Статика жидкостей и газов

Очень большое значение закон Архимеда имеет в технике  бурения. Буровая колонна для  бурения глубоких скважин уже  на глубине 5 км в воздухе имела  бы вес 226 тонн. Однако в промывочной  жидкости плотностью 2 г/см3 в соответствии с законом Архимеда вес буровой  колонны будет сильно уменьшен. Алюминиевые  трубы «теряют» в весе в этих условиях до 50%. Подбором промывочной жидкости можно намного уменьшить вес  буровой колонны. Это в огромной степени способствует успеху бурения. 

Используя законы гидростатики, человек все полнее познает условия  жизни в водной среде и все  больше подчиняет водную стихию своей  власти.

Глава 2. Аэростатика

Механические  свойства газов

Механические свойства газов во многом сходны со свойствами жидкости. Как и жидкости, газы чрезвычайно  подвижны и совершенно не обладают упругостью по отношению к изменению  формы; по отношению же к изменению  объема газы упруги: силы давления газа — это силы его упругости. Чем  сильнее сжат газ, тем с большими силами давления он действует на соприкасающиеся  с ним тела. Силы давления покоящегося  газа, как и жидкости, всегда перпендикулярны  к поверхности соприкасающихся с ним тел.

Давлением газа называется, как и в случае жидкостей (§ 144), отношение силы давления, действующей  со стороны газа на какой-нибудь участок  поверхности соприкасающегося с  ним тела, к площади этого участка. Как и в жидкостях, давление газа в данной точке не зависит от ориентации участка поверхности, на который  оно действует. Для газов справедлив также закон Паскаля: давление, создаваемое  поверхностными силами, передается без изменения в каждую точку газа.

Однако в механических свойствах газов и жидкостей  имеются и существенные различия. Плотность газов в обычных  условиях примерно в тысячу раз меньше плотности жидкостей. Например, масса  кубического метра воздуха равна  всего 1,3 кг, а масса кубического метра воды равна одной тонне.

Обычно недооценивают  массу тех или иных объемов  газа. Заметим, что масса воздуха, проходящего при дыхании через  легкие человека, составляет примерно 20—30 кг за сутки. Воздух в небольшей  комнате имеет массу 30—40 кг, Электровоз везет в вагонах пассажирского  поезда примерно 2 тонны воздуха. 

Очень важным отличием газов от жидкостей является отсутствие у газов определенного собственного объема. Водой можно заполнить  сосуд до половины, но газ всегда целиком заполняет весь сосуд, в  котором он находится. Нет никакого предела для увеличения объема данной массы газа, если на него не действует  сила тяжести или если его расширению не кладется предел стенками сосуда. Поэтому  газы никогда не образуют свободной поверхности.

Далее, газы сжимаемы в тысячи раз более, чем жидкости. Плотность жидкости меняется ничтожно даже при очень большом давлении. Напротив, сильно сжать газ и тем  самым сильно увеличить его плотность  можно уже сравнительно малым давлением. Мы увидим, что при сжатии или расширении газа его давление растет или убывает в том же отношении, что и плотность (при условии, что температура газа не изменилась).

Ручным насосом  легко накачать в автомобильную  шину воздух, занимавший в атмосфере  вчетверо больший объем, т. е. увеличить  плотность и давление воздуха  в шине вчетверо по сравнению с  атмосферным воздухом. В кислородных  баллонах, применяемых при автогенной резке и сварке металлов, кислород сжат до давления 150 атм. Плотность газа при этом также оказывается увеличенной  в 150 раз — примерно до плотности  пробки. Если из такого баллона выпустить  весь кислород в атмосферу, то он занял  бы объем, в 150 раз больший объема баллона (рис. 272). В то же время вода, сжатая до давления 150 атм, увеличила  бы свою плотность лишь на 0,75% (и на такую же долю увеличила бы свой объем при выпуске из баллона).

Закон Архимеда для газов 

На поверхность  твердого тела, погруженного в газ, действуют силы давления газа, равнодействующая которых направлена вверх. Это выталкивающая  сила газа. Точно так же, как мы это сделали в главе о жидкостях, можно доказать, что выталкивающая сила равна весу газа в объеме погруженного в газ тела. 

Возникновение этой силы объясняется, так же как и  для жидкостей, тем, что нижние слои газа сжаты сильнее, чем верхние, и поэтому давление на нижнюю часть  тела больше, чем на его верхнюю  часть. 

Обнаружить существование  выталкивающей силы в газе можно  так. Поместим под колокол воздушного насоса рычаг, на одном конце которого укреплен большой полый стеклянный шар, а на другом — уравновешивающая его маленькая гирька). Откачивая  воздух из колокола, увидим, что равновесие рычага нарушится и шар начнет опускаться. Это объясняется тем, что при откачке воздуха устраняется  выталкивающая сила: на тело в пустоте  действует только сила тяжести. Так  как для большого шара выталкивающая  сила больше, чем для гирьки, то посладаления воздуха шар перевешивает гирьку. Выталкивающую силу воздуха приходится принимать во внимание при точном определении массы тела путем  взвешивания, вводя соответственную  поправку как для взвешиваемого  тела, так и для гирек.

Физиологическое действие пониженного давления воздуха

Поднимаясь  в горы, человек попадает в область  пониженного давления воздуха; на значительной высоте понижение давления приводит к целому ряду болезненных явлений, получивших название горной болезни. 

Самым важным обстоятельством является нехватка кислорода; при каждом вдохе в  легкие человека попадает определенный объем воздуха; чем более разрежен воздух, тем меньшая масса его  и, значит, тем меньшая масса его  составной части — кислорода  — попадает в легкие при каждом вдохе. При умеренной высоте подъема  это отчасти компенсируется учащением  дыхания; при дальнейшем подъеме  становится необходимым применение кислородных приборов, дающих возможность  дышать запасенным чистым кислородом. 

Особенно важное значение имеет применение кислородных  приборов в высотной авиации. На больших  высотах, достигаемых в настоящее  время стратостатами и самолетами, искусственное питание организма  чистым кислородом уже невозможно. На таких высотах человек может  существовать лишь в герметически закрытой кабине, в которую нагнетают до достаточного давления наружный разреженный  воздух. На высотах, достигаемых искусственными спутниками Земли, атмосфера практически  отсутствует. Поэтому снабжать воздухом закрытые кабины спутников можно  только из взятого с собой запаса сжатого воздуха или кислорода.

Вывод по 2 главе: 

Список литературы:

1. Тимченко, В.И. Гидравлика: практикум для студентов / В.И. Тимченко; Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса. – Шахты: ЮРГУЭС, 2010. – 41 с.
2. Гидравлика. Гидравлические и пневматические системы: практикум / В.И. Тимченко. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2008. – 53 с.
3. Курс общей физики. А.С.Шабулин
4. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод: учеб.пособие для вузов / Т.В. Артемьева [и др.]; под ред. С.П. Стесина. – М.: Академия, 2009. – 336 с.
5. Сологаев, В.И. Механика жидкости и газа: конспекты лекций / В.И. Сологаев; СибАДИ. – Омск, 2010. – 56 с.
6. Механика жидкости и газа: пособие / К.Г. Донец; Южно-Рос. гос. ин-т экономики и сервиса (филиал). – Шахты: ЮРГУЭС, 2008. – 48 с.
7. Башта, Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов [и др.]. – 2-е изд., перераб. – М.: Машиностроение, 2010. – 423 с.
8. Физика для поступающих в вузы. Е.И.Бутиков;А.А.Быков;А.С.Кандратьев