Цель работы:изучить устройство и принцип действия лабораторного стенда «Гидростатика»; записать формулу для определения абсолютного давления, записать формулу для определения избыточного давления с помощью батареи пьезометров; знать плотность жидкостей в пьезометрах; определить цену деления пьезометров и манометров; выразить их значение в системе СИ.
Краткая теория.
Стенд состоит из рабочего стола 1 (рис.1), закрепленных на нем бака 2 и щита 3 с батарейным мановакуумметром П3. Рядом со столом закреплен щит настенных пьезометров 4. Бак на ¾ заполнен рабочей жидкостью. С помощью компрессора 5 и пылесоса 6, находящихся на нижней полке стола, под крышкой бака может быть создано избыточное или вакуумметрическое давление.
Необходимый режим обеспечивается блоком управления 7 и кранами В1 и В2. Давление воздуха в баке регистрируется механическими приборами- манометром МН1 и вакуумметром ВН. На лицевой и боковой стенках бака расположены фланцы, к которым через сильфоны 8 крепятся две испытуемые плоские стенки 9 – вертикальная и горизонтальная.
Метод гидростатики
На фланцах закреплены линейки со шкалами, служащие для определения перемещения стенок. Колена батарейного мановакуумметра П3 заполнены жидкостью (в общем случае жидкости могут быть различными). Левый конец батарейного мановакуумметра заполнен воздухом и соединен с верхней частью бака, а правый — открыт в атмосферу (рис. 2).
На настенном щите пьезометров 4 размещены пьезометр П1, подключенный к заполненной рабочей жидкостью части бака, и U-образный мановакуумметр П2, заполненный исследуемой жидкостью с неизвестной плотностью. Один конец мановакуумметра П2 подсоединен к верхней (воздушной) части бака, а второй выведен на механический прибор – манометр МН2.
Краны В5 и В3 служат для блокирования мановакуумметра П2 при проведении опытов на давление или вакуум, превосходящие пределы измерения этого жидкостного прибора. Краны В8 и штуцер 10 используются для заполнения бака рабочей жидкостью и опорожнения его.
Рис. 1. Лабораторный стенд «Гидростатика ГС».
Лабораторный стенд «ГС» предназначен для выполнения лабораторных работ № 2.3.4 по определению гидростатического давления, плотности неизвестной жидкости и силы давления жидкости на плоские вертикальные и горизонтальные стенки.
1. Для чего предназначен лабораторный стенд «Гидростатика ГС»?
2. На чем основан принцип действия стенда?
3. Перечислите основные элементы лабораторного стенда.
4. Какие измерители давления используются в стенде?
5. Какова цена деления шкалы батареи пьезометров?
6. Чему равна цена деления шкалы настенных пьезометров?
Рис. 2. Гидравлическая схема стенда «Гидростатика ГС».
7. Чему равна цена деления механических манометров? Выразите эту величину в системе СИ.
Как проверить золото в домашних условиях на 100%
8. Какая жидкость налита в батарее пьезометров? Укажите ее плотность.
9. Какие жидкости налиты в настенных пьезометрах? Укажите чему равна плотность жидкости в пьезометре П1.
10. Какой жидкостью и до какого уровня заполнен бак? Почему?
11. Как определяется избыточное и мановакууметрическое давления в баке батареей настольных пьезометров? Напишите формулу.
12. Укажите два основных режима работы стенда. Какие приборы используются для создания этих режимов и где они расположены?
13. Какие методы определения гидростатического давления являются наиболее точными.
Лабораторная работа №2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ.
Цель работы — освоение студентами способов измерения гидростатического, избыточного и вакуумметрического давлений в двух режимах .
При подготовке к работе, в процессе выполнения работы и при обработке результатов опытов студент должен:
— ознакомиться с различными приборами для измерения давления;
— определить гидростатическое давление тремя способами в двух режимах;
— определить давление под крышкой бака по показаниям пьезометра и батарейного мановакуумметра и сравнить их с показаниями механического прибора в двух режимах;
-определить абсолютную погрешность измерения гидростатического давления всеми тремя способами для всех режимов.
Краткая теория.
Сила давления жидкости это векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия одного тела на другое при их непосредственном контакте (например, жидкость и стенки сосуда). Сила давления жидкости имеет численное значение, точку приложения и направление (она всегда направлена по нормали к площадке, на которую действует жидкость). Результат действия одного тела на другое зависит не только от величины силы, но и от площади, к которой она приложена.
Давление жидкости – это скалярная величина, численно равная отношению силы к площади, по которой равномерно эта сила распределена (иногда его называют средним гидростатическим давлением).
Абсолютное давление в любой точке покоящейся жидкости определяется по формуле
где ро – атмосферное давление на свободной поверхности жидкости (или давление сжатого воздуха в закрытом сосуде); ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения; h – глубина погружения точки.
Манометрическое (избыточное) давление – это давление сверх атмосферного, т.е. разность между абсолютным давлением и атмосферным
Под вакуумметрическим давлением понимается недостаток (дефицит) давления до атмосферного или разность между атмосферным и абсолютным давлениями
За единицу давления в системе СИ принят паскаль (Па = Н/м 2 ). Для практического использования более удобными являются кратные единицы: килопаскаль (кПа = 10 3 Па) и мегапаскаль (МПа = 10 6 Па). В технике давление измеряют в технической (ат) и физической (атм) атмосферах, а также в метрах водяного столба и миллиметрах ртутного столба. Ниже приводятся соотношения между единицами давления.
1 ат = 1 кгс/см 2 , где 1 кгс (килограммсила) = 1 кг * 9,8 м/с 2 = 9,8 Н;
1 ат = 0,098 МПа = 98 кПа = 98000 Па = 10 м вод. ст.= 735 мм рт. ст.;
1атм. = 1,033 ат = 0,1 МПа = 100 кПа = 100000 Па = 10,33 м вод. ст.= 760 мм .рт. ст.
2.1. Порядок проведения опытов по измерению гидростатического давления.
Режим избыточного давления (опыт №1)
2.2.1.Записать показания Но пьезометра П1, соответствующие уровню свободной поверхности жидкости в баке при атмосферном давлении;
2.2.2. С помощью компрессора установить в баке режим избыточного давления. Для этого необходимо проделать следующие операции:
1. Закрыть кран В5, отсекая мановакуумметр П2 от бака (кран В3 при этом открыт, ст. рис. 1);
2. На пульте управления закрыть кран В1 «Нагнетание»;
3. Включить тумблер «Сеть»;
4. Установить тумблер «Режим» в положение «Нагнетание»;
5. Нажать кнопку «Пуск» и установить по показаниям пьезометра П1 необходимое давление;
NB! Не допускать, чтобы рабочая жидкость под действием избыточного давления выплеснулась через открытый конец П 1. Учитывая инерционность жидкости и медленное заполнение ею пьезометра необходимо периодически отпускать кнопку «Пуск», дожидаясь стабилизации уровня жидкости в П 1.
6. Отпустить кнопку «Пуск» и перекрыть кран «Нагнетание»;
2.2.3.Зафиксировать показания Н1 пьезометра П1, показания батарейного манометра П3 и показания механического прибора МН 1; записать эти показания в таблицу №2.1 и таблицу №2.2 (см. Приложение), которые представить в отчете по лабораторной работе;
2.2.4.Сбросить избыточное давление в баке, для чего открыть краны В1 «Нагнетание», В2 «Разрежение» и кран В5,
2.2.5.Записать по показаниям барометра атмосферное давление, а также плотности используемых жидкостей в журнал отчетов.
Режим вакуумметрического давления (опыт М2)
2.2.1.Записать в журнал отчетов показания Но пьезометра П1, соответствующие уровню свободной поверхности жидкости в баке при атмосферном давлении;
2.2.2.С помощью пылесоса установить в баке режим вакуумметрического давления. Для этого необходимо:
1. Закрыть кран В5, отсекая мановакуумметр П2 от бака (кран В3 при этом открыт);
2. Закрыть кран В1 «Нагнетание», открыть кран В2 «Разрежение»;
3. Включить тумблер «Сеть»;
4. Установить тумблер «Режимы» в положение «Разрежение»;
5. Нажать кнопку «Пуск» и установить по показаниям пьезометра П1 нужное давление;
NB! Необходимо следить, чтобы жидкость под действием вакуумметрического давления не опустилась до нижнего края пьезометра П1;
6. Отпустить кнопку «Пуск» и перерыть кран «Разрежение;
7. Далее повторить п.п. 2.2.3.,2.2.4,2.2.5.
1. Как определяется гидростатическое давление в режиме нагнетания и в режиме разрежения? Напишите формулы.
2. Как устроен барометр-анероид и как по нему измерить атмосферное давление?
3. Укажите цену деления шкалы барометра в мм. рт. ст. и в гектопаскалях.
4. Что такое абсолютная и относительная ошибки измерения? Приведите примеры этих ошибок по измерению атмосферного давления?
5. Используя таблицу (см. Приложение 1) напишите формулу для определения относительной погрешности измерения давления с помощью батареи пьезометров.
6. Определите абсолютную ошибку измерения гидростатического давления с использованием батареи пьезометров.
7. Почему после каждого режима следует сбрасывать избыточное (мановакууметрическое) давление в баке?
Лабораторная работа № 3.
Источник: stydopedia.ru
Гидростатическое взвешивание в физике — формулы и определения с примерами
На этом принципе основан метод так называемого гидростатического взвешивания. Если в мензурку опустить деревянный брусок, то он будет плавать, но уровень воды поднимется. Объем этой воды равен объему погруженной части бруска, а ее вес — весу бруска. Зная объем и плотность воды, можно рассчитать вес воды и вес тела. Для случая, когда тело тяжелее воды, изготавливают специальный поплавок, дающий возможность телу плавать по поверхности воды.
Гидростатическое взвешивание
Гидростатическое взвешивание — это метод измерения плотности жидкости или твёрдого тела, основанный на законе Архимеда. Плотность твёрдых тел определяют методом двойного взвешивания тела: сначала в воздухе, а потом в жидкости, плотность которой известна. Если определяют плотность жидкости, то в ней взвешивают тело известной массы и объёма.
Если исследуемое сплошное твёрдое тело тонет в воде, то для выполнения задания нужен лишь лабораторный динамометр (или равноплечие весы) и сосуд с водой.
Сначала определяют вес Р исследуемого тела в воздухе:
Потом твёрдое тело погружают в сосуд с жидкостью, плотность которой 
известна (в случае использования дистиллированной или чистой воды 
= 1000 
), и определяют вес тела 
в жидкости, который по закону Архимеда меньше веса тела в воздухе на значение силы Архимеда 
отсюда 
, или 
.
Из этой формулы можно определить плотность жидкости, если она неизвестна, а объём тела известен:
Объём жидкости, вытесненной телом, равен объёму тела, но
поскольку 
то 
. Подставим это в выражение
для архимедовой силы, получим 
, отсюда и вытекает искомая формула для определения плотности вещества твёрдого тела: 
.
Пример №1
Купаясь в реке с илистым дном, можно заметить, что ноги больше вязнут на мелких местах, чем на глубоких. Объясните, почему.
Ответ: так как на глубоких местах действует большая выталкивающая сила.
Пример №2
Определите, какая архимедова сила действует на тело объёмом
5 м 3 , погружённое полностью в воду?
Дано:
= 9,81 
= 1000 
Решение:
По формуле определим архимедову силу:
Ответ: = 49,05 кН.
Пример №3
Нужно ли учитывать загрузку судна при переходе его из моря в реку? Догружать или разгружать нужно судно, чтобы его осадка была не глубже ватерлинии?
Ответ: при переходе судна из моря в реку нужно учитывать загрузку судна, так как плотность воды уменьшается. Судно нужно разгружать.
Теоретические сведения
Гидростатическое взвешивание издавна применяется для определения плотности различных веществ. Для этого используют закон Архимеда. Плотность твердых тел определяют двойным взвешиванием: сначала тело взвешивают в воздухе (при этом в большинстве случаев выталкивающей силой воздуха пренебрегают), а потом — в жидкости, плотность которой известна (например, в воде). Рассмотрим методы определения плотности.
1. Если исследуемое тело тонет в воде (его плотность рт превышает плотность воды рв), то в таком случае используют динамометр и стакан с водой.
Сначала исследуемое тело взвешивают в воздухе (рис. 120, а):
В этом случае архимедовой силой, действующей на тело в воздухе, можно пренебречь, так как плотность воздуха намного меньше плотности тела и воды.
Потом тело опускают в стакан с водой (рис. 120, б), плотность воды известна 
В этом случае на тело, кроме сил тяжести 
и упругости пружины динамометра 
, действует сила Архимеда 
:
2. Для измерения плотности неизвестной жидкости можно воспользоваться также телом, которое не тонет в воде и исследуемой жидкости, например карандашом или другим телом правильной формы. Чтобы карандаш в жидкости занимал вертикальное положение, к его нижнему концу можно приколоть несколько кнопок или намотать несколько витков проволоки.
Если карандаш плавает в воде (рис. 121, а), то сила тяжести 
действующая на него, равна силе Архимеда 
. В этом случае
где 
— объем тела, a 
— объем вытесненной телом воды (объем погруженной части тела).
Если тело опустить в неизвестную жидкость (рис. 121, б), плотность которой , то
С этого уравнения имеем
3. Плотность неизвестной жидкости можно определить с помощью резиновой нити, тела, которое тонет в воде и неизвестной жидкости, и линейки. Последовательность действий при этом показана на рисунке 122.
Длина резиновой нити (или пружины) без нагрузки 
(рис. 122, а). Если к ней прикрепить тело в воздухе (рис. 122, б), то сила тяжести 
будет равна по значению силе упругости 
возникшей в нити. Тело будет в состоянии равновесия.
Теперь, если тело опустить в воду (рис. 122, в), то на него будет действовать еще сила Архимеда:
Опустим тело в жидкость, плотность которой нужно определить (рис. 122, г).
4. Для определения плотности твердого тела или неизвестной жидкости можно использовать рычаг. Для этого нужно иметь две гирьки, плотность одной из них массой необходимо определить, рычаг, линейку, стаканы с водой и неизвестной жидкостью. Последовательность действий показана на рисунке 123.
Для определения плотности тела используем формулу
Для определения плотности неизвестной жидкости можно использовать формулу
- Физика
- Атомная физика
- Ядерная физика
- Квантовая физика
- Молекулярная физика
- Воздухоплавание в физике
- Машины и механизмы в физике
- Коэффициент полезного действия (КПД) механизмов
- Тепловые явления в физике
- Барометры в физике
- Жидкостные насосы в физике
- Выталкивающая сила в физике
- Условия плавания тел в физике
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
Источник: www.evkova.org
Гидростатика
Прежде чем говорить о давлении жидкостей, следует напомнить о самом понятии давления.
Давление – это физическая величина, равная отношению силы, которая действует на некоторую площадку, к площади этой площадки:
F – сила, действующая на площадку [Н]
S – площадь этой площадки [ (м^) ]
Например, если просто давить кончиком пальца на кожу, не получится проделать дыру – палец очень широкий, и нужно приложить большую силу. Но, давя этой же силой на иголку, дырка получится – ведь теперь сила приходится на площадь конца иголки, а она очень и очень маленькая. Аналогично девушка массой 60 кг, стоя в туфлях на каблуках, создает такое же давление, как целый груженный БЕЛАЗ массой 200 т. Разница в массе нивелируется разницей в площади площадки, на которую давят.
Согласно этой формуле, жидкость также своей массой может оказывать давление на дно сосуда, в который она налита. Если заменить давящую силу силой тяжести mg, а массу жидкости – ее плотностью и объемом, останется лишь заменить объём жидкости его формулой из геометрии. Рассмотрим параллелепипед высотой h с площадью дна S для удобства:
Получается, что любая жидкость оказывает давление на дно сосуда, зависящее только от ее плотности и высоты столба:
Р – давление столба жидкости [Па]
(rho) – плотность жидкости [ (frac>) ]
g – ускорение свободного падения [ (frac>) ]
h – высота столба жидкости [м].
Ширина столба жидкости не важна для создания давления. Поэтому будьте аккуратны – зажать пяткой слив воды в ванной безопасно (так как высота столба считается от слива до дна сифона, это примерно 10 см), а зажать только такой же слив в водонапорной башне высотой 10 м уже смертельно опасно.
Также можно найти среднее давление, с которым жидкость действует на боковую грань сосуда. Для этого достаточно подставить в формулу половину высоты сосуда. Но учтите – среднее давление не равно фактическому давлению в конкретной точке боковой грани. Фактическое давление можно рассчитать, зная глубину погружения этой точки относительно поверхности.
После прочтения предыдущего абзаца возник вопрос – если сила тяжести направлена вертикально вниз, как жидкость давит на боковую грань? Здесь проявляется следствие закона Паскаля – жидкость передает давление на некотором уровне во все стороны. Именно это может привести к гидроудару в квартирах – если резко вернуть жидкость в трубы, она разорвет те трубы, которые были перекрыты кранами.
Важным следствием закона Паскаля является то, что давление внутри жидкости на одной и той же глубине всегда будет одинаково. То есть, если наполнить жидкостью зигзагообразную трубу (как змеевик в квартирах), не важно, что с поверхностью жидкость сообщается лишь в одном месте. Во всех коленах этой трубы давление на одном и том же уровне будут одинаковы.
С газом ситуация аналогична (пример – воздушный шарик, который расширяется во все стороны сразу).
Говоря про изогнутую трубу, мы, по сути, говорили о ряде сообщающихся друг с другом сосудов.
Сообщающиеся сосуды – это взаимодействующие друг с другом сосуды, которые имеют общее дно.
Если рассмотреть сосуды, которые сообщаются друг с другом и с атмосферой (например – стакан с соломинкой) можно заметить важное свойство – уровень одной и той же жидкости в них идентичен. Это возможно именно благодаря атмосфере – она давит на жидкости в сосудах до тех пор, пока уровень давления (а стало быть, и высоты) в них не установится равным атмосферному.
Если в один сообщающийся сосуд налить новую жидкость в дополнение к старой (в стакане с соломинкой была вода, а вы добавили в стакан немного масла), то уровни жидкости в сосудах изменятся, и больше не будут одинаковы. Но главное правило сообщающихся с атмосферой сосудов сохранится – давление в каждом сосуде будет равно атмосферному, или проще говоря – давление в каждом сосуде будет одинаково. При этом уровень, относительно которого проводятся расчеты, можно выбрать в любой части сосудов.
Это принцип сообщающихся сосудов – давление жидкостей на один и тот же уровень в сообщающихся сосудах одинаково, несмотря на разную высоту столбов жидкостей. Но если в сосудах налита одна и та же жидкость, уровень жидкости в сосудах тоже будет одинаковым.
Пример со стаканом с соломинкой выбран не просто так, ведь почти каждый хоть раз использовал такой девайс. Но как он работает? Все просто – когда вы хотите потянуть напиток через соломинку, вы создаете во рту недостаточное давление. Тогда напиток из стакана, на который давит атмосфера, начинает течь через соломинку – ведь давление в сообщающихся сосудах должно быть одинаково.
Высота столба в соломинке растет, а вместе с ним по формуле (texth) растет его давление, и напиток попадает в рот. Но возможна обратная ситуация – пустить через соломинку пузырь. Для этого нужно создать в соломинке избыточное давление – тогда уровень жидкости в ней будет падать, чтобы скомпенсировать его, пока воздух не дойдет до конца соломинки.
Если теперь взять два сообщающихся открытых сосуда, а потом один запаять – получится почти тоже самое. Только теперь вы не управляете воздухом в запаяной части, не можете повысить или понизить его давление.
Этот воздух управляет уровнем жидкости в запаяной части – если воздух давит сильно, высота жидкости в этой части падает, пока не сможет уравновесить давление воздуха, и наоборот, когда воздух давит слабо. Но отчего зависит, как сильно давит воздух в запаяной части? Давление в сообщающихся сосудах должно быть одинаково в обеих частях, значит давление запаяной части (и высота столба жидкости в нём) зависит от давления в незапаяной части, которая сообщается с атмосферой. Получается, именно атмосфера определяет, какова будет высота столбца жидкости в запаяной части. И таким образом был создан первый барометр.
Источник: maximumtest.ru