Как определить силу давления под водой

Все, что необходимо знать о силе давления воды

Пловец, нырнувший глубоко, ощущает боль в ушах. На барабанные перепонки воздействует сила давления воды.

Корабль в воде не тонет благодаря выталкивающей силе. Вода способна легко изменять свою форму, она воздействует на поверхности тел при соприкосновении с ними.

Чему равна сила давления воды и что это такое, расскажем в статье.

Что это такое?

В сосуде, заполненном водой, на дно давит сила, равная весу столба жидкости. Это вызванное силой тяжести давление называется гидростатическим.

Законы гидростатики описал Блез Паскаль. В 1648 г. он удивил горожан опытом, демонстрирующим свойства воды.

Вставив в бочку, заполненную водой, длинную узкую трубку, он налил в нее несколько кружек воды, и бочку разорвало.

Согласно закону Паскаля, приложенное к H2O усилие распространяется равномерно во всем объеме. Это объясняется тем, что вода почти не сжимается. В гидравлических прессах используют это свойство.

Плотность воды все же растет при высоком давлении. Это учитывается при расчетах конструкций глубоководных аппаратов.

Факторы, влияющие на показатель

При отсутствии внешнего воздействия, играют роль два фактора:

Выше уровень воды, налитой в сосуд, — выше напор на дно. Если в одной емкости ртуть, а в другой вода и при этом уровни жидкостей одинаковы, то в первом случае давление на дно больше, так как ртуть имеет большую плотность.

Если же к поверхности приложить поршень и давить на него, то напор будет складываться из:

При этом форма сосуда не определяет размер усилия, создаваемого столбом. Оно будет одним и тем же при равной высоте столба, хотя стенки емкости могут расширяться кверху или сужаться.

На дно и стенку сосуда – в чем разница?

Вода, заполняющая емкость, оказывает давление по направлению всегда перпендикулярно поверхности твердого тела, по всей площади соприкосновения с дном и стенками.

Усилие на дно распределено равномерно, то есть оно одинаково в любой точке. Заполнив водой сито, можно увидеть, что струи, текущие через отверстия, равны по напору.

Единицы измерения

Давление воды измеряют в:

• паскалях – Па;
• метрах водяного столба – м. в. ст.
• атмосферах – атм.

Практически достаточно знать, что 1 атмосфера равна 10 метрам водяного столба или 100000 Па (100кПа).

Формулы расчета

Давление на дно сосуда рассчитывается делением силы на площадь, то есть оно равно произведению плотности воды, высоты столба и ускорения свободного падения g (величина постоянная, равна 9,8 м/с2).

Пример расчета: бак наполнен водой (плотность 1000 кг/м3) до высоты 1,2 м. Нужно найти, какое давление испытывает дно бака. Решение: P = 1000*1, 2*9, 8 = 11760 Па, или 11, 76 кПа.

Для расчета давления на стенки сосуда применяют все ту же формулу напора, приведенную выше. При расчете берется глубина от точки, в которой нужно рассчитать напор, до поверхности воды.

Пример расчета: на глубине 5 м на стенку резервуара с водой будет оказываться давление P=1000 *5 * 9, 8=49000 кПа, что составляет 0,5 атмосферы.

Расчет давления воды на дно и стенки сосуда в видео:

Применение на практике

Примеры использования знаний свойств воды:

1. Подбирая насос для водоснабжения дома высотой 10 м, понимают, что напор должен быть минимум 1 атм.
2. Водонапорная башня снабжает водой дома ниже ее по высоте, напор в кране у потребителей обеспечен весом столба воды в баке.
3. Если в стенках бочки появились отверстия, то, чем ниже они расположены, тем более прочным должен быть материал для их заделки.
4. Замеряют дома напор холодной воды в кране манометром. Если он менее чем 0,3 атм (установлено санитарными нормами), есть основания для претензий к коммунальщикам.

Используя гидравлический пресс, можно получить большое усилие, при этом приложив малую силу. Примеры применения:

• выжимка масла из семян растений;
• спуск на воду со стапелей построенного судна;
• ковка и штамповка деталей;
• домкраты для подъема грузов.

Заключение

Такие свойства воды, как текучесть и несжимаемость, дают возможность использовать силу ее давления для самых различных целей.

Опасность этого явления учитывают при расчетах на прочность корпусов подводных лодок, стенок и днищ резервуаров, в которых хранят воду. Сила давления воды совершает полезную работу, она же способна и разрушать.

Источник

Показатели давления воды на глубине

Глубина оказывает прямое воздействие на давление воды. Между ними прямая зависимость. Данное значение рассчитывается по специальной формуле. На различных участках глубоководья указанная величина заметно отличается.

Рассмотрим в статье особенности расчет и составляющие формулы, а также отличается ли давление на участках с разной глубиной.

Влияние глубины

Чем глубже происходит погружение в водную толщу, тем больше становится ее сила. Глубина прямо влияет на увеличение давление. Это значение возрастает пропорционально.

Чем глубже, тем больше плотность водной толщи. С каждым последующим опусканием тела возникает все большая разница между внешним и внутренним водным давлением.

На поверхности действует атмосферное давление. При опускании в воду помимо него тела начинают испытывать еще и гидростатическое сдавливание.

Даже на мелководье на тело оказывается суммарное влияние, состоящее из атмосферного и гидростатического. При нырянии внешнее воздействие на тело возрастает. Возникает разница из-за увеличения плотности среды.

Зависимость двух физических показателей

С каждым последующим опусканием на 10 м воздействие становится больше на 1 атмосферу. Уже при погружении на 100 метров тела испытывают давление, соизмеримое с тем, что создается в паровом котле.

С погружением общее давление как на человека, так и на любой другой объект, возрастает. На 10 м оно становится больше вдвое.

Прирост давления на глубоководье неодинаков:

• На 10 м прирост составляет 100%.
• На 20 м он уже уменьшается вдвое (50%).
• На 40 он падает до 25%.
• На 60 он уже меньше 20% и составляет 17%.

В воде помимо атмосферного давления возникает еще гидростатический прессинг. Он также называется избыточным. При нахождении в воде любой объект будет испытывать уже сумму двух давлений: атмосферного и избыточного.

Зависимость двух величин напрямую прослеживается при изучении состояния человека, находящегося в условиях глубоководья. Если поместить человека в глубоководную среду, то он не сможет сделать полноценный вдох.

Возникшая разница между двумя давлениями, одно из которых оказывается на грудную клетку водой, а второе воздухом, что создается в легких, не позволит человеку нормально дышать. При большем погружении грудная клетка разорвется.

Формула для расчета

Данный показатель повышается пропорционально погружению. Он рассчитывается по специальной формуле:

• p — плотность среды. Примерно равна 1000 кг/м 2 .
• g — это ускорение, которое придается телу силой тяжести. Это значение называется ускорением силы тяжести или свободного падения. На Земле данная величина примерно равняется 9,81 м/с 2 .
• h — глубина, на которую погружается какой-либо объект. Высчитывается в метрах.

Формула является выражением закона Паскаля. По ней высчитывается значение гидростатического прессинга. Он напрямую зависит от высоты водного столба.

Произведение плотности (p) и ускорения (g) приблизительно равняется 0,1 атм. С каждым метром опускания на дно воздействие в водной среде повышается на 0,1 атм. Данное правило подтверждает тот факт, что чем глубже происходит опускание в толщу, тем выше становится показатель воздействия.

Сколько составляет на различных глубоководных участках?

Если какой-либо объект поместить в воду на один метр, то он будет испытывать на себе силу, равную 0,1 атм.

Предмет, погруженный на 2 м, уже станет испытывать прессинг величиной около 0,2.

С каждым последующим метром показатель будет возрастать на 0,1 атм. При 5 м значение равняется 0,5. При 10 оно будет уже равняться 1. Более точное число равняется 0,97 атмосферы.

На глубоководье водная толща становится сжатой. Ее плотность увеличивается. Уже на 100 м сила будет практически равняться 10. Более точное число составляет 9,7.

На глубинном участке в 1 км водная среда будет сдавливать находящиеся в ней объекты примерно со значением в 97 атм. Поскольку при 100 м величина равна 9,7, то на 1000 м она увеличивается в 10 раз.

Изменение показателя на разных глубоководных участках представлено в таблице.

Глубина, на которую объект погружается в воду, в метрах	Давление в атмосферах.
1	0,10
2	0,19
3	0,29
4	0,39
5	0,49
10	0,97
15	1,46
25	2,43
50	4,85
100	9,70
200	19,40
250	24,25
500	48,50
1000	97

При первых 10 метрах прирост невысокий и составляет 0,1 атмосферы. Дальше его показатель увеличивается.

Заключение

Глубина влияет на давление воды. С каждым метром движения объекта вглубь его показатель увеличивается на 0,1 атм. Уже на 10 м сдавливающая сила воды составляет почти 1 атмосферу. Зависимость обеих величин обусловлена плотностью воды, которая возрастает по мере движения тела в ней на дно.

Также на глубоководье происходит увеличение внешнего силового воздействия на объект. Если на поверхности тела испытывают воздействие только атмосферного давления, то в воде помимо него на них еще оказывается и гидростатическое.

При этом прирост воздействия на разных глубинных участках неодинаков. Особенно он высок при первых 10 м погружения. Дальше он начинает довольно быстро снижаться.

Источник

Давление создаваемое водой при погружении

Давление и глубина всегда взаимосвязаны. Соотношение между ними выявляется через специальную формулу. Давление меняется на разной глубине. О том, как оно высчитывается и что требуется для вычислений мы расскажем дальше.

Глубина погружения

Организм человека в большей степени адаптирован к воздушной среде. В воде он чувствует себя иначе, поскольку она гораздо плотнее воздуха. У некоторых людей возникает тяга к покорению глубины только из-за такого физиологического фактора.

На суше организм испытывает давление в 1 атмосферу, поэтому на каждый квадратный сантиметр приходится всего 1 кг. В результате этого возникает нагрузка около 16 тонн, но она компенсируется внешним давлением, из-за чего человек не ощущает такой тяжести.

Вода тяжелее воздуха, поэтому при погружении эта величина постоянно растет и меняется в зависимости от веса столба воды. Чем ниже погружается человек, тем сильнее поднимается давление воды, на этом основано уже несколько теорий, которые удалось подтвердить.

Получается, что при погружении в толщу повышается плотность жидкости, из-за чего при опускании постоянно увеличивается разница между давлением внутри и снаружи.

На суше существует только атмосферное давление, его показатель статичен: на каждом квадратном сантиметре земли оно составляет 1033 кг. Его испытывают все люди и предметы на поверхности. Несмотря на высокий показатель, человек не чувствует его из-за уравновешивания и распределению по всему телу.

К этому показателю тело приспособлено, поскольку при нем развивались все органы и части тела. Однако, существует еще и давление водяного столба, его называют гидростатическим. Оно указывает на показатель, который демонстрирует уровень жидкость в результате силы тяжести. При погружении тело человека ощущает оба показателя. С помощью гидростатики ученые определяют не только водонепроницаемость и остальные параметры, они изучают гидравлику, законы равновесия и способы их практического применения.

Даже находясь на мелководье, тело человека испытывает гидростатическое и атмосферное давление. Во время ныряния и другого резкого погружения на глубину разница стремительно растет, поскольку плотность среды увеличивается. Так происходит из-за того, что верхние слои всегда оказывают давление на нижние, появляется сдавливающая сила, которая сильнее ощущается на глубоководье.

Насколько зависимы эти показатели?

На глубине погружения в 10 метров давление составляет 1 атмосферу, при превышении дистанции оно медленно увеличивается. Если опуститься на 100 метров, то ощущение появится такое же, как тело испытывает в паровом котле.

При этом создаваемое водой на дне озера давление не всегда соразмерно тому, что рассчитывается изначально. Показатели здесь следующие:

• 10 м — прирост составляет 100%, то есть вместо одной атмосферы появляется две;
• 20 м — показатель составляет лишь 50%;
• 40 м — он достигает уже 25%;
• 60 м — уровень падает до 15–20%.

Каждый погруженный в воду предмет дополнительно испытывает гидростатический прессинг, этот показатель считается избыточным.

Впервые взаимосвязь между глубиной и давлением обнаружили во время изучения того, как организм человека меняется при нахождении на глубине. Этим же объясняется то, что при сильном погружении люди не могут вдохнуть кислород, даже если он подключен.

В этом случае влияет разница между двумя уровнями давления и тем, насколько сильным становится класс прессинга, который влияет на грудную клетку. Поэтому при большом погружении грудная клетка просто разрывается, даже если человек подключен к кислородному баллону.

Как рассчитать давление воды?

Поскольку уровень меняется в зависимости от глубины, его определяют по следующей формуле:

• h — уровень глубины погружения в метрах, при этом не учитывают, какой именно объект там находится;
• g — ускорение, возникающее в результате силы тяжести, иногда вместо него за показатель берут силу свободного падения, на поверхности он не меняется и едва превышает 9 единиц;
• р — плотность, которая высчитывается в соотношении килограмм на квадратный метр.

Эта формула появилась в результате формирования закона Паскаля, который определяет показатель давления на жидкость и газ. Выявленная закономерность указывает, что значение прессинга меняется в зависимости от размера водяного столба.

По этой формуле с каждым метром давление увеличивается примерно на 0,1 атмосферу, поэтому при погружении на глубину с каждым метром увеличивается сила воздействия.

На какой глубине давление опасно?

Поскольку каждые 10 метров показатель увеличивается на одну единицу, организм человека выдерживает только определенную глубину. При погружении сердцебиение замедляется примерно на 20%, а при частом нырянии еще больше. Из-за этого в организме снижается уровень потребления кислорода. В такой ситуации организм рефлекторно защищает легкие от попадания воды и повышает давление.

В этот период кровь приливает к жизненно важным органам, чтобы защитить их от высокого давления. Также повышается гемоглобин, чтобы формировались запасы кислорода. Рефлекс появляется даже в том случае, если не нырять, а просто опустить голову в прохладную воду.

Организм пытается предотвратить влияние прессинга, но полностью защититься от него он не может. Уже на глубине 3 м диафрагма неспособна в достаточной мере расширить легкие, чтобы они раскрылись и сделали вдох. У дайверов эта проблема решается тем, что воздух подается под тем же давлением, что и в окружающей среде.

Компенсировать прессинг удается только примерно до 60 метров, на этой глубине давление уже равняется 5 атмосферам. После этого воздух становится еще плотней, поэтому даже при возможности дыхания на этот процесс у человека уходят все силы. В таблице показаны остальные показатели давления и глубина погружения при этом.

Поскольку при погружении прирост давления неодинаковый и снижается он медленно, у человека остается достаточно времени, чтобы подняться повыше. Если этого не сделать, то кислород станет токсичным и вызовет отравление, которое спровоцирует судороги, тошноту, головную боль.

Источник