawędzi.
W naszym przypadku wysokość naczynia wynosi 20 cm. Wyobraź sobie linijkę. 20 cm to mniej więcej długość smartfona.
W naczyniu znajduje się jakaś ciecz. Ciecz to stan skupienia materii, który nie ma określonego kształtu, ale ma określoną objętość. Na przykład woda, sok, olej.
Czyli mamy naczynie o wysokości 20 cm. W środku jest ciecz. To wszystko, co wiemy na początek.
Ciśnienie hydrostatyczne
Skoro mamy ciecz w naczyniu, to warto wspomnieć o ciśnieniu hydrostatycznym. To ciśnienie, jakie wywiera ciecz na dno i ścianki naczynia.
Wyobraź sobie basen. Im głębiej zanurkujesz, tym większe ciśnienie odczuwasz w uszach. To właśnie ciśnienie hydrostatyczne.
Od czego zależy ciśnienie hydrostatyczne?
Gęstość cieczy
Gęstość to masa substancji na jednostkę objętości. Mówiąc prościej, to, ile "waży" dana objętość substancji.
Na przykład, woda ma gęstość około 1000 kg/m³. Olej ma gęstość mniejszą niż woda, dlatego unosi się na jej powierzchni.
Im większa gęstość cieczy, tym większe ciśnienie hydrostatyczne. Wyobraź sobie, że masz dwa naczynia o tej samej wysokości. W jednym jest woda, a w drugim gęsty syrop. Syrop będzie wywierał większe ciśnienie na dno naczynia.
Wysokość słupa cieczy
Im wyższy słup cieczy, tym większe ciśnienie hydrostatyczne. To tak jak z basenem – im głębiej zanurkujesz, tym większe ciśnienie.
W naszym naczyniu o wysokości 20 cm, ciśnienie na dnie będzie większe niż na wysokości 10 cm.
Przyspieszenie ziemskie
Przyspieszenie ziemskie (oznaczane jako g) to siła, z jaką Ziemia przyciąga wszystkie obiekty. Jego wartość wynosi około 9.81 m/s².
Przyspieszenie ziemskie wpływa na ciśnienie hydrostatyczne. Im większe przyspieszenie ziemskie, tym większe ciśnienie.
Wzór na ciśnienie hydrostatyczne
Możemy obliczyć ciśnienie hydrostatyczne za pomocą wzoru:
p = ρ * g * h
Gdzie:
- p - ciśnienie hydrostatyczne (w Pascalach - Pa)
- ρ (ro) - gęstość cieczy (w kg/m³)
- g - przyspieszenie ziemskie (w m/s²)
- h - wysokość słupa cieczy (w metrach - m)
Przykład:
Załóżmy, że w naszym naczyniu o wysokości 20 cm (0.2 m) znajduje się woda o gęstości 1000 kg/m³.
Wtedy ciśnienie hydrostatyczne na dnie naczynia wynosi:
p = 1000 kg/m³ * 9.81 m/s² * 0.2 m = 1962 Pa
Ciśnienie atmosferyczne
Oprócz ciśnienia hydrostatycznego, na ciecz w naczyniu działa także ciśnienie atmosferyczne. To ciśnienie wywierane przez powietrze otaczające Ziemię.
Ciśnienie atmosferyczne jest zazwyczaj pomijane w obliczeniach ciśnienia hydrostatycznego, jeśli naczynie jest otwarte na górze. Dzieje się tak, ponieważ ciśnienie atmosferyczne działa zarówno na powierzchnię cieczy, jak i na zewnątrz naczynia, więc jego wpływ się znosi.
Jeśli jednak naczynie jest zamknięte i ciśnienie wewnątrz jest inne niż atmosferyczne, to należy to uwzględnić.
Siła nacisku
Ciśnienie to siła działająca na jednostkę powierzchni. Zatem, znając ciśnienie na dnie naczynia, możemy obliczyć siłę nacisku cieczy na dno.
Wzór na siłę nacisku:
F = p * A
Gdzie:
- F - siła nacisku (w Newtonach - N)
- p - ciśnienie (w Pascalach - Pa)
- A - powierzchnia (w metrach kwadratowych - m²)
Załóżmy, że dno naszego naczynia ma powierzchnię 0.01 m² (10 cm x 10 cm).
Wtedy siła nacisku wody na dno naczynia wynosi:
F = 1962 Pa * 0.01 m² = 19.62 N
Podsumowanie
Mamy naczynie o wysokości 20 cm wypełnione cieczą. Ciśnienie hydrostatyczne, jakie ciecz wywiera na dno i ścianki naczynia, zależy od:
- Gęstości cieczy
- Wysokości słupa cieczy
- Przyspieszenia ziemskiego
Możemy obliczyć ciśnienie hydrostatyczne za pomocą wzoru: p = ρ * g * h.
Znając ciśnienie, możemy obliczyć siłę nacisku cieczy na dno naczynia za pomocą wzoru: F = p * A.
Pamiętajmy też o ciśnieniu atmosferycznym, które zazwyczaj pomijamy w obliczeniach, gdy naczynie jest otwarte.
Mam nadzieję, że ten artykuł pomógł Ci zrozumieć podstawowe pojęcia związane z cieczą w naczyniu. Powodzenia w dalszej nauce!
