Физика сообщающиеся сосуды. Применение сообщающихся сосудов

Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные между собой ниже уровня жидкости в каждом из сосудов. Таким образом жидкость может перемещаться из одного сосуда в другой. Перед тем как понять принцип действия сообщающихся сосудов и варианты их использования необходимо определиться в понятиях, а точнее разобраться с основным уравнением гидростатики.

Закон сообщающихся сосудов

Итак, сообщающиеся сосуды имеют одно общее дно и закон о сообщающихся сосудах гласит:

Какую бы форму не имели такие сосуды, на поверхности однородных жидкостей в состоянии покоя на одном уровне действует одинаковое давление.

Для иллюстрации этого закона и возможностей его применения начнем с рассмотрения основного уравнения гидростатики.

Основное уравнение гидростатики

где P1 – это среднее давление на верхний торец призмы,
P – давление на нижний торец,
g – ускорение свободного падения,
h – глубина погружения призмы под свободной поверхностью жидкости.

ρgh – сила тяжести (вес призмы).

Звучит уравнение так:

Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается в жидкости одинаково во всех направлениях.

Из написанного выше уравнения следует, что если давление, например в верхней точке изменится на какую-то величину ΔР, то на такую же величину изменится давление в любой другой точке жидкости

Доказательство закона сообщающихся сосудов

Возвращаемся к разговору про сообщающиеся сосуды.

Предположим, что имеются два сообщающихся сосуда А и В, заполненные различными жидкостями с плотностями ρ1 и ρ2. Будем считать, что в общем случае сосуды закрыты и давления на свободных поверхностях жидкости в них соответственно равны P1 и P2.

Пусть поверхностью раздела жидкостей будет поверхность ab в сосуде А и слой жидкости в этом сосуде равен h1. Определим в заданных условиях уровень воды в сообщающихся сосудах – начнем с сосуда В.

Гидростатическое давление в плоскости ab, в соответствии с уравнение гидростатики

если определять его, исходя из известного давления P1 на поверхность жидкости в сосуде А.

Это давление можно определить следующим образом

где h2 – искомая глубина нагружения поверхности ab под уровнем жидкости в сосуде В. Отсюда выводим условие для определения величины h2

P1 + ρ1gh1 = P2 + ρ2gh2

В частном случае, когда сосуды открыты (двление на свободной поверхности равно атмосферному), а следовательно P1 = P2 = Pатм, имеем

ρ1 / ρ2 = h2 / h1

т.е. закон сообщающихся сосудов состоит в следующем.

В сообщающихся сосудах при одинаковом давлении на свободных поверхностях высоты жидкостей, отсчитываемые от поверхности раздела, обратно пропорциональны плотностям жидкостей.

Свойства сообщающихся сосудов

Если уровень в сосудах одинаковый, то жидкость одинаково давит на стенки обоих сосудов. А можно ли изменить уровень жидкости в одном из сосудов.

Можно. С помощью перегородки. Перегородка, установленная между сосудами перекроет сообщение. Далее доливая жидкость в один из сосудов мы создаем так называемый подпор – давление столба жидкости.

Если затем убрать перегородку, то жидкость начнет перетекать в тот сосуд где её уровень ниже до тех пор пока высота жидкости в обоих сосудах не станет одинаковой.

В быту этот принцип используется например в водонапорной башне. Наполняя водой высокую башню в ней создают подпор. Затем открывают вентили, расположенные на нижнем этаже и вода устремляется по трубопроводам в каждый подключенный к водоснабжению дом.

Приборы основанные на законе сообщающихся сосудов

На принципе сообщающихся сосудов основано устройство очень простого прибора для определения плотности жидкости. Этот прибор представляет собой два сообщающихся сосуда – две вертикальные стеклянные трубки А и В, соединенные между собой изогнутым коленом С. Одна из вертикальных трубок заполняется исследуемой жидкостью, а другая жидкостью известной плотности ρ1 (например водой), причем в таких количествах, чтобы уровни жидкости в среднем колене находились на одной и той же отметке прибора 0.

Затем измеряют высоты стояния жидкостей в трубках над этой отметкой h1 и h2. И имея ввиду, что эти высоты обратно пропорциональны плотностям легко находят плотность исследуемой жидкости.

В случае, когда оба сосуде заполнены одной и той же жидкостью – высоты, на которые поднимется жидкость в сообщающихся сосудах, будут одинаковы. На этом принципе основано устройство так называемого водометного стекла А. Его применяют для определения уровня жидкости в закрытых сосудах, например резервуарах, паровых котлах и т.д.

Принцип сообщающихся сосудов заложен в основе ряда других приборов, предназначенных для измерения давления.

Применение сообщающихся сосудов

Простейшим прибором жидкостного типа является пьезометр, измеряющий давление в жидкости высотой столба той же жидкости.

Пьезометр представляет собой стеклянную трубку небольшого диаметра (обычно не более 5 мм), открытую с одного конца и вторым концом присоединяемую к сосуду, в котором измеряется давление.

Высота поднятия жидкости в пьезометрической трубке – так называемая пьезометрическая высота – характеризует избыточное давление в сосуде и может служить мерой для определения его величины.

Пьезометр – очень чувствительный и точный прибор, но он удобен только для измерения небольших давлений. При больших давлениях трубка пьезометра получается очень длинной, что усложняет измерения.

В этом случае используют жидкостные манометры, в которых давление уравновешивается не жидкостью, которой может быть вода в сообщающихся сосудах, а жидкостью большей плотности. Обычно такой жидкостью выступает ртуть.

Так как плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды и при измерении одних и тех же давлений трубка ртутного манометра оказывается значительно короче пьезометрической трубки и сам прибор получается компактнее.

В случае если необходимо измерить не давление в сосуде, а разность давлений в двух сосудах или, например, в двух точках жидкости в одном и том же сосуде применяют дифференциальные манометры.

Сообщающиеся сосуды находят применение в водяных и ртутных приборах жидкостного типа, но ограничиваются областью сравнительно небольших давлений – в основном они применяются в лабораториях, где ценятся благодаря своей простоте и высокой точности.

Когда необходимо измерить большое давление применяются приборы основанные на механических принципах. Наиболее распространенный из них – пружинный манометр. Под действием давления пружина манометра частично распрямляется и посредством зубчатого механизма приводит в движение стрелку, по отклонению которой на циферблате показана величина давления.

Видео по теме

Ещё одним устройством использующим принцип сообщающихся сосудов хорошо знакомым автолюбителем является гидравлический пресс(домкрат). Конструктивно он состоит из двух цилиндров: одного большого, другого маленького. При воздействии на поршень малого цилиндра на большой передается усилие во столько раз большего давления во сколько площадь большого поршня больше площади малого.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное

Учреждение муниципального образования Плавский район

Применение

Сообщающихся сосудов

Подготовила: Лаврова Татьяна

Ученица 7 класса, 15.07.2004г.р

Проверила: учитель физики

Шевцова Л.Н.

2018 г.

Цели и задачи:

Изучить свойства сообщающихся сосудов.

Показать широкое применение сообщающихся сосудов в быте, технике и природе.

Краткая теория

Сообщающиеся сосуды - это сосуды, соединенные ниже поверхности жидкости, так что жидкость может перетекать из одного сосуда в другой. В таких сосудах однородная жидкость устанавливается на одном уровне, а разные по плотности жидкости имеют разную высоту столба. Кроме того, не важно, какую форму будут иметь такие сосуды - уровень однородной жидкости остаётся одинаковым!!

Сообщающиеся сосуды нужны для того, чтобы перекачивать воду в любом направлении без насоса. Если бы не сообщающиеся сосуды, то для каждого фонтана требовались бы насосы. В Петергофе, к примеру, все фонтаны естественные и без насосов, это заслуга сообщающихся сосудов.

Применение сообщающихся сосудов .

В ПРИРОДЕ

Все моря и океаны мира являются сообщающимися сосудами. Ведь они соединены между собой проливами.

Акведук – это водяной желоб, поддерживаемый мостами. Вода бежит по акведуку над впадинами, холмами под действием собственного веса – от горных потоков к городам, расположенных в долине.

Артезианская скважина.

Такая скважина работает по принципу сообщающихся сосудов.Под слоем почвы в низких местах скапливается вода.
После бурения скважины вода поднимается вверх до уровня верхних горизонтов грунтовых вод

Кровеносно-сосудистая система человека или животного состоит из сообщающихся сосудов.

Водонасыщенные пласты горных пород с системой колодцев (гейзеры)

К примеру, горячий фонтан в местечке Гейзер в Исландии. От названия этого местечка возник термин “гейзер”.

В МЕДИЦИНЕ

Капельница, разновидность клизмы.

В БЫТУ

Использование всех видо сифонов в бытовых устройствах, где используется вода.

2. Современный водопровод

Шлюзовые камеры, разного рода доки на судоремонтных предприятиях, гидравлические домкраты, чернильцы – непроливашки, некоторые картриджи струйных принтеров,

6.Водонапорная башня

Кроме уже упомянутых леек и чайников, вода в наши дома поступает именно благодаря этому закону. Как мы добываем чистую воду из-под земли? Выкачиваем насосом. Но нельзя же подключить по насосу к каждому крану и к каждой квартире. Поэтому придумали следующую схему – воду накачивают в водонапорную башню, представляющую из себя, по сути, огромный бак на большой высоте. А оттуда по закону сообщающихся сосудов вода под давлением течет в наши дома и льется их кранов, стоит только их открыть.

6. Использование водяного уровня при строительстве

Одно из любопытных явлений, связанное с гидростатикой - сообщающиеся сосуды. Казалось бы, всё здесь просто, но, тем не менее, они дают прекрасный повод познакомиться с примером работы атмосферного давления и окунуться в далёкое прошлое.

Чтобы освежить в памяти сведения, сообщающиеся сосуды, вспомним простой опыт, проводимый раньше на уроках физики в школе. На одной плоскости размещаются несколько разных по форме сосудов - круглых, прямоугольных, цилиндрических, в виде конуса, и соединяются трубкой на уровне дна. В один из этих сосудов начинает наливаться вода, через соединительную трубку вода будет поступать во все сосуды, и, что удивительно, во всех сосудах, независимо от формы последних, вода находится на одном уровне.

Обусловлено это тем, что все они находятся под одним атмосферным давлением, а раз они расположены на одном уровне, то и жидкость, помещённая в них, будет находиться на одном уровне, потому что во всех сосудах находится под тем же давлением.

Кстати, простейшее практическое применение сообщающихся сосудов мы получаем, когда наливаем воду из чайника. Пока чайник стоит ровно, уровень воды в самом чайнике и в его носике одинаков, т.к. чайник и носик являются сообщающимися сосудами. Уровень края носика чайника выше уровня воды. Если мы наклоняем носик чайника ниже то она начинает из него вытекать.

Существует простое следствие из изложенного. Если сообщающиеся сосуды находятся на разной высоте, то на выходе трубки, соединяющей эти сосуды, будет действовать давление. Его величина равна давлению столба воды, равного разности высот между сосудами. Всё очень просто - если сосуды расположены на разной высоте, то вода из верхнего сосуда будет перетекать в нижний.

Если посмотреть историю техники, то существует множество случаев, когда использовались сообщающиеся сосуды; физика, которая стоит за этим явлением, порой действительно позволяет творить чудеса. Как прекрасны А ведь они построены без применения сложной техники, электромоторов и прочей машинерии, которой непременно воспользовались бы сегодняшние специалисты. А здесь в чистом виде используются сообщающиеся сосуды. Пруды с водой расположены выше уровня фонтанов, что обеспечивает поступление к ним воды без всяких механизмов под давлением атмосферы. Это просто красиво, и этим нельзя не восхищаться.

Или другой пример, всем близкий и понятный. Водонапорная башня. Вода, закачанная в башню и располагающаяся на большой высоте, самотёком поступает в дома, и не только на первые этажи. Здесь опять работают сообщающиеся сосуды. Давление, величина которого обусловлена разностью высот между водонапорной башней и краном водопровода, обеспечит подачу воды и на верхние этажи.

Бедные римляне! О сообщающихся сосудах они ничего не знали и, когда строили свои акведуки для снабжения городов водой, всегда делали их с постоянным понижением от источника, хотя во многих местах могли бы следовать рельефу почвы и пускать трубы вверх по небольшим склонам. Но они всегда строили акведуки на высоте и с постоянным уклоном от источника.

А вот китайцы о сообщающихся сосудах знали и, используя их свойства, стали строить шлюзы. Принцип работы очень прост. Рядом расположены две шлюзовые камеры, соединенные между собой специальным каналом. Шлюзовые ворота закрываются, после этого открывается канал, соединяющий между собой обе камеры, и вода по закону о сообщающихся сосудах перетекает на более низкий уровень. Используя систему таких шлюзов, можно было осуществлять движение судов на участках, имеющих значительный перепад высот.

Конечно, изложенное здесь не охватывает всех случаев практического применения сообщающихся сосудов, но позволяет получить представление о том, что собой представляет этот замечательный физический закон, и как он воплощается в повседневную жизнь.

Знаете ли вы, что чайник, кофейник, лейка - это не просто кухонные или огородные принадлежности, но еще и наглядный бытовой пример сообщающихся сосудов.

Если вы вспомните тему «сообщающиеся сосуды» из курса физики за седьмой класс, то сообразите, что отдельные части приведенных выше емкостей, имеют соединение, заполненное (или легко заполняемое) водой. А именно такие сосуды, имеющие общие, соединяющие их части, наполненные жидкостью, и называют сообщающимися. И если вы присмотритесь повнимательнее, то увидите, что уровень воды в носике чайника или лейки всегда находится на том же уровне, что и уровень воды в основном отделении. И если наклонять чайник в разные стороны, то видно, как успокоившись, уровни воды становятся одинаковыми как в самом чайнике, так и в носике. Именно в этом и состоит принцип сообщающихся сосудов. И именно он помогает нам выливать нужное количество воды небольшой струйкой через носик чайника или лейки. В случае с ведром, например, выливать тонкой струйкой было бы гораздо сложнее.

Закон сообщающихся сосудов в физике

Итак, закон сообщающихся сосудов гласит:

"В сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне"

Причем, не имеет значения форма и размер сечения сосудов. Это четко видно на примере того же чайника с носиком. Объясняется этот закон довольно просто. Жидкость покоится, значит, давление в обоих сосудах на одинаковом уровне будет одинаково. Плотность у жидкости также одинакова, так как жидкость одна и та же, значит и высоты уровней жидкости будут одинаковыми. Если мы добавим жидкость в один из сосудов или просто изменим его уровень, то давление в нем изменится, и жидкость будет перетекать в другой сосуд вплоть до момента, пока сила давления не сравняется. Если же мы нальем в сосуды разные жидкости с различной плотностью, например, воду и масло, то уровни будут отличаться. Причем, высота жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба с меньшей плотностью.

Примеры и применение сообщающихся сосудов

Закон сообщающихся сосудов нашел широкое применение в человеческой жизнедеятельности. Кроме уже упомянутых леек и чайников, вода в наши дома поступает именно благодаря этому закону. Как мы добываем чистую воду из-под земли? Выкачиваем насосом. Но нельзя же подключить по насосу к каждому крану и к каждой квартире. Поэтому придумали следующую схему - воду накачивают в водонапорную башню, представляющую из себя, по сути, огромный бак на большой высоте. А оттуда по закону сообщающихся сосудов вода под давлением течет в наши дома и льется их кранов, стоит только их открыть. Свое применение закон сообщающихся сосудов нашел и в устройстве шлюзов на реках и каналах, при сооружении некоторых фонтанов и так далее.

В ходе этого урока вы познакомитесь с поведением жидкостей в сообщающихся сосудах, то есть двух или нескольких сосудах, соединенных друг с другом в нижней части так, что жидкость может свободно перетекать из одного сосуда в другой.

Тема: Давление твердых тел, жидкостей и газов

Урок: Сообщающиеся сосуды

Объектом нашего изучения может быть чайник с нашего кухонного стола, лейка, с помощью которой мы поливаем цветы, или более сложные устройства, такие, как артезианский колодец, водомерное стекло в паровом котле и даже водопровод. Все это устройства, работающие по принципу сообщающихся сосудов (Рис. 1).

Рис. 1. Примеры сообщающихся сосудов: чайник, садовая лейка, водомерное стекло парового котла

Простейшие сообщающиеся сосуды - это две трубки, соединенные между собой резиновым шлангом. Если налить жидкость в одну из этих трубок, то можно видеть, что уровень жидкости в обеих трубках (или, как принято говорить, в обоих коленах сообщающихся сосудов) установится на одной высоте. С чем это может быть связано?

На предыдущем уроке мы выяснили, что давление жидкости на дно и стенки сосуда зависит от плотности жидкости и высоты ее столба. Поскольку в левом и правом коленах находится одна и та же жидкость и высота столба жидкости в левом и правом коленах также одинакова, то и давление жидкости в обоих коленах одинаково. Следовательно, жидкость находится в равновесии.

Если изменять расположение колен в сообщающихся сосудах, поднимая или опуская одно из них, или даже наклоняя, то жидкость будет перетекать из одного колена в другое до тех пор, пока ее уровень в обоих коленах снова не установится на одной и той же высоте (Рис. 2).

Рис. 2. Уровни однородной жидкости в сообщающихся сосудах устанавливаются на одной высоте

Таким образом, уровни однородной жидкости в сообщающихся сосудах устанавливаются на одной высоте .

Это утверждение называют законом сообщающихся сосудов .

Данный закон выполняется не только для двух, но и для любого количества сообщающихся сосудов, независимо от того, какую форму они имеют и как расположены в пространстве (Рис. 3). Единственно, что необходимо - чтобы во всех сосудах находилась одна и та же (однородная) жидкость.

Рис. 3. Уровни однородной жидкости устанавливаются на одной высоте в сообщающихся сосудах любой формы

Что произойдет, если жидкость, заполняющая колена сообщающихся сосудов, не будет однородной? Например, пусть в левое колено налито подсолнечное масло, а в правое - подкрашенная вода. Эти жидкости не смешиваются между собой.

Оказывается, что уровень подсолнечного масла расположится на большей высоте, чем уровень воды (Рис. 4). Это связано с тем, что плотность подсолнечного масла меньше, чем плотность воды. Вспомним формулу давления жидкости на дно сосуда

Из этой формулы видно, что чем меньше плотность жидкости ρ , тем больше должна быть высота ее столба h , чтобы создать одно и то же давление.

Рис. 4. Уровень жидкости с меньшей плотностью устанавливается в сообщающихся сосудах на большей высоте

Таким образом, в сообщающихся сосудах уровень жидкости с меньшей плотностью устанавливается на большей высоте.

Итак, однородная жидкость в коленах сообщающихся сосудов будет устанавливаться на одной высоте, какой бы формы и сечения не были колена.

В случае неоднородной жидкости, имеет значение плотность жидкости, находящейся в коленах. Чем плотность жидкости больше, тем высота столба жидкости меньше.

Список литературы

Перышкин А. В. Физика. 7 кл. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010.
Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7-9 кл.: 5-е изд., стереотип. - М: Издательство «Экзамен», 2010.
Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. - 17-е изд. - М.: Просвещение, 2004.