Что такое давление газа, жидкости и твердого тела

Видео: Физика [10 класс]

Уже в древнем мире люди подозревали, что такое давление воздуха и жидкостей на самом деле. Некоторые из идей об атомарном строении вещества дошли до нас в поэме Лукреция Кара «О природе вещей», а ведь это период античности, в то время как свойства давления эффективно использовались уже в Древнем Египте. Жрецы с помощью нагретого и расширившегося газа «по волшебству» открывали двери храмов, а строители пользовались гидравлическим подъемником для тяжелых каменных блоков.

Видео: Давление газа

Сегодня на вопрос, что такое давление как физическая величина, отвечают: оно равно отношению силы к единице площади. Поэтому давление воздуха, давление жидкости в сосуде и давление твердого тела на опору – суть похожие явления. Поскольку в них задействована сила, давление можно заставить совершать работу (чем и пользовались предприимчивые древнеегипетские жрецы).

С давлением твердого тела на опору, в принципе, все понятно. Вес тела - это сила, и она делится на площадь соприкосновения тела с опорой. Но в жидкости и газе частицы не находятся в покое. Они все время совершают движение, либо хаотическое броуновское, либо направленный перенос из-за воздействия внешних сил или внутренних условий системы. Давление создается ударами частиц о стенки сосуда.

Сила, которая участвует в создании давления в этом случае – это импульс, который отдает каждая частица в единицу времени. Откуда появляется импульс и сила, мы поймем, если вспомним формулы кинематики, описывающие упругое столкновение тел. Молекула или атом жидкости и газа рассматривается как упругая сфера. Внутри жидкого и газообразного вещества частицы постоянно сталкиваются друг с другом, обмениваются энергией и импульсом. Поэтому давление существует также не только по отношению к стенке сосуда, но и внутри любого вещества.
Даже внутри вакуума всегда остается некоторое количество частиц, которые создают в нем небольшое давление. Правда, что такое давление в вакууме существует, выяснилось не сразу. Первоначально считалось, что вакуум – это абсолютная пустота, и он создает нулевое давление. Физика школьного курса пользуется этим допущением и сейчас.

Вернемся к движению частиц. Оно поможет нам понять, что такое давление кинетическое и статическое. Когда частицы находятся в хаотическом тепловом движении, которое постоянно, возникает статическое давление. Когда к системе прикладывается какое-либо внешнее воздействие, и в движении частиц возникают преобладающие направления, эти самые частицы начинают оказывать кинетическое давление.

Видео: Пьезеометр

Статическое давление можно наблюдать, например, на дне ванны, заполненной водой. Если же открыть кран, падающая струя воды создаст дополнительное кинетическое давление. Упрощенно его можно подсчитать, исходя из тех же соображений, что описывались выше относительно упругих столкновений частиц. Струя обладает измеряемой скоростью и обменивается импульсом с дном ванны при столкновении. Полное давление системы (ванны с водой) будет равно сумме статического и кинетического давлений.