Давление твердых тел

Фразу «Не дави на меня» можно заменить на другую: «Дави на меня, пожалуйста, с большей площадью соприкосновения». В этой статье — о том, что такое давление, и почему не все зависит от силы.
  • Автор

    Карина Хачатурян

  • Рубрика

    7 класс

  • Дата публикации

    21.05.2021

  • Просмотры

    2111

Твердое агрегатное состояние

В природе есть три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное Их характеристики — в таблице:

 
Агрегатные состояния Свойства Расположение молекул Транскрипция Русский аналог
Твердое сохраняет форму и объем в кристаллической решетке соотносится с размером молекул колеблется около своего положения в кристаллической решетке
Жидкое сохраняет объем хаотично близко друг к другу малоподвижны, при нагревании
Газы занимают предоставленный объем хаотично больше размеров молекул хаотичное и непрерывное

Твердое состояние очень легко представить — это любой предмет, который мы встречаем в жизни. В этом состоянии тело сохраняет форму и объем. Расстояние между молекулами, приблизительно равно размеру самих молекул, которые, в свою очередь, расположены очень структурированно.

Такая структура называется кристаллической решеткой — из-за четкой структуры молекулам сложно двигаться, и они просто колеблются около своих положений.

 

Агрегатных состояния точно три?

На самом деле, есть еще четвертое — плазма. Звучит, как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.

Давление твердого тела

Идущий по рыхлому снегу человек будет в него постоянно проваливаться. Но, надев лыжи, он может передвигаться по снегу спокойно. Казалось бы, сила и масса человека не меняется — он воздействует на снег с одинаковой силой и на лыжах, и без них.

Дело в том, что «проваливание» в снег характеризуется не только силой — оно также зависит от площади, на которую эта сила воздействует. Площадь поверхности лыжи в 20 раз больше площади поверхности подошвы, поэтому человек, стоя на лыжах, действует на каждый квадратный сантиметр с силой в 20 раз меньшей, чем без них.

Или, например, если втыкать кнопки в пробковую доску, и действовать на них с одинаковой силой — легче войдет та кнопка, у которой более заостренный конец, так как у него площадь меньше.

А теперь подтвердим этот вывод опытами, как настоящие физики.

Резюмируем
Результат действия силы зависит не только от ее модуля, направления и точки приложения, но и от площади поверхности, к которой эта сила приложена.

А теперь подтвердим этот вывод опытами, как настоящие физики

Возьмем небольшую доску и вобьем гвозди в ее углы. Также возьмем емкость с песком и поставим конструкцию из доски и гвоздей в эту емкость. Сначала расположим конструкцию так, как показано на рисунке — «шляпками» вниз — и поставим на нее гирю. Конструкция не потонет в песке, а только чуть-чуть углубится.


грузик с гвоздями

Затем перевернем конструкцию так, чтобы «шляпки» гвоздей оказались сверху и также поставим на доску гирю. Теперь конструкция потонет в песке.


грузик с перевернутыми гвоздями

От того, какая сила действует на каждую единицу площади поверхности, зависит результат действия силы

Во всех примерах мы говорили о действии силы, перпендикулярной поверхности. Чтобы охарактеризовать это действие, вводят величину «давление».

Давление

p = F/S

p — давление [Па]

F — сила [Н]

S — площадь [м^2]

Как уменьшить или увеличить давление

Тяжелый гусеничный трактор производит давление на почву, равное 40 — 50 кПа. Мальчик массой 45 кг производит давление всего лишь в 3 раза меньше, чем такой трактор. Это связано как раз с тем, что площадь гусениц больше.

В зависимости от того, какое давление хотят получить, площадь опор уменьшают или увеличивают. Например, чтобы уменьшить давление здания на грунт, в процессе строительства увеличивают площадь нижней части фундамента.

Шины грузовых автомобилей делают значительно шире легковых автомобилей (обратите внимание на колеса какой-нибудь большой фуры). Самые широкие шины можно увидеть на автомобилях, предназначенных для передвижения в пустыне. Тот же самый «лайфхак» используется в шасси самолетов.

Обратная зависимость тоже используется, например, при создании лезвий колющих и режущих инструментов. Острое лезвие имеет малую площадь, поэтому даже при небольшом нажатии создается большое давление.

Задачка раз

Книга лежит на столе. Масса книги равна 0,6 кг. Площадь ее соприкосновения со столом равна 0,08 м2. Определите давление книги на стол.

Решение:

На стол будет давить сила, равная весу книги. Так как она покоится, ее вес будет равен силе тяжести. Следовательно:

p = mg/S = 0,6*10/0,08 = 75 Па

Ответ: давление книги на стол будет равно 75 Па

Задачка два

Гусеничный трактор ДТ-75М массой 6610 кг имеет опорную площадь обеих гусениц 1,4 м2. Определите давление этого трактора на почву.

Решение:

Возьмем небольшую доску и вобьем гвозди в ее углы. Также возьмем емкость с песком и поставим конструкцию из доски и гвоздей в эту емкость. Сначала расположим конструкцию так, как показано на рисунке — «шляпками» вниз — и поставим на нее гирю. Конструкция не потонет в песке, а только чуть-чуть углубится.

p=m⋅g/S = 6610⋅10/1,4 = 47 214Па = 47,2 кПа.

Ответ: давление трактора на почву составляет 47,2 кПа

Задачка три

Человек массой 80 кг с сумкой весом 100 Н стоит неподвижно на полу. Сила давления подошв его ботинок на пол равномерно распределена по площади 600 см2. Какое давление человек оказывает на пол?

Решение:

Масса человека: m = 80 кг.

Вес сумки, которую держит человек: Pc = 100 Н.

Площадь соприкосновения подошвы ботинок с полом: S = 600 кв. см.

600 кв. см = 600/10000 кв. м = 0,06 кв. м

Давление — это отношение силы к площади, на которую она действует. В данном случае на площадь действует сила, равная сумме силы тяжести человека и веса сумки:

F = mg + Pc

Поэтому давление, оказываемое человеком с сумкой на пол, равно

p = (mg + Pc)/S = (80*10 + 100)/0,06 = 15 000 Па = 15 кПа

Ответ: давление человека, держащего сумку, на пол равно 15 кПа

 
  • 0
  • 0
  • 0
  • 0
  • 0
  • 0