Закон Паскаля відкрито понад 300 років тому. Він має першорядне значення в інженерії та механіці.
- Закон Паскаля – основний закон гідростатики, сформульований 1653 року французьким ученим Блезом Паскалем. Він говорить, що тиск, що чиниться на рідину, передається їй однаково в усіх напрямках.
- Закон заснований на особливостях руху молекул у рідинах та газах, де вони вільно переміщуються. Це відрізняє їхню відмінність від твердих тіл, де молекули щодо нерухомі.
- Закон Паскаля має широке практичне застосування у гідравліці та інженерії, включаючи створення будівельного обладнання, автомобільних систем, аерокосмічної техніки та різних гідравлічних пристроїв.
Закон Паскаля – основний закон гідростатики
Теорію поведінки нерухомих рідин вивчає розділ фізики, що називається гідростатика. Основним законом у цій сфері визнано принцип чи закон Паскаля. Він стосується рідин та газів, на які чиниться тиск.
Що таке закон Паскаля? У фізиці він формулюється так: тиск, який чиниться на рідину, передається рідиною однаково у всіх напрямках. Як пояснює енциклопедія Britannica, закон Паскаля стверджує, що в рідині, яка перебуває в стані спокою в закритій посудині, зміна тиску в одній частині передається без втрат усім частинам рідини та стінкам судини.
В 1653 цей закон сформулював французький вчений Блез Паскаль. Він став автором основного закону гідростатики. Крім того, Паскаль був одним із засновників математичного аналізу, теорії ймовірності, а також відомим філософом та теологом XVII століття.
Закон Паскаля описується формулою p=F/S. У цій формулі латинськими літерами позначені: p – Тиск; F – прикладена сила; S – площа поверхні/судини. З цієї формули випливає, що при збільшенні сили впливу на рідину в тому самому посудині тиск на стінки збільшується. Тиск вимірюється в ньютонах на м² (Н/м²) або паскалях (Па), як прийнято в Міжнародній системі одиниць СІ.
Заснований на особливостях руху молекул у різних тілах
Молекули твердих тіл, рідин та газів поводяться по-різному:
- У твердих тілах молекули порівняно нерухомі щодо один одного.
- У рідинах молекули вільно переміщуються щодо один одного в усіх напрямках.
- Частинки газів рухаються ще вільніше.
В результаті таких відмінностей у будові значно відрізняється тиск, що передається твердим тілам або рідинам, газам:
- При тиску на тверді тіла відстань між молекулами змінюється лише у напрямку прикладеної сили, водночас виникає і сила опору цьому тиску. Таким чином, усі зміни відбуваються усередині твердого тіла.
- При тиску на рідини та гази відстань між молекулами змінюється через їх рухливість. При цьому змінюється воно однаково у всіх напрямках. Отже, і чинна сила буде однаковою у всіх напрямках.
На підставі цієї особливості поведінки рідин (газів) під тиском було сформульовано закон Паскаля. Експерти освітньої платформи BY JU’S доповнюють, що статичний тиск діє під прямим кутом до будь-якої поверхні, з якою стикається рідина.
Досліди підтверджують закон Паскаля
1648 року ще до відкриття свого закону Блез Паскаль демонстрував цікавий досвід. У щільно закриту бочку з водою він із великої висоти через тонку трубку вливав ще кухоль рідини. У вузькій трубці вода піднялася дуже високо, при цьому тиск у бочці збільшився настільки, що кріплення бочки не витримало, і вона тріснула.
Цей досвід отримав назву гідростатичного парадоксу, чи парадоксу Паскаля. Причина гідростатичного феномена полягає в тому, що за законом Паскаля рідина тисне не тільки на дно, та й на стінки судини. При цьому має значення форма судини і її поперечний переріз, від чого залежить тиск рідини, що наливається, який буде відрізнятися від її ваги.
Інший досвід, який підтверджує закон Паскаля, проводять у навчальних лабораторіях. Для цього металевий шар з безліччю маленьких отворів наповнюють водою, приєднують до нього трубку з поршнем. Натискаючи на поршень, збільшують тиск на воду в кулі. При цьому вона виливається цівками у всі отвори, причому натиск у всіх струменях однаковий. Аналогічний досвід повторюється із димом замість води.
Закон Паскаля – основа розвитку гідравліки
Закон Паскаля відіграє ключову роль у розвитку гідравліки — науки, яка вивчає, як поводяться рідини та як використовувати їх для передачі сили. Наочно принцип дії демонструється на роботі гідравлічної системи, яку описують на сайті компанії Domin, яка розробляє ці системи.
Гідравлічна система складається з циліндрів різного перерізу, з’єднаних між собою та заповнених водою. Вони мають рухливі поршні, які закривають циліндри. При натисканні на поршень у меншій посудині виникає тиск, який без змін передається до більшої судини. При цьому малою силою в меншій посудині можна створити значно більшу силу, яка діє на поршень у більшій посудині.
Таким чином, закон Паскаля дозволяє множити сили за допомогою судин та поршнів різного перерізу. У цьому принципі створюються складні інженерні конструкції, потік рідини у яких регулюється з допомогою клапанів та інших механізмів управління. Залежно від конструкції та призначення механізмів у них створюється рух у різних формах — лінійний або обертальний.
Багато механізмів діють за принципом Паскаля
Як відзначають на сайті NASA, гідравлічні системи використовують стисливість рідини для передачі зусиль з одного місця в інше в межах цієї рідини. Де застосовується закон Паскаля? Він знаходить практичне застосування у багатьох галузях і відіграє першорядну роль інженерії. Гідравлічні системи відрізняються великою потужністю, вони незамінні у таких сферах:
- У створенні будівельного обладнання та механізмів. На законах гідравліки будується робота екскаваторів, бульдозерів.
- На багатьох виробництвах використовуються гідравлічні пристрої – преси, домкрати, підйомники.
- У автомобілебудуванні — у пристрої гальм, підсилювачів кермового керування.
- В аерокосмічній промисловості — у гальмівній системі та шасі літаків.
За аналогічним принципом діють і пневматичні системи, у роботі яких використовують стиснене повітря. На їх основі створюються гальмівні системи деяких літаків, керування рухом закрилків.
Закон Паскаля сформульовано сотні років тому. Згодом його принцип знаходить дедалі більшого застосування у сучасних механізмах.
