Laten we het experiment met een zuiger die water in een buis aanzuigt nader bekijken. Aan het begin van het experiment (Fig. 287) bevindt het water in de buis en in de beker zich op hetzelfde niveau en raakt de zuiger het water met zijn onderoppervlak. Water wordt van onderaf tegen de zuiger gedrukt door atmosferische druk die inwerkt op het wateroppervlak in de beker. Boven de zuiger (we nemen aan dat deze gewichtloos is) werkt ook Sfeer druk... Van zijn kant werkt de zuiger, volgens de wet van gelijkheid van actie en reactie, op het water in de buis en oefent daarop een druk uit die gelijk is aan de atmosferische druk die op het oppervlak van het water in de beker werkt.

Rijst. 287. Aanzuiging van water in de buis. Het begin van het experiment: de zuiger bevindt zich op het niveau van het water in de beker

Rijst. 288. a) Hetzelfde als in afb. 287, maar met de zuiger omhoog, b) Drukgrafiek

Laten we nu de zuiger op een bepaalde hoogte brengen; hiervoor moet u een naar boven gerichte kracht uitoefenen (afb. 288, a). Atmosferische druk zal water in de buis drijven die de zuiger volgt; nu zal de waterkolom de zuiger raken en er met minder kracht tegenaan drukken, dat wil zeggen, er minder druk op uitoefenen dan voorheen. Dienovereenkomstig zal de tegendruk van de zuiger op het water in de buis minder zijn. De atmosferische druk die op het oppervlak van het water in de beker werkt, wordt dan gecompenseerd door de druk van de zuiger in combinatie met de druk die wordt gecreëerd door de waterkolom in de buis.

In afb. 288, b toont een grafiek van de druk in de stijgende waterkolom in de buis. Breng de zuiger omhoog om grote hoogte- het water zal ook stijgen, de zuiger volgen, en de waterkolom zal hoger worden. De druk veroorzaakt door het gewicht van de kolom zal toenemen; bijgevolg zal de druk van de zuiger aan het boveneinde van de kolom afnemen, aangezien deze beide drukken nog steeds de atmosferische druk moeten bedragen. Nu wordt het water met nog minder kracht tegen de zuiger gedrukt. Om de zuiger op zijn plaats te houden, moet u nu aanbrengen grote kracht: Naarmate de zuiger stijgt, zal de waterdruk op het bodemoppervlak van de zuiger steeds minder de atmosferische druk op het bovenoppervlak compenseren.

Wat gebeurt er als, met een buis van voldoende lengte, de zuiger steeds hoger wordt? De waterdruk op de zuiger wordt steeds minder; ten slotte zal de druk van het water op de zuiger en de druk van de zuiger op het water verdwijnen. Op deze hoogte van de kolom zal de druk die wordt veroorzaakt door het gewicht van het water in de buis gelijk zijn aan de atmosferische druk. De berekening, die we in de volgende paragraaf zullen geven, laat zien dat de hoogte van de waterkolom gelijk moet zijn aan 10,332 m (bij normale atmosferische druk). Met het verder stijgen van de zuiger, zal het niveau van de waterkolom niet langer stijgen, omdat de externe druk de hogere kolom niet in evenwicht kan brengen: er zal een lege ruimte zijn tussen het water en het onderoppervlak van de zuiger (Fig. 289, a).

Rijst. 289. a) Hetzelfde als in afb. 288, maar wanneer de zuiger boven de maximale hoogte (10,33 m) komt. b) Drukgrafiek voor deze positie van de zuiger. c) In werkelijkheid bereikt de waterkolom niet zijn volledige hoogte, aangezien de waterdamp kamertemperatuur druk ongeveer 20 mm Hg. Kunst. en dienovereenkomstig verlaagt het bovenste niveau van de pilaar. Daarom heeft de echte grafiek een afgekapte bovenkant. Voor de duidelijkheid, de waterdampdruk is overdreven

In werkelijkheid zal deze ruimte niet helemaal leeg zijn: hij wordt gevuld met lucht die vrijkomt uit het water, waarin altijd een beetje opgeloste lucht is; bovendien zal er in deze ruimte waterdamp zijn. Daarom zal de druk in de ruimte tussen de zuiger en de waterkolom niet precies nul zijn, en deze druk zal de hoogte van de kolom iets verlagen (Fig. 289, c).

Dagelijkse vragen over waarom pompen geen vloeistof kunnen aanzuigen vanaf een diepte van meer dan 9 meter, brachten mij ertoe hier een artikel over te schrijven.
Eerst een beetje geschiedenis:
In 1640 besloot de hertog van Toscane in Italië een fontein op het terras van zijn paleis te plaatsen. Om water uit het meer te leveren, werden een lange pijpleiding en pomp gebouwd, die nog niet was gebouwd. Maar het bleek dat het systeem niet werkte - het water erin steeg slechts tot 10,3 m boven het niveau van het reservoir.

Niemand kon uitleggen wat er aan de hand was totdat Galileo's leerling E. Toricelli het idee uitdrukte dat het water in het systeem stijgt onder invloed van de zwaartekracht van de atmosfeer, die op het oppervlak van het meer drukt. Een waterkolom van 10,3 m hoog balanceert deze druk precies, en daardoor stijgt het water niet hoger. Toricelli nam een ​​glazen buis waarvan het ene uiteinde was afgesloten en het andere open en vulde het met kwik. Daarna kneep hij met zijn vinger in het gat, draaide de buis om en liet het open uiteinde in een vat gevuld met kwik zakken. Het kwik stroomde niet uit de buis, maar daalde slechts licht.
De kwikkolom in de buis werd op een hoogte van 760 mm boven het oppervlak van het kwik in het vat geplaatst. Het gewicht van een kwikkolom met een doorsnede van 1 cm2 is gelijk aan 1,033 kg, dat wil zeggen, het is exact gelijk aan het gewicht van een waterkolom met dezelfde doorsnede met een hoogte van 10,3 m. deze kracht die de atmosfeer op elkaar drukt vierkante centimeter elk oppervlak, inclusief het oppervlak van ons lichaam.

Evenzo, als bij het experiment met kwik water in de buis wordt gegoten in plaats van dat, dan wordt de waterkolom 10,3 meter hoog. Daarom worden er geen waterbarometers gemaakt. ze zouden te omslachtig zijn.

De druk van de vloeistofkolom (P) is gelijk aan het product van de zwaartekrachtversnelling (g), de dichtheid van de vloeistof (ρ) en de hoogte van de vloeistofkolom:

De atmosferische druk op zeeniveau (P) wordt verondersteld 1 kg / cm2 (100 kPa) te zijn.
Let op: de werkelijke druk is 1.033 kg/cm2.

De dichtheid van water bij een temperatuur van 20°C is 1000 kg/m3.
Acceleratie van vrije val - 9,8 m / s2.

Uit deze formule blijkt dat hoe lager de atmosferische druk (P), hoe lager de hoogte van de vloeistof kan zijn (d.w.z. hoe hoger boven zeeniveau, bijvoorbeeld in bergen, hoe lager de diepte die de pomp kan aanzuigen).
Uit deze formule blijkt ook dat hoe lager de dichtheid van de vloeistof, hoe meer grotere diepte het kan worden weggepompt en vice versa, bij een hogere dichtheid zal de zuigdiepte afnemen.

Bijvoorbeeld hetzelfde kwik, voor ideale omstandigheden, kan worden opgetild vanaf een hoogte van maximaal 760 mm.
Ik voorzie de vraag: waarom bleek in de berekeningen een vloeistofkolom met een hoogte van 10,3 m en zuigen de pompen pas vanaf 9 meter aan?
Het antwoord is vrij eenvoudig:
- ten eerste is de berekening uitgevoerd onder ideale omstandigheden,
- ten tweede geeft geen enkele theorie absoluut nauwkeurige waarden, omdat empirische formules.
- en ten derde zijn er altijd verliezen: in de zuigleiding, in de pomp, in de aansluitingen.
Die. het is met gewone waterpompen niet mogelijk om een ​​voldoende vacuüm te creëren om het water hoger te laten stijgen.

Dus, welke conclusies kunnen uit dit alles worden getrokken:
1. De pomp zuigt geen vloeistof aan, maar creëert alleen een vacuüm aan de inlaat (dwz vermindert de atmosferische druk in de zuigleiding). Door atmosferische druk wordt water in de pomp geperst.
2. Hoe hoger de dichtheid van de vloeistof (bijvoorbeeld met een hoog gehalte aan zand erin), hoe lager de zuighoogte.
3. Het is mogelijk om de zuighoogte (h) te berekenen, wetende wat voor soort vacuüm de pomp creëert en de dichtheid van de vloeistof volgens de formule:
h = P / (ρ * g) - x,

waarbij P de atmosferische druk is, is de dichtheid van de vloeistof. g - versnelling van de zwaartekracht, x - waarde van verliezen (m).

Opmerking: de formule kan worden gebruikt om de zuighoogte bij te berekenen normale omstandigheden en temperaturen tot +30 °C.
Ik wil er nog aan toevoegen dat de zuighoogte (in het algemeen) afhangt van de viscositeit van de vloeistof, de lengte en diameter van de pijpleiding en de temperatuur van de vloeistof.

Wanneer de temperatuur van de vloeistof bijvoorbeeld stijgt tot +60 °C, wordt de zuighoogte bijna gehalveerd.
Dit komt doordat de druk van de verzadigde damp in de vloeistof stijgt.
Luchtbellen zijn altijd aanwezig in elke vloeistof.
Ik denk dat iedereen heeft gezien hoe bij het koken eerst kleine belletjes verschijnen, die vervolgens toenemen en er een kook ontstaat. Die. bij het koken wordt de druk in de luchtbellen groter dan de atmosferische druk.
De dampdruk is de druk in de bellen.
Een verhoging van de verzadigde dampdruk zorgt ervoor dat de vloeistof kookt bij een lagere druk. En de pomp zorgt voor een lage atmosferische druk in de leiding.
Die. bij het opzuigen van vloeistof hoge temperatuur, is er een mogelijkheid dat het in de pijpleiding kookt. En geen enkele pomp kan kokende vloeistof aanzuigen.
Dat is in het algemeen alles.

En het meest interessante is dat we dit allemaal hebben meegemaakt in een natuurkundeles bij het bestuderen van het onderwerp "atmosferische druk".
Maar aangezien je dit artikel leest en iets nieuws hebt geleerd, ben je "geslaagd" ;-)

De onderstaande rekenmachine is ontworpen om een ​​onbekende gegeven grootheid te berekenen, met behulp van de formule voor de druk van een vloeistofkolom.
De formule zelf:

Met de rekenmachine kunt u vinden

• vloeistofkolom druk bekende dichtheid vloeistof, de hoogte van de vloeistofkolom en de versnelling van de zwaartekracht
• de hoogte van de vloeistofkolom van de bekende druk van de vloeistof, dichtheid van de vloeistof en de versnelling van de zwaartekracht
• dichtheid van een vloeistof uit de bekende druk van de vloeistof, de hoogte van de vloeistofkolom en de versnelling van de zwaartekracht
• versnelling van de zwaartekracht door bekende vloeistofdruk, vloeistofdichtheid en hoogte van de vloeistofkolom

Het afleiden van formules voor alle gevallen is triviaal. Voor dichtheid is de standaardwaarde de dichtheid van water, voor versnelling van de zwaartekracht de versnelling van de aarde en voor druk een waarde die gelijk is aan één atmosfeer druk. Een beetje theorie, zoals gewoonlijk, onder de rekenmachine.

druk dichtheid hoogte zwaartekracht versnelling

Vloeistofdruk, Pa

Hoogte vloeistofkolom, m

Dichtheid van vloeistof, kg / m3

Vrije valversnelling, m / s2

Hydrostatische druk- de druk van de waterkolom boven het conditionele niveau.

Formule hydrostatische druk het wordt heel eenvoudig weergegeven

Deze formule laat zien dat de druk niet afhankelijk is van de oppervlakte van het vat of zijn vorm. Het hangt alleen af ​​van de dichtheid en hoogte van de kolom van een bepaalde vloeistof. Hieruit volgt dat we door de hoogte van het vat te vergroten, met een klein volume een vrij hoge druk kunnen creëren.
In 1648 toonde Blaise Pascal dit aan. Hij stopte een smalle buis in een gesloten ton gevuld met water en ging naar het balkon van de tweede verdieping en goot een mok water in deze buis. Door de kleine dikte van de buis steeg het water erin tot een grote hoogte en de druk in het vat nam zo sterk toe dat de vatbevestigingen het niet konden weerstaan, en het barstte.

Het leidt ook tot een fenomeen als de hydrostatische paradox.

Hydrostatische paradox- een fenomeen waarbij de kracht van de gewichtsdruk van de vloeistof die in het vat op de bodem van het vat wordt gegoten, kan verschillen van het gewicht van de gegoten vloeistof. In schepen met toenemende opwaartse dwarsdoorsnede de drukkracht op de bodem van het vat is kleiner dan het gewicht van de vloeistof; bij vaten met een naar boven afnemende doorsnede is de drukkracht op de bodem van het vat groter dan het gewicht van de vloeistof. De drukkracht van de vloeistof op de bodem van het vat is alleen voor een cilindrisch vat gelijk aan het gewicht van de vloeistof.

In de bovenstaande afbeelding is de druk op de bodem van het vat in alle gevallen hetzelfde en niet afhankelijk van het gewicht van de gegoten vloeistof, maar alleen van het niveau. De reden voor de hydrostatische paradox is dat de vloeistof niet alleen op de bodem drukt, maar ook op de wanden van het vat. De vloeistofdruk op de schuine wanden heeft een verticale component. In een vat dat naar boven uitzet, is het naar beneden gericht, in een vat dat naar boven taps toeloopt, is het naar boven gericht. Het gewicht van de vloeistof in het vat zal gelijk zijn aan de som van de verticale componenten van de vloeistofdruk over het gehele binnengebied van het vat

Laten we het experiment met een zuiger die water in een buis zuigt in meer detail analyseren. Aan het begin van het experiment (Fig. 287) bevindt het water in de buis en in de beker zich op hetzelfde niveau en raakt de zuiger het water met zijn onderoppervlak. Water wordt van onderaf tegen de zuiger gedrukt door atmosferische druk die inwerkt op het wateroppervlak in de beker. Atmosferische druk werkt ook van bovenaf op de zuiger (we zullen hem als gewichtloos beschouwen). Van zijn kant werkt de zuiger, volgens de wet van gelijkheid van actie en reactie, op het water in de buis en oefent daarop een druk uit die gelijk is aan de atmosferische druk die op het oppervlak van het water in de beker werkt.

Rijst. 287. Aanzuiging van water in de buis. Het begin van het experiment: de zuiger bevindt zich op het niveau van het water in de beker

Rijst. 288. a) Hetzelfde als in afb. 287, maar met de zuiger omhoog, b) Drukgrafiek

Laten we nu de zuiger op een bepaalde hoogte brengen; hiervoor moet u een naar boven gerichte kracht uitoefenen (afb. 288, a). Atmosferische druk zal water in de buis drijven die de zuiger volgt; nu zal de waterkolom de zuiger raken en er met minder kracht tegenaan drukken, dat wil zeggen, er minder druk op uitoefenen dan voorheen. Dienovereenkomstig zal de tegendruk van de zuiger op het water in de buis minder zijn. De atmosferische druk die op het oppervlak van het water in de beker werkt, wordt dan gecompenseerd door de druk van de zuiger in combinatie met de druk die wordt gecreëerd door de waterkolom in de buis.

In afb. 288, b toont een grafiek van de druk in de stijgende waterkolom in de buis. Breng de zuiger naar een grotere hoogte - het water zal ook stijgen, de zuiger volgen en de waterkolom wordt hoger. De druk veroorzaakt door het gewicht van de kolom zal toenemen; bijgevolg zal de druk van de zuiger aan het boveneinde van de kolom afnemen, aangezien deze beide drukken nog steeds de atmosferische druk moeten bedragen. Nu wordt het water met nog minder kracht tegen de zuiger gedrukt. Om de zuiger op zijn plaats te houden, moet u nu meer kracht uitoefenen: wanneer de zuiger omhoog wordt gebracht, zal de waterdruk op het onderoppervlak van de zuiger steeds minder de atmosferische druk op het bovenoppervlak compenseren.

Wat gebeurt er als, met een buis van voldoende lengte, de zuiger steeds hoger wordt? De waterdruk op de zuiger wordt steeds minder; ten slotte zal de druk van het water op de zuiger en de druk van de zuiger op het water verdwijnen. Op deze hoogte van de kolom zal de druk die wordt veroorzaakt door het gewicht van het water in de buis gelijk zijn aan de atmosferische druk. De berekening, die we in de volgende paragraaf zullen geven, laat zien dat de hoogte van de waterkolom gelijk moet zijn aan 10,332 m (bij normale atmosferische druk). Met het verder stijgen van de zuiger, zal het niveau van de waterkolom niet langer stijgen, omdat de externe druk de hogere kolom niet in evenwicht kan brengen: er zal een lege ruimte zijn tussen het water en het onderoppervlak van de zuiger (Fig. 289, a).

Rijst. 289. a) Hetzelfde als in afb. 288, maar wanneer de zuiger boven de maximale hoogte (10,33 m) komt. b) Drukgrafiek voor deze positie van de zuiger. c) In werkelijkheid bereikt de waterkolom niet zijn volledige hoogte, aangezien waterdamp bij kamertemperatuur een druk heeft van ongeveer 20 mm Hg. Kunst. en dienovereenkomstig verlaagt het bovenste niveau van de pilaar. Daarom heeft de echte grafiek een geknipte top. Voor de duidelijkheid, de waterdampdruk is overdreven

In werkelijkheid zal deze ruimte niet helemaal leeg zijn: deze wordt gevuld met lucht die vrijkomt uit het water, waarin altijd een beetje opgeloste lucht is; bovendien zal er in deze ruimte waterdamp zijn. Daarom zal de druk in de ruimte tussen de zuiger en de waterkolom niet precies nul zijn, en deze druk zal de hoogte van de kolom iets verlagen (Fig. 289, c).

Het beschreven experiment is erg omslachtig vanwege de hoge hoogte van de waterkolom. Als dit experiment zou worden herhaald, waarbij het water zou worden vervangen door kwik, zou de hoogte van de kolom veel lager zijn uitgevallen. In plaats van een buis met een zuiger is het echter veel handiger om het apparaat te gebruiken dat in de volgende paragraaf wordt beschreven.

173.1. Op wat maximale hoogte de zuigpomp het kwik in de buis kan opnemen als de atmosferische druk is?