Способи вимірювання малих тисків.

Щоб виміряти дуже малі тиски, користуються приладами, побудованими за найрізнома­нітнішими принципами. З них ми спинимося лише на ртутному манометрі Мак-Леода.

Манометр Мак-Леода (рис. 183) складається з скляної кулі H, у верхній частині якої є трубка K₁, з дуже вузьким кана­лом, з поділками, запаяна вгорі.

Нижня трубка X містить у собі ртуть, рівень якої можна змінювати, спускаючи й підіймаючи кулю G. Збоку цієї трубки біля кулі H є трубка А, яка, своєю чергою, має вертикальний канал K₂, діаметр якого дорівнює діаметрові канала трубки K₁.

Виміряючи тиск, досліджуваний простір сполучають трубкою а з манометром. Куля G у цей час стоїть у нижньому поло­женні, і всі трубки, вільні від ртуті, заповнюються газом того самого тиску, під яким перебуває газ у досліджуваній по­судині. Потім підіймають кулю G у верхнє положення (рис. 184). При цьому частина газу стала заперта у кулі H і трубці K₁.

При дальшому підійманні ртуті, газ поволі стискуючись, увійде з H в трубку К₁. Решта ртуті вільно підіймається трубкою K₂. Через те, що в трубці K₁ газ стиснений, у трубці K₁ і K₂ буде деяка різниця рівнів, яка дорівнюватиме тискові газу в трубці K₁, стисненого в певне число разів. Якщо об'єм кулі H дорівнює V, тиск газу, що був у ньому перед стисканням, дорівнює х(він дорівнює тискові газу в досліджуваному просторі), об'єм цього газу після стискання його в трубці K₁ дорівнює V₁, а різниця стовпів ртуті в трубках K₁ і K₂ дорівнює h,— то за законом Бойля - Маріотта можна написати:

звідки .

Наприклад, якщо:

см³ см³ мм,

то:

мм.

Манометром Мак - Леода можна виміряти тиски до 0,00001 мм. Запитання та вправи.

1. Як побудовано поршневий повітряний насос — всисний і нагнітальний?

2. Як побудовано насос Геде ?

3. Пояснити, як побудовано і як працює Лангмюірів насос ?

4. Пояснити, як побудований і як працює манометр Мак-Леода?

5. Об'єм резервуара, з якого викачують повітря, дорівнює 2400 см³.Ци­ліндр насоса має об'єм 1600 см³. Атмосферний тиск 756 мм. Яке буде роз­рідження після трьох підіймань поршня ?

6. Нагнітальним насосом накачується повітря в скляну кулю, ємністю в 2 л. Об'єм циліндра поршня насоса 0,5 л. Скільки разів треба опустити поршень, щоб згустити повітря до 4 am ? Обчислити вагу повітря в кулі.

Сифон.

Щоб переливати рідини з однієї посудини в дру­гу, застосовують сифон. В най­простішому вигляді сифон — це відкрита з обох країв зігнута трубка ACB (рис. 185), одне коліно якої довше, ніж друге. Якщо наповнити сифон рідиною і занурити коротке коліно в по­судину А, а довге — в посудину В, то рідина з посудини А пере­тікатиме сифоном у посудину В.

Рух рідини в сифоні можна порівняти з рухом перекиненого через блок ланцюжка (рис. 186), кінці якого спущені в посудини D і Е. Якщо підняти посудину D, то від дії ваги зайвої частини ланцюжок буде пере­міщуватися в посудину Е.

Сифону звичайно надають форми, показаної на рис. 187. Закрутивши кран А, через трубку ВАС втягають ротом у сифон рідину. Коли трубка ВАС наповниться, відкручують кран Аі далі сифон працює сам. Щоб рідина під час наповнення сифона ви­падково не потрапила в рот, у трубці AC є розшир D.

Закон Архімеда для газів

За законом Архімеда підіймальна сила, що діє на занурене в рідину тіло, дорівнює вазі рідини, витисненої цим тілом. Закон Архімеда стосується не тільки до рідин, а й до газів. Це можна показати на ряді дослідів.

На трубку E надівають зібгану гумову кульку F з тонкими стінками. Дослід проводять у такому порядку: затиск E закручують, а D відкручують; у пляшку через трубку D ручним насосом накачують деяку кількість повітря. Після цього затиск D закручують, і пляшку ставлять на шальку терезів. Для рівноваги на другу шальку кладуть гирі або дріб. Якщо після цього відкрити затиск E, частина повітря з пляшки ввійде в гумову кулю F, через це куля надується, об’єм її збільшеться й підіймальна сила повітря, що діє на весь прилад, і шалька з гирями переважить (рис. 189 ).

Почепимо до вкороченої шальки A терезів дволітрову колбу B, закриту гумовою пробкою, і зрівноважимо терези. Під колбу B підставимо широку посудину C так, щоб вона оточувала всю колбу, і наповнимо цю посудину вуглекислим газом (рис. 190). Рівновага терезів при цьому порушиться. Знову зрівноваживши терези, за вагою додаткових важків, покладених на другу шальку терезів, визначаємо різницю між підіймальною силою вуглекислого газу і повітря. У нашому випадку ця різниця дорівнює г, де 2000 см³—об'єм колби, 0,0019 г/см³— питома вага вуглекислого газу і 0,0013 г/см³— питома вага повітря.

При точних зважуваннях треба брати до уваги, що зважування проводиться в повітрі, а не в порожняві. За законом Архімеда на зважуване тіло, як і на важки, діє підіймальна сила повітря, що напрямлена вгору і дорівнює вазі натискуваного повітря. Якщо зважуване тіло і важки зроблені з одного матеріалу, то втрата на вазі не впливає на резуль­тат зважування. Здебільшого ж питома вага зважуваного тіла і важків не одна­кова, тобто вони мають різні об'єми. Тому при рівновазі в повітрі маси їх неоднакові. Маса тіла, що має об'єм біль­ший від об'єму важків, більша від маси важків. У цьому легко пересвідчитися на досліді з бароскопом (рис. 191). На одне плече невеликих терезів почіпляють скляну кулю, а на друге — мідний тя­гар, що зрівноважує його в повітрі. Якщо підставити бароскоп під ковпак повітряного насоса і розрідити в ков­паку повітря, то скляна куля перева­жить тягар.

Запитання та вправи.

1. В чому полягає закон Архімеда для газів?

2. Яка справжня маса латунної гирі, що її вага при нормальному атмосферному тискові 1кг, Густина латуні 8,4 г/см³.

3. Кусок алюмінію в повітрі важить 21,6 г, об'єм його 8 см^3. Визначити справжню густину алюмінію.

4. Мідна кулька об'ємом на 100 см³ в порожняві важить 890,13 г. Визначити її вагу в повітрі.

Основи повітроплавання

На всяке тіло, що є в повітрі, діють дві сили: вага тіла і підіймальна сила, яка дорівнює вазі повітря в об'ємі тіла.

Ця сила напрямлена вертикально вгору. Якщо підіймальна сила буде більша від ваги, тіло підійматиметься вгору, аж поки обидві сили зрівняються. Якщо вага тіла Р, вага повітря в об'ємі тіла F, то під впливом сили тіло прискорено підій­матиметься вгору. Очевидно, що менша вага тіла і що більший його об'єм, то більша буде і сила F₁ . Якомога більший об'єм і якомога менша вага — такі вимоги, що їх ставлять до повітря­ного корабля. Легкий повітряний корабель, з якого викачано повітря, найкраще задовольняв би цю вимогу. Однак, на практиці виявляється, що таке розв'язання надто складне. Трудно технічно мати при малій вазі велику міцність, яка може витри­мати величезні тиски. Проте, останнім часом і в цьому напрямі провадиться велику дослідну роботу.

На практиці, щоб протидіяти атмосферному тискові, обо­лонку повітряного корабля наповнюють будь-яким дуже легким газом: воднем, гелієм або світильним газом.

Якщо позначити вагу 1 м³ повітря при 0⁰ буквою P₁, а вагу 1 м³ газу буквою P₂, то називається підіймальною силою 1 м³ цього газу.

Різниця між вагою кубічного метра повітря і вагою такого самого об'єму газу називається підіймальною силою одного кубічного метра газу.

Підіймальна сила 1 м³ водню дорівнює 1,2 кг, гелію —1,11 кг, світильного газу — 0,69 кг.

Найбільшу підіймальну силу має водень, через це ним ви­гідно наповнювати повітряні кораблі. Але водень горить і тому дуже небезпечний.

Підіймальна сила повітряного корабля не є стала величина, а залежить від цілого ряду факторів. На великій висоті густина повітря багато менша, ніж на поверхні землі, а тому підіймальна сила повітряного корабля відповідно до ви­соти дуже зменшується; він підіймається доти, доки підіймальна сила і сила тяжіння зрівняються. Висота, на якій це станеться, є найбільша висота підняття. Через зменшення зовнішнього тиску на висоті, тиск газу на оболонку корабля всередині дуже зростав. Щоб ця оболонка не розірвалася, частину газу дово­диться випускати. Крім того, на підіймальну силу впливає тем­пература повітря і температура газу. Крім зазначених причин, на величину підіймальної сили повітряного корабля впливає ще дифузія. Крізь пори, що є в оболонці, газ поволі про­ходить назовні, а натомість у середину оболонки заходить повітря. Наслідком цього питома вага газу, що наповнює по­вітряний корабель, збільшується, і відповідно зменшується підій­мальна сила.

Всі зазначені фактори, а також і багато інших, доводиться брати до уваги, будуючи корабль.

Запитання та вправи.

1. Що називається підіймальною силою 1 м³ газу?

2. Яка підіймальна сила дирижабля „Комсомольская Правда", наповненого воднем, якщо його об'єм 2460 м³?

3. Дирижабль В - 3 має об'єм 6800 м³. Яка його підіймальна сила, якщо він наповнений воднем ?

Рух рідин.

Спостерігаючи, як тече вода в руслі річки або каналі, ми можемо помітити, що частинки води течуть паралельно одна до одної, причому швидкість течії в різних частинах потоку різна. Близько берега вода тече повільніше, ніж на середині потоку; що ближче до середини, то з більшою швидкістю тече рідина. Якщо вода в своєму русі натрапляє на будь-яку перепону, яку вона обходить, ми помічаєм, що позад перепони утворюються вихри — частинки рідини починають обертатися. Вихровий рух спостерігають, коли з ванни виливають воду, витягши пробку. Вода, виливаючись, крутиться, утворюючи вихор. Такий самий вихор можна бачити біля берегів річки з би­строю течією.

Причина, що сповільнює швидкість течії біля берегів і спричи­няє утворення вихрів,— це тертя між частинками рідини і сто­ронніми тілами, які є в рідині.

Тертя між частинками рідини й сторонніми тілами називається зовнішнім тертям.

Тертя між частинками, зумовлене різною швидкістю суміжних шарів рідини, називається внутрішнім тертям.

Існування зовнішнього і внутрішнього тертя можна довести дослідом.

Поставимо на відцентрову машину циліндричну посудину з водою, на якій плаває дошка з укріпленим на ній прапорцем. Якщо посудині надати руху, то спочатку прапорець залишається непорушним: стінки посудини ковзають відносно води - мале тертя. Але поступово набуває руху і вода, і прапорець починає обертатись. Цей дослід доводить, що тертя між стінками посудини і зовнішніми частинками води спочатку надало руху зовнішнім частинкам води, а потім через внутрішнє тертя були захоплені один за одним і суміжні шари. Коли б не було внутрішнього і зовнішнього тертя, то в потоці, обмеженому паралельними стінками, всі шари рідини рухалися б з однаковою швидкістю паралельно один одному і ніяких вихрів при рухові рідини не виникало б.

Для спрощення ми приймемо, що тертя в рідинах немає.

Сила потоку.

Якщо якоюсь трубою, переріз якої всюди однаковий і рівний q, тече рідина або газ з однаковою швидкістю v,то через усякий поперечний переріз труби в кожний момент часу входить і виходить однакова кількість рідини або газу. Такий потік називається стаціонарним.

Кількість рідини, або газу, що протікає за одиницю часу через переріз потоку рідини або газу, називається силою потоку.

Якщо переріз потоку q м² і швидкість потоку ν м/с,то сила потоку м³/с.

При стаціонарній течії і при неоднакових перерізах труби сила потоку повинна бути в усіх частинах труби однакова. Справді, якщо через переріз q в певний час протікає M м³ рідини, то така ж кількість рідини повинна протекти за той час через переріз q₁, а це може бути тільки в тому ви­падку, коли швидкості течії в різних перерізах нерівні.

Якщо при перерізі q швидкість потоку v, а при перерізі q₁ швидкість потоку ν₁, то:

, або

.

Швидкості рідини в різних частинах стаціонарного потоку обернено пропорційні перерізові потоку.

Лінії течії

Спостерігати рух окремих частин рідини, можна, якщо потік відкрито зверху, насипати на рідину дрібних паперових окрайків, тирси або порошку алюмінію. Так само можна зробити помітним рух частин газу, якщо в скляну по­судину, в якій іде газ, пустити через ряд отворів тонкі стру­ми диму. Для дослідження руху рідини є спеціальні при­лади з двох скляних плоских пластинок, розміщених паралельно одна одній і відокремлених одна від одної дуже вузьким про­стором. За допомогою труби, що підводить воду, її пускають текти між пластинками.

До краю однієї з пластинок прилагоджено прилад, за допомогою якого в потік, що тече між стінками, можна ввести кілька забарвлених струмів. Лінії, утворені забарвленими струмами, указують напрям швидкості вданому місці потоку. Ці лінії називаються лініями течії (рис. 192).

Якщо потік не зустрічає якихось перепон, лінії течії будуть паралельні (рис. 192), і трубки течії мають скрізь однаковий переріз, значить, швидкість течії в усіх частинах потоку однакова.

Помістивши між скляними пластинками циліндричний шматок гуми, ми помічаємо, що лінії течії вигинаються і обтікають гуму (рис. 193). Переріз AB потоку води між гумою і рамкою приладу менший, ніж переріз CD. В перерізі AB швидкість потоку більша, ніж у інших місцях, і лінії течії розташовані густіше, ніж в інших місцях.

Значить, швидкість потоку ми можемо визначити з розта­шування ліній потоку.

Тиск.

Пускаючи течію води через посудину, подану на рис. 194 і 195, ми можемо за манометрами помітити, що, незалежно від напряму руху води, в манометрі, сполученому з вузь­кою частиною посудини, тиск менший, ніж у манометрі, що виміряє тиск у широкій частині.

Тиск у різних частинах потоку залежить від швидкості течії рідини в них. У тих частинах стаціонарного потоку, де лінії течії йдуть густіше, тиск менший, ніж у тих частинах, де лінії йдуть рідше.

Потік, що обтікає крило аероплана, поданий на рис. 196. Ми бачимо, що зверху крила тиск менший, ніж внизу крила. Різниця тиску на крило зверху і знизу і є сила, що підіймає аероплан.

При рухові у воді гвинта пароплава або пропелера в по­вітрі передня й задня поверхні гвинта або пропелера підпадають під різний тиск. Різниця цих тисків є сила, що надає руху пароплавові або літакові.

Рух твердого тіла в рідині.

Якщо тверде тіло рухається в рідині, тертя рідини чинить опір цьому рухові.

Тіло, що рухається в рідині, захоплює за собою зовнішнього тертя суміжні з ним шари рідини. Ці шари наслідком внутрішнього тертя захоплюють суміжні шари. Таким способом, тверде тіло, рухаючись, захоплює в рух певні маси рідини, на що звичайно потрібна витрата енергії. Позад тіла, що рухається, утворюються вихри (рис. 197). Щоб надати рідині обертального руху, треба виконати роботу. Отже, утворення вихрів завжди супроводиться витратою певної кількості енергії.

Раніш вважали, що головна причина опору рідини тілові, що рухається, є “лобовий опір”, який треба перемогти, щоб відштовхнути в сторону рідину попереду тіла, що рухається. Теорія і дослід доводять, що головна причина, яка зумовлює опір рідини рухові тіла, є утворення вихрів позад тіла, що рухається. Досліди показують, що утворення вихрів залежить від форми тіла, яке рухається (рис. 198). Форма риби — закруг­лена спереду й загострена ззаду, гладенька, без виступів, є най­доцільніша форма. Такої форми надають дирижаблям (рис. 199), підводним човнам, торпедам, то­новим автомобілям, корпусові й крилам аероплана, підводним ча­стинам суден. Дослідників довели, що коли під час льоту прибрати в середину літака тільки його колеса, то швид­кість літака збільшиться на 10%.