Звуковловники та їх застосування.

Здатність наших вух визначати напрям звуків широко використала техніка.

Чутливість вух щодо точного ми визначення напрямів звуків можна збільшити, якщо прикласти до них довгі рупори (рис.124) Вона зростає пропорціонально збільшенню збільшенню віддалі між рупорами порівняно з віддаллю між нашими вухами, тобто в ^b/_a.

Уже під час світової війни цей метод застосовували, щоб визначити місце ворожих артилерійських батарей, підслухувати й визначати напрями підземної та підкопної роботи.

Останнім часом роблять дуже вдосконалені звуковловники, що дають змогу за шумом мотора дізнатися, що десь летить аероплан (рис. 125). Спостерігач прикладає до вух рупори, що обертаються навколо вертикальної осі й дають змогу визначити напрям звуків у горизонтальній площині. Другий спостерігач слухає в рупори, що обертаються навколо горизонтальної осі, і визначає напрям звуків у вертикальній площині.

Рис.124.

За допомогою таких звуковловників можна виявити. аероплан, що летить десь за хмарами, або навіть уночі.

Звуки під водою ловлять спеціальними звуковловниками, так званими гідрофонами, що являють собою різні типи мікрофонів. Гідрофонів звичайно вживають парами, що дає змогу не тільки ловити звук, який іде від підводного човна, а її визначати його напрям, а це має дуже велике значення, коли треба визначити місце підводного човна.

Таким способом на всьому шляху корабля можна вимірювати глибину й акустично вивчати профіль морського дна.

Рис.125.

Звуки, що поширюються в землі, виявляють геофонами — звуковловниками, прикладаючи їх мембраною до скелі або до землі.

Рис. 126.

Розглянемо дуже важливе застосування звуковловників під час геологічних розвідок (рис. 126). Ставимо парний геофон у точці В. На віддалі А від геофона видобувають сильний звук. Спостерігач у точці В наслідком цього почує кілька звуків. Одна звукова хвиля переходить з А до В по поверхні, а друга — лінією АСВ, відбиваючись від верхньої границі досліджуваної нашої твердої породи. Глибину її залягання визначають так само, як виміряють глибину моря. Третя хвиля прийде в В по ADB і утвориться наслідком відбиття від нижньої границі нашої твердої породи. Знаючи її напрям, можна визначити глибину нижньої границі породи, а звідси її товщину шара породи.

X. РІДИНИ

Загальні властивості рідин

Рідини відмінні від твердих тіл великою рухливістю своїх частинок. Через це вони не мають певної форми, а набирають форми тієї посудини, де вони знаходяться.

Рідини займають певний об'єм і чи­нять великий опір силам, що намага­ються його змінити. Ще у XVII ст. пробували стиснути рідину. Англійський учений Бекон ви­готовив порожню всередині товстостінну свинцеву кулю, наповнив її водою і ста­ранно закрив. Після цього вдарив по ній молотком, щоб зменшити її внутрішній об'єм і тим самим стиснути воду, що була в ній. Цей дослід успіху не мав, вода виступала назовні через пори свинцю краплями. Тому деякий час вва­жали, що рідини зовсім нестискні.

Справді ж, як довели досліди, під впливом великого тиску об'єм рідини, хоч і небагато, але зменшується. Прилади, якими вимірюють стисливість рідин, називають піезометрами. На рисунку 127 зображено піезометр, яким користувався вчений Амага в своїх численних дослідженнях над стисливістю рідин.

Стальний товстостінний циліндр наповнений гліцерином. У ниж­ній частині циліндра була ртуть. Досліджувану рідину наливали в колбу з капілярною трубкою С, відкритий кінець якої опускали в ртуть. Коли збільшувався тиск у циліндрі на гліцерин, випро­бовувана рідина в колбі стискувалась, ртуть в капілярі підносилась.

Циліндр був непрозорий; через це, щоб визначити висоту підняття ртуті, у стінку трубки було впаяно ряд платино­вих дротинок, сполучених з платиновими спіральками D. Верхня дротинка сполучалась через ізольований провід з гальванометром, увімкнутим у коло елемента, другий полюс якого був сполучений із стінками посудини. У міру заповнення капіляра ртуттю пла­тинові спіральки занурювалися у ртуть, загальний опір кола зменшувався, і величина струму в гальванометрі збільшувалась. На підставі цього можна було точно обчислити, наскільки зменшився об'єм рідини. Амага у своїх дослідах доводив тиск на рідину до 3000 атмосфер. Величина, на яку зменшується одиниця об’єму рідини при збільшенні тиску на рідину на 1 атмосферу, називається коефіцієнтом стиску.

Для води коефіцієнт стиску 0,000047, для ртуті — 0,0000035.

Це означає, що при збільшенні тиску на 1 атмосферу об'єм води зменшується на 0,000047 і ртуті —на 0,0000033 своєї почат­кової величини.

Якщо прострелити відкритий дерев'яний порожній ящик руш­ничною кулею, то, крім невеликого отвору, ніяких інших наслідків не буде. Цілком несподівані результати будуть, якщо такий ящик наповнити водою і збоку прострелити кулею. Ящик при цьому розлетиться на тріски. Цей, на перший погляд дивний результат можна пояснити так.

Вода, не встигнувши наслідком інерції піднятися вгору, стискається на величину об'єму кулі. Утворені при цьому сили тиску на стінки розбивають ящик вщент.

Запитання.

1. Які загальні властивості рідин?

2. Для чого служить піезометр ?

3. Що називають коефіцієнтом стиску ?

4. Рідина під тиском P₁ атмосфер займала об'єм V₁, а при збільшенні тиску до P₂ атмосфер об'єм її дорівнював V₂. На підставі цих даних визначити коефі­цієнт стиску рідини (α).

Вільна поверхня рідини

Безпосереднім наслідком рухо­мості частинок рідини є те, що вільна поверхня у спокійному стані завжди горизонтальна.

Справді, припустимо, що в якійнебудь посудині ABCD вільна поверхня рідини є крива (рис. 128).

Сила P діє на частинку у вертикаль­ному напрямі. Розкладемо цю силу на дві сили: на силу F₁, перпендикулярну до поверхні рідини у точці а, і на силу F₂, паралельну з поверхнею. Сила F₁ при­тискує частинку до маси рідини і знищується її опором. Під впливом скла­дової F₂ усі частинки кривої поверхні рі­дини рухатимуться доти, доки поверхня набере такої форми, при якій складова F₂ дорівнюватиме нулеві, і поверхня рідини стане перпендикулярна до сили тяжіння (рис. 129). Цим умовам відповідає горизонтальна площина.

За плоску поверхню ми можемо вважати лише поверхню рідини у невеликих водоймах, припускаючи, що на невеликих ділянках напрями сил тяжіння, що діють на окремі частинки рідини, пара­лельні. Сила ваги напрямлена до центра Землі, то для великих водойм, наприклад — озер, морів, напрями сил ваги будуть непаралельні, і вся поверхня рідини буде не плоскою, а кулястою.

Під дією різних сил (наприклад, сили тяжіння) рідина може пе­ребувати або в рівновазі, або в русі. Прикладом рівноваги рідини може бути вода у склянці, в озері, коли немає вітру; прикладом руху — текуча річка або вода у водо­проводі. Рівновагу рідин під дією сил вивчає гідростатика, рух — гідродинаміка.

Гідростатика розвинулась у зв'язку з потребами техніки. У XV — XVlI ст. в Голландії провадились величезні роботи в сфері зрошення; споруджували греблі, якими захищали кра­їну від натиску моря. У багатьох країнах у цей час розвива­ється будування каналів і шлюзів, спорудження насосів для водопостачання та викачування води з шахт.

Розв'язуючи практичні завдання, що виникли при цьому, відкрили найважливіші закони гідростатики. Основоположни­ком гідростатики як науки вважають французького вченого Паскаля (1633 — 1662 pp.) і голландського інженера Стевіна (1548 — 1620 pp.).

Тиск і сила тиску

Вивчаючи далі властивості рідин і газів, ми не раз матимемо справу з поняттям „тиск". Уточнимо це поняття.

Тиском називають величину, що дорівнює силі, яка діє на одиницю поверхні.

Якщо, наприклад, на площину 50 см² діє сила 200 кг, то на кожний квадратний сантиметр припадає 4 кг, що позначається так: 4 кг/см².

Позначаючи діючу силу буквою f, площу буквою S і тиск, буквою р, для обчислення тиску дістанемо формулу:

За одиницю тиску береться такий тиск, коли на одиницю площі діє одиниця сили.

Взявши за одиницю сили 1 Н, за одиницю площі 1 см², дістанемо одиницю тиску в системі СІ : 1 Н /см².

Запитаная та вправи.

1. Як визначають тиск?

2. Якими одиницями виміряють тиск у системі СІ ?

3. Барометр показує тиск на 750 мм стовпа ртуті. Визначити цей тиск в Паскалях.

4. Визначити граничну висоту заводської труби складеної з цегли, якщо дозволена вага на цеглу 11 кг/см², а питома вага цегли 1,84 г/см³.

Передавання тиску рідиною

Наповнимо посудину рідиною (рис. 130) і ручкою C натиснемо на поршень В. Рідину ми можемо собі уявляти, як окремі, що вільно переміща­ються між собою, частинки. Тоді частинки верхнього шару, що лежать безпосередньо під поршнем, пересуватимуться в просторі між ча­стинками дальшого шару, тиснутимуть на них і розсуватимуть їх у всі сторони. Розсунені ча­стинки своєю чергою пересуватимуться в су­міжні з ними шари частинок і також тиснути­муть і розсуватимуть їх і т. д.

Отже, тиск на поршень передаватиметься у всіх напрямах від частинки до частинки аж до стінок посудини, які тискові частинок діятимуть рівний і протилежно напрямлений опір. Якщо стінки посудини неміцні, то вони розірвуться, якщо еластичні, то вигнуться назовні у всіх напрямах.

Рідкі тіла наслідком рухомості своїх ча­стинок передають зовнішній тиск у всі сторони.

Закон Паскаля

Нехай А і В будуть рухомі поршні, площі яких відповідно дорівнюють S₁ і S₂, і хай поршень А під дією сили F₁ пересунувся на довжину l₁, (рис. 132). Робота, витрачена на пересування цього поршня, передається на поршень В, який при цьому висувається на довжину l₂. Якщо припустити, що рідина зовсім нестискна, то об'єм її, витискуваний поршнем А при цьому переміщенні, дорівнюватиме об'ємові, утворюваному при русі поршня В, тобто

Робота при переміщенні поршня А дорівнює:

а при переміщенні поршня В:

За законом зберігання енергії ці роботи дорівнюють одна одній:

або

Якщо тиск на площу поршня А позначити буквою р₁ ,а тиск на площу поршня В буквою р₂, то

Підставляючи добуті вирази у попередні формули, отримаємо , а через те, що , то, скорочуючи на них обидві частини рівності, отримаємо:

Тиск на рідину, уміщену в замкнутій посудині, передається рідиною на всі сторони рівномірно.

Закон передачі тиску рідинами встановив французький учений Паскаль 1653 p., ще задовго до відкриття закону збе­рігання енергії. Цей закон називаємо закон Паскаля.

Отже, закон Паскаля е лише висновок із загальнішого закону природи — закону зберігання енергії. Із закону Паскаля слідує,

що сила тиску, передана ріди­ною на стінки посудини, пропорційна площі стінки. Справді,

і

Поділивши почленно ці рів­ності і скоротивши отримаємо:

Сили, що діють на поршні, прямо пропорційні площам поршнів.

Отже, діючи малою силою на малу поверхню, ми можемо перемогти великий опір, що діє на велику поверхню цієї рідини. На цьому принципі заснована бу­дова гідравлічного преса.

Гідравлічний прес застосову­ється дуже широко. Його вжи­вають при пресуванні ма­теріалів: паперу, сіна, бавовни. Гідравлічним пресом згинають товсті металічні плити, штампу­ють металічні речі, пробивають отвори в товстих аркушах, ви­пробовують міцність різних матеріалів.

Передавачем сили у преса може бути всяка рідина. У техніці проте найчастіше вживають олійних пресів. З допомогою гідравлічних пресів можна розвинути силу понад 10000 тонн. Гідравлічний прес, розріз якого видно на рисунку 133, складається з двох сполучених між собою міцних металічних циліндрів з поршнями. Циліндри сполучаються металічною труб­кою і наповнені олією. Предмет для пресування кладуть на платформу, сполучену з великим поршнем, і стискують між ними і нерухомою верхньою платформою W, укріпленою на масивних колонах. Коли підіймають ручку малого

поршня вгору, клапан А, що сполучає малий циліндр з додатковим резервуа­ром О, підіймається, і олія надходить у малий циліндр. При спусканні ручки поршня, а значить, і самого поршня, олія стискується, клапан А закривається. Одночасно клапан В, що сполучає малий циліндр з великим, відкривається і олія надходить у великий циліндр, натискуючи на великий поршень. Платформу P опускають за допомогою клапана V. Відкриваючи його, впускають олію з циліндра C у приймач G. На законі Паскаля засновано також будову гідравлічних підіймачів, або елеваторів. Використовують їх у будинках і на заводах, щоб підіймати вантаж і людей (рис. 134).

Під простором, де рухається клітка підойми, будують циліндричний колодязь з водонепроникними стінками. У колодязі ходить поршень, довжина якого дорівнює висоті підняття вантажу. Якщо вода під певним тиском (наприклад, із водопроводу) потрапляє по трубі в колодязь, то пор­шень починає разом із скріпленою з ним кліткою підніматися вгору. Частину ваги самої підойми зрівноважують перекиненим через блок вантажем О.

Гідравлічні преси й підойми належать до типу, так званих, гідравлічних машин, що працюють тиском рідин. У всіх цих ма­шинах, крім корисних вантажів, доводиться підіймати частини самих машин: поршні, клітки, канати тощо. Такі вантажі назива­ються мертвими, або некорисними. Крім того, при пересуванні рідин частинки труть­ся одна об одну і об поверхню циліндрів, поршнів і труб. Далі, може просо­чуватися рідина через сполуки. Усе це приводить до деяких втрат тиску і зму­шує прикладати зусилля, більші на 10 — 20% проти теоретичних.

Запитання та вправи.

1. Вивести закон Паскаля із закону зберігання енергії.

2. Як збудований і для чого потрібний гідравлічний прес ?

3. Як збудована гідравлічна підойма ?

4. Сила, що діє на малий поршень, дорівнює 12 кг. Площі малого й великого поршня 8 см² і 600 cm². Знайти силу, що розвивається на великому поршні. Вагу поршнів до уваги не брати.

5. На пресі треба мати силу тиску на 6 т. Знайти силу, яку треба прикласти до малого поршня, якщо діаметри поршнів будуть 1,5 см і 30 см ?

6. На малий поршень преса діє сила 10 кг. Переміщення поршня дорівнює 10 см. Яка сила діє на великий поршень, якщо він перемістився на 0,2 см?

7. На довге плече важеля преса діють силою 5 кг. Відношення плечей важеля дорівнює 1:10. Визначити силу тиску на великий поршень, якщо діаметри поршнів дорівнюють 3 см і 60 см.

8. Радіус малого поршня преса 2 см.На малий поршень діє сила в 25 кг. Визначити силу тиску на великий поршень, якщо його радіус 10 см.