fizikzauglom

เกรด 7 · ความดัน

ความดันบรรยากาศและไฮดรอลิก

บารอมิเตอร์ แมนอมิเตอร์ เครื่องสูบ และการได้เปรียบเชิงแรงของเครื่องอัดไฮดรอลิก

24 นาที8 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

จุ่มปลายกระบอกฉีดยาลงในน้ำแล้วดึงลูกสูบขึ้น น้ำจะตามขึ้นมา ทั้งที่ลูกสูบไม่ได้สัมผัสน้ำด้านนอก อะไรผลักน้ำขึ้น และความดันเดียวกันจะช่วยยกของหนักได้อย่างไร?

ลดความดันเหนือน้ำสูบออกอากาศกดน้ำสูงขึ้นเพราะอากาศผลัก
หากลดความดันเหนือของเหลวในหลอด ของเหลวจะสูงขึ้น อากาศที่กดผิวของเหลวเปิดในภาชนะเป็นสิ่งที่ผลักมัน

เหตุใดอากาศจึงมีความดัน

แม้มองไม่เห็นอากาศ แต่อนุภาคของมันเคลื่อนที่และชนผิวรอบตัว ทำให้เกิดความดันจากทุกทิศ โลกดึงดูดบรรยากาศไว้ และอากาศชั้นล่างรองรับน้ำหนักของชั้นบน เมื่อขึ้นสูง อากาศเหนือเราจะเหลือน้อยลง ความดันบรรยากาศจึงมักลดลง คำอธิบายเรื่องการชนของอนุภาคจึงเชื่อมกับสมดุลของชั้นอากาศได้ ความหนาแน่นของอากาศเปลี่ยนตามความสูง เราจึงแทนบรรยากาศทั้งหมดด้วยลำของเหลวที่มีความหนาแน่นสม่ำเสมอไม่ได้

วัตถุ
ความดันอากาศกระทำต่อวัตถุจากทุกทิศ แรงดึงดูดของโลกยึดบรรยากาศไว้ ความดันเกี่ยวข้องกับน้ำหนักอากาศที่อยู่เหนือขึ้นไปและการชนของโมเลกุล

ลำของเหลวบอกความดัน

ในหลอดบารอมิเตอร์ที่ปิดปลายบน บริเวณเหนือของเหลวเกือบเป็นสุญญากาศ ส่วนปลายล่างต่อกับอ่างที่เปิดรับอากาศ เหตุใดของเหลวจึงไม่ไหลออกจนหมด? บรรยากาศกดผิวของเหลวในอ่างและพยุงลำของเหลวไว้ ที่สมดุล pатм ≈ ρgh เมื่อไม่คิดความดันไอเหนือของเหลว ความดันบรรยากาศที่มากขึ้นพยุงลำของเหลวได้สูงขึ้น ภายใต้บรรยากาศเดียวกัน ของเหลวที่หนาแน่นน้อยกว่าต้องมีลำสูงกว่า ซึ่งอธิบายได้จากสูตรเดียวกัน

hอากาศเกือบเป็นสุญญากาศ
ในหลอดคว่ำที่ปิดปลายบน แทบไม่มีอากาศเหนือปรอท ความดันบรรยากาศที่ผิวปรอทในอ่างสมดุลกับความดันจากลำปรอทสูง h นี่คือแผนภาพการทดลอง ไม่ใช่คำแนะนำให้ทำงานกับปรอท

บารอมิเตอร์และแมนอมิเตอร์

การวัดความดันบรรยากาศไม่จำเป็นต้องดูระดับลำของเหลวเสมอไป ในบารอมิเตอร์แบบแอนิรอยด์ ความดันทำให้กล่องโลหะปิดสนิทที่มีอากาศเบาบางภายในเปลี่ยนรูป แล้วกลไกส่งการเปลี่ยนแปลงไปยังเข็ม บารอมิเตอร์ใช้วัดความดันบรรยากาศ ส่วนแมนอมิเตอร์เปรียบเทียบความดันในระบบกับความดันอ้างอิงที่เลือก ในที่นี้ลำปรอทเป็นแผนภาพวิธีวัดในอดีต ไม่ใช่การทดลองที่บ้าน หลักการของเครื่องมือทั้งสองคือเปลี่ยนความดันให้เป็นการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้

บารอมิเตอร์แบบแอนิรอยด์แมนอมิเตอร์อากาศกดให้ยุบเข็มบนสเกลแก๊สอากาศhผลต่างระดับ
บารอมิเตอร์แสดงความดันบรรยากาศ ในแบบแอนิรอยด์ ความดันทำให้กล่องปิดสนิทยุบตัว ส่วนแมนอมิเตอร์เปรียบเทียบความดันในระบบกับความดันอ้างอิง

เครื่องสูบทำอะไร

เมื่อยกลูกสูบของเครื่องสูบขึ้น ปริมาตรภายในที่ใช้ได้เพิ่มขึ้น ความดันใต้ลูกสูบจึงลดลง ขณะนี้ความดันภายนอกที่ผิวน้ำมากกว่าความดันภายใน จึงผลักน้ำเข้าเครื่องสูบ วาล์วเปิดทางที่ต้องการและปิดทางไหลย้อนในจังหวะถัดไป คำว่า ‘ลูกสูบดึงน้ำ’ จึงซ่อนสาเหตุสำคัญคือผลต่างความดัน หากลดความดันภายนอก วิธีส่งน้ำนี้จะได้ผลน้อยลง ที่ว่างไม่ได้เป็นแรงดึงของเหลวด้วยตัวมันเอง

ลูกสูบเคลื่อนขึ้นความดันลดลงวาล์วอากาศอากาศ
ภาพแสดงจังหวะดูด ลูกสูบขึ้นและความดันใต้ลูกสูบลดลง อากาศกดผิวน้ำเปิดในถังพักและผลักน้ำผ่านวาล์วทางเข้าที่เปิดอยู่เข้าสู่กระบอกสูบ ลูกศรในน้ำแสดงทิศการเคลื่อนที่

ทำอย่างไรให้ได้แรงมากขึ้น

ใช้ของเหลวเชื่อมลูกสูบที่มีพื้นที่ต่างกัน ลูกสูบเล็กเพิ่มความดัน แล้วกฎของพาสคัลอธิบายว่าความดันส่วนเพิ่มส่งไปถึงลูกสูบใหญ่ ใต้ลูกสูบใหญ่ ความดันเท่ากันนี้กระทำต่อพื้นที่ย่อยขนาดเท่ากันจำนวนมากกว่า แรงรวมจึงมากกว่า ให้แรงเป็น F₁ และ F₂ และพื้นที่เป็น S₁ และ S₂ อุปกรณ์นี้เรียกว่าเครื่องไฮดรอลิก มันไม่ได้เพิ่มความดันระหว่างลูกสูบ การได้เปรียบเชิงแรงเกิดจากพื้นที่ที่ต่างกัน

F₁F₂S₁S₂ = 4S₁F₁ / S₁ = F₂ / S₂
ลูกสูบอยู่ระดับเดียวกัน ไม่คิดน้ำหนักและแรงเสียดทาน และความดันภายนอกเท่ากัน F₁ คือแรงที่กระทำต่อลูกสูบเล็ก ส่วน F₂ คือแรงส่วนเพิ่มจากของเหลวที่ลูกสูบใหญ่ ภาพตัดแสดงลูกสูบสี่เหลี่ยมที่มีความลึกเท่ากัน พื้นที่และแรงด้านขวามากกว่าสี่เท่า ความยาวลูกศรแรงมีอัตราส่วน 1 ต่อ 4

ความดันเท่ากัน

สำหรับลูกสูบในอุดมคติที่อยู่ระดับเดียวกัน ความดันส่วนเพิ่มเท่ากัน: F₁/S₁ = F₂/S₂ จึงได้ F₂/F₁ = S₂/S₁ เมื่อเพิ่มพื้นที่ลูกสูบใหญ่เป็นสองเท่าโดยความดันคงเดิม แรงจะเพิ่มเป็นสองเท่า แรงวัดเป็น N และพื้นที่เป็น m² เราสมมติว่าเคลื่อนที่ช้า ความดันบรรยากาศภายนอกเท่ากัน และไม่คิดแรงเสียดทานกับมวลลูกสูบ หากลูกสูบอยู่ต่างระดับ ต้องรวมผลต่างความดันในของเหลวเนื่องจากความลึกที่เรียนมาแล้วด้วย

ลูกสูบอยู่ระดับเดียวกันF₁F₂S₁S₂ = 4S₁F₁ / S₁ = F₂ / S₂
ลูกสูบอยู่ระดับเดียวกัน F₁ คือแรงที่กระทำต่อลูกสูบเล็ก F₂ คือแรงส่วนเพิ่มจากของเหลวที่ลูกสูบใหญ่ ลูกสูบสี่เหลี่ยมในภาพมีความลึกเท่ากัน พื้นที่และแรงด้านขวามากกว่าสี่เท่า ไม่คิดน้ำหนักลูกสูบและแรงเสียดทาน และความดันภายนอกเท่ากัน

ได้แรงมากขึ้นแต่เคลื่อนที่น้อยลง

ถ้า S₂ = 4S₁ จะได้ F₂ = 4F₁ แต่ต้องใช้ของเหลวเท่าใดเพื่อยกลูกสูบใหญ่? เมื่อระยะเคลื่อนที่เป็น s₁ และ s₂ ปริมาตรของเหลวที่ถูกแทนที่เท่ากันให้ S₁s₁ = S₂s₂ ลูกสูบใหญ่จึงเคลื่อนที่เป็นระยะน้อยกว่าสี่เท่า เมื่อนำแรงคูณระยะทาง ส่วนที่ได้เพิ่มในปริมาณหนึ่งจะชดเชยกับส่วนที่ลดลงในอีกปริมาณหนึ่ง ภายหลังเราจะเรียกผลคูณนี้ว่างาน ตอนนี้ก็เห็นได้แล้วว่าเครื่องไม่ได้สร้างพลังงานเพิ่ม

ปริมาตรของเหลวเท่ากันhลงขึ้น, h/4S₁S₂ = 4S₁S₁ · h = S₂ · h/4
ลูกสูบเล็กลงและลูกสูบใหญ่ขึ้น เมื่อพื้นที่ด้านขวามากกว่าสี่เท่า ระยะเคลื่อนที่ด้านขวาจะน้อยกว่าสี่เท่า เส้นประแสดงตำแหน่งเดิม วงเล็บแสดงระยะ h และ h/4 ด้วยมาตราส่วนเดียวกัน ส่วนลูกศรบอกทิศเท่านั้น ลูกสูบสี่เหลี่ยมมีความลึกเท่ากัน และปริมาตรของเหลวคงเดิม

เครื่องยก

ลูกสูบในอุดมคติที่อยู่ระดับเดียวกันมีพื้นที่ 2 cm² และ 20 cm² มีแรงเพิ่มเติม 30 N กระทำต่อลูกสูบเล็ก จงหาแรงที่ลูกสูบใหญ่

ลูกสูบเล็กและใหญ่F₁ = 30 НF₂ — ?S₁ = 2 см²S₂ = 20 см²หาแรง F₂
ลูกสูบในอุดมคติที่อยู่ระดับเดียวกันมีพื้นที่ 2 และ 20 cm² มีแรงเพิ่มเติม 30 N กระทำต่อลูกสูบเล็ก เพื่อให้เห็นชัด ภาพใช้ลูกสูบสี่เหลี่ยมที่ลึกเท่ากัน อัตราส่วนความกว้างจึงเท่ากับอัตราส่วนพื้นที่ คือ 1 ต่อ 10 ของเหลวใต้ลูกสูบเชื่อมถึงกัน

ลองดูตัวอย่าง · 1

อัตราส่วนพื้นที่คือ 20/2 = 10 หน่วยเดียวกันตัดกันได้ จึงไม่จำเป็นต้องแปลงหน่วยพื้นที่ในข้อนี้

เปรียบเทียบพื้นที่F₁ = 30 НF₂ — ?S₁ = 2 см²S₂ = 20 см²20 см² / 2 см² = 10พื้นที่ขวามากกว่า 10 เท่า
อุปกรณ์และข้อมูลเริ่มต้นคงเดิม อัตราส่วนพื้นที่ 20 см² / 2 см² เท่ากับ 10 หน่วยเดียวกันตัดกันได้ จึงไม่จำเป็นต้องแปลงเป็นตารางเมตรในข้อนี้

ลองดูตัวอย่าง · 2

เมื่อความดันส่วนเพิ่มเท่ากัน แรงที่ลูกสูบใหญ่จะมากกว่า 10 เท่า: F₂ = 30·10 = 300 Н

ชุดเดิม ความดันเท่ากันF₁ = 30 НF₂ = 300 НS₁ = 2 см²S₂ = 20 см²30 · 10 = 300 Нได้เปรียบเชิงแรง: 10
ในอุปกรณ์เดิม ความดันส่วนเพิ่มใต้ลูกสูบเท่ากัน แรงจึงเพิ่มตามพื้นที่: F₂ = 30 · 10 = 300 Н เครื่องไม่ได้เพิ่มพลังงาน

ลองดูตัวอย่าง · 3

ลูกสูบใหญ่เคลื่อนที่เป็นระยะน้อยกว่าลูกสูบเล็ก 10 เท่า เพราะปริมาตรของเหลวคงเดิม

ปริมาตรของเหลวเท่าเดิมF₁ = 30 НF₂ = 300 Нแรงเมื่อเริ่มต้นS₁ = 2 см²S₂ = 20 см²h₁h₂h₂ = h₁ / 10
ภาพแสดงลูกสูบเดิม ค่าแรงอ้างถึงขณะเริ่มต้นที่ลูกสูบอยู่ระดับเดียวกัน ขั้นสุดท้ายเปรียบเทียบเฉพาะระยะเคลื่อนที่ เส้นประคือระดับเดิม ลูกศรบอกทิศ และวงเล็บบอกระยะด้วยมาตราส่วนเดียวกัน การคงปริมาตรให้ 2h₁ = 20h₂ จึงได้ h₂ = h₁/10 โจทย์ไม่ได้กำหนดค่าระยะเคลื่อนที่เป็นตัวเลข

เรามาตรวจสอบผลลัพธ์กันดีกว่า

300 N; ได้เปรียบเชิงแรงสิบเท่า

ใจความสำคัญ · 1

บรรยากาศผลักผิวจากทุกทิศ ผลต่างความดันอธิบายว่าทำไมของเหลวจึงสูงขึ้นในเครื่องสูบ

ใจความสำคัญ · 2

บารอมิเตอร์เปลี่ยนความดันบรรยากาศให้เป็นความสูงของลำของเหลวหรือการเปลี่ยนรูปของส่วนรับความดัน

ใจความสำคัญ · 3

ในเครื่องอัดไฮดรอลิกอุดมคติ F₂/F₁ = S₂/S₁ แต่ลูกสูบใหญ่เคลื่อนที่เป็นระยะน้อยลงด้วยอัตราส่วนเดียวกัน

เราจะไปที่ไหนต่อไป?

ความดันที่ด้านล่างกับด้านบนของวัตถุที่จมในของเหลวต่างกัน บทถัดไปจะอธิบายแรงพยุง

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

ความดันบรรยากาศ

ความดันที่อากาศในบรรยากาศกระทำต่อวัตถุ เนื่องจากน้ำหนักของอากาศและการเคลื่อนที่ของโมเลกุล

เมื่อสูงขึ้น ลำอากาศเหนือผู้สังเกตลดลง ค่าที่บารอมิเตอร์อ่านได้จึงมักลดลง

การทดลองลำปรอท

สมดุลระหว่างลำของเหลวกับความดันบรรยากาศทำให้วัดความดันบรรยากาศได้จากความสูงของลำของเหลว

บารอมิเตอร์ใช้หลักนี้โดยตรง หรือแสดงความดันผ่านการเปลี่ยนรูปของกล่องโลหะปิดสนิท

เครื่องไฮดรอลิก

อุปกรณ์ที่ส่งผ่านความดันด้วยของเหลวและได้เปรียบเชิงแรงจากลูกสูบที่มีพื้นที่ต่างกัน

เครื่องอัดไฮดรอลิกเพิ่มแรง แต่ในแบบจำลองอุดมคติ ลูกสูบใหญ่จะเคลื่อนที่เป็นระยะน้อยลงด้วยอัตราส่วนเดียวกัน

ปริมาณทางฟิสิกส์

4 ปริมาณ

แรงที่ลูกสูบเล็ก

F_1

แรงที่กระทำต่อลูกสูบซึ่งมีพื้นที่น้อยกว่า

หน่วย: นิวตัน · \mathrm{Н}

แรงที่ลูกสูบใหญ่

F_2

แรงที่ได้จากลูกสูบซึ่งมีพื้นที่มากกว่า

หน่วย: นิวตัน · \mathrm{Н}

พื้นที่ลูกสูบเล็ก

S_1

พื้นที่หน้าตัดของลูกสูบเล็ก

หน่วย: ตารางเมตร · \mathrm{м}^2

พื้นที่ลูกสูบใหญ่

S_2

พื้นที่หน้าตัดของลูกสูบใหญ่

หน่วย: ตารางเมตร · \mathrm{м}^2

สูตรบทเรียน

1 สูตร

เครื่องไฮดรอลิก

\frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2}

ในเครื่องอุดมคติ ความดันใต้ลูกสูบทั้งสองเท่ากัน

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ