Mechanické vlastnosti kapalin

Prezentace na téma: "Mechanické vlastnosti kapalin"— Transkript prezentace:

1 Mechanické vlastnosti kapalin
Fyzika 7.ročník ZŠ Mechanické vlastnosti kapalin Creation IP&RK

2 Rozcestník : Vlastnosti kapalin - opakování
Tlak v kapalině, hydrostatický tlak Působení vnější síly na kapalinu, Pascalův zákon Spojené nádoby Hydraulická zařízení Vztlaková síla působící na těleso v kapalině Archimedův zákon, příklady, Archimédes Potápění, plování a vznášení tělesa

3 Vlastnosti kapalin - opakování
Tekuté (dají se přelévat) Nemají stálý tvar (zaujímají jej podle nádoby) Snadno dělitelné (kapky) Nestlačitelné (objem se nemění) V klidu je hladina v nádobě vodorovná Při nižších teplotách se mění na pevné látky, při vyšších teplotách se mění na plynné látky

4 Z čeho vyplývají jejich vlastnosti?
Základem jsou vlastnosti molekul Jsou v neustálém neuspořádaném pohybu Udržují se přibližně ve stejných vzdálenostech od sebe Nejsou pevně vázané, mohou po sobě klouzat Jsou-li blízko u sebe – převažují síly přitažlivé Při větších vzdálenostech převažují síly odpudivé Brownův pohyb (aplet na webu) Tento applet demonstruje Brownian pohyb. velká částečka může být považována za smítko prachu, zatímco menší částečky mohou být považovány za molekuly plynu. Nalevo je pohled pod mikroskopem. Napravo je předpokládané vysvětlení pro chvění smítka prachu. Molekuly vody

5 Povrchové napětí se projevuje tak, že povrch kapaliny se chová jako pružná blána čím je povrchové napětí větší, tím snáze se na jeho povrchu udrží tělesa vzniká tak, že na povrchu kapaliny působí pouze síly směrem dovnitř (na rozdíl od sil mezi molekulami uvnitř kapaliny, které působí všemi směry) Čím vyšší teplota, tím nižší povrchové napětí Povrchové napětí se dá také snížit pomocí mýdla, saponátů, tuků

6 Vlastnosti kapalin - souhrn
Molekuly kapalin jsou stejně jako molekuly plynů či pevných látek v neustálém neuspořádaném pohybu. Udržují se v přibližně stejných vzdálenostech od sebe. Nejsou však vázány na jedno místo a mohou po sobě klouzat. Molekuly na sebe působí odpudivými silami, jsou-li příliš blízko u sebe, při větších vzdálenostech jsou mezi nimi síly přitažlivé. Kapaliny jsou tekuté, jejich tvar je určen tvarem nádoby. Jsou nestlačitelné. Důsledkem sil mezi molekulami je pružná blána na povrchu kapaliny. Její vlastnost popisuje fyzikální veličina povrchové napětí.

7 Hustota v závislosti na teplotě kapaliny
Při zvýšení teploty kapaliny se zvětší její objem. Protože hmotnost se nemění, hustota kapaliny se zmenší. Výjimkou je voda. Její objem se při zvýšení teploty mezi 0°C a 4°C zmenšuje a hustota vody se zvětšuje. Hustota vody je proto při 4°C největší. Tato výjimka se nazývá teplotní anomálie vody.

8 Tlak v kapalině – hydrostatický tlak
je způsoben tíhou kapaliny, tzn. gravitační silou Země, která působí na částečky kapaliny. HYDRO = VODNÍ STATICKÝ = KLIDOVÝ HYDROSTATICKÝ = TLAK VE STOJÍCÍ VODĚ Hydrostatický tlak ve vodě poznáte tlakem vody na spánky, oči, ušní bubínek – na části, které jsou na změnu tlaku citlivé. Vodní organismy jsou na tlak vody přizpůsobeny, a některé mohou pobývat i ve velkých hloubkách Zajímavost ODKAZ Video – JAK PŮSOBÍ HYDROSTATICKÝ TLAK

9 Tlak v kapalinách vyvolaný tíhovou silou:
V důsledku působení gravitace na částice kapaliny „tlačí“ kapalina na své okolí. Tlak kapaliny takto vyvolaný nazýváme hydrostatický tlak, sílu kapaliny takto vyvolanou nazýváme hydrostatická tlaková síla. Hydrostatická tlaková síla: označujeme Fh [Fh]=N

10 Hydrostatický tlak - odvození vztahu:
Jestliže využijeme znalostí o výpočtu tlaku: a za sílu F dosadíme hydrostatickou sílu Fh vše zapíšeme ve tvaru zlomku, zkrátíme S Získáme vztah pro výpočet hydrostatického tlaku ph :

11 Hydrostatický tlak roste:
s hloubkou ponoření v kapalině (čím větší hloubka, tím větší tlak) s hustotou kapaliny (čím větší hustota, tím větší tlak a naopak) “slaná voda má větší hustotu než sladká – ve stejné hloubce je větší tlak ...“ závisí na gravitaci (kapalina se musí vyskytovat v gravitačním poli)  Nezáleží na množství (hmotnosti, objemu) kapaliny! Latimérie - v hlubokých vodách

12 ph= h.ρ.g ph .....značka hydrostatického tlaku K zapamatování:
h .....hloubka (vzdálenost od volné hladiny) ρ .....značka hustoty (hustota vody ρ =1000kg/m3) g .....gravitační konstanta (g =10N/kg) 1Pa ....jeden Pascal („paskal“...jednotka tlaku) DALŠÍ JEDNOTKY: megapascal MPa, kilopascal kPa

13 ( max. hloubka sečské přehrady je 25 m !!! )
Vypočítej jaký hydrostatický tlak působí na potápěče v přehradě v hloubce mm? Příklad 1: h =50 000mm ρ=1000kg/m3 g =10N/kg ph = ? (Pa) = 50 m Co známe? Výpočet: ph= h.ρ.g ph= 50m kg/m3 . 10N/kg = Pa = 500kPa = 0,5MPa Hydrostatický tlak na potápěče v hloubce 50 metrů je 0,5 MPa. ( max. hloubka sečské přehrady je 25 m !!! )

14 Příklad 2: ph= h.ρ.g h = ph : (ρ.g)
Vypočítej, v jaké podmořské hloubce působí na ponorku tlak 2 MPa? Co známe? ph = 2 MPa = Pa ρ = 1030 kg/m3 (slaná voda je hustší něž sladká) g =10 N/kg h =? (m) Výpočet: ph= h.ρ.g h = ph : (ρ.g) ph= Pa : (1000kg/m3 .10N/kg) = 200 m Oceánský hydrostatický tlak 2 MPa působí v hloubce 200 m.

15 Působení vnější tlakové síly na kapalinu
Pro úplnost … Tlak v kapalině NEZÁVISÍ na tvaru nádoby nebo množství kapaliny v ní obsažené – pouze na hloubce pod hladinou. HYDROSTATICKÉ PARADOXON Působení vnější tlakové síly na kapalinu Známe hydrostatický tlak .. ph = h . ρ . g, který je způsobený tíhou kapaliny Budeme-li kapalinu v nádobě stlačovat silou, vyvoláme tlak, který je dán součtem hydrostatického tlaku a tlaku vyvolaného vnější silou silou.

16 Tlak v kapalinách Pascalův zákon
Působíme-li na pevné těleso tlakovou silou F, přenáší se tato síla ve směru, kterým působí. Naproti tomu v kapalinách se přenáší tlaková síla do všech směrů a síla působí vždy kolmo na určitou plochu kapalného tělesa. Pascalův zákon Popisuje chování kapaliny v uzavřené nádobě Působí-li na kapalinu v uzavřené nádobě vnější tlaková síla, zvýší se tlak ve všech místech kapaliny stejně.

17 Spojené nádoby Na základě hydrostatického tlaku lze vysvětlit podstatu spojených nádob. Spojené nádoby jsou nádoby, které jsou u dna spojeny trubicí. Jejich tvar může být jakýkoli. Nalijeme-li do těchto nádob kapalinu o stejné hustotě, pak se hladina ve všech nádobách ustálí ve stejné výšce h nad společným dnem. Je to způsobeno důsledkem Pascalova zákona - ve všech místech kapaliny je stejný tlak. U dna tedy bude tlak ph = h × ρ × g, ρ a g jsou stejné, proto musí být i stejná výška h.

18 Zdymadlo – schod v řece Stavějí se u jezů a přehrad, aby se umožnil přejezd lodí z vyšší hladiny na nižší jsou to nádrže oddělené vraty od řeky. S řekou je spojuje potrubí, jímž se voda do nich připouští a z nich vypouští.

19 Využití spojených nádob
kropící konev, čajník, vodotrysk, kuchyňská výlevka, fontána, schéma splachování vodováha, měřič hladiny v cisterně, přečerpání ze sudu

20 Hydraulické zařízení Hydraulické zařízení je mechanický stroj vycházející z Pascalova zákona, jehož hlavní součásti tvoří 2 písty a mezi nimi uzavřená kapalina (většinou se jedná o hydraulický olej). Působí-li síla na jeden píst, kapalina přenese sílu k druhému pístu.

21 Princip fungování hydraulického zařízení
Síla, působící na první píst, vytváří v kapalině tlak, který se přenáší do všech míst kapaliny, tedy i k druhému pístu. Na druhý píst tlačí kapalina stejně velkým tlakem a podle velikosti obsahu pístu působí celkovou silou, která může být větší než byla původní síla na první píst. Síla se tak nejen přenese, ale i zvětší. Můžeme tedy při působení velmi malou silou na jeden píst vyvolat značnou sílu na druhém pístu, ovšem práce zůstává stejná. Dráha malého pístu je tolikrát větší, kolikrát větší je síla vyvolaná pístem s větším plošným obsahem.

22 Využití hydraulického zařízení
Dokážeš pojmenovat ???

23 Použití Velký význam má Pascalův zákon v hydraulických brzdách. Zde existence stejného tlaku ve všech místech rozvodu brzdové kapaliny umožňuje, aby brzdy na kola působily stejnými silami a vozidlo se při brždění nedostalo do smyku.

24 Hydraulický lis Obsah malého pístu hydraulického lisu
je 10 cm2 a působí na něj síla 100 N. Obsah velkého pístu je 300 cm2. Urči velikost tlakové síly, kterou působí kapalina na velký píst. F2 F1 S1 S2

25 Důvod k zamyšlení V jakém případě snadněji zvedneš tašku plnou kamení? Kde lépe uneseš kamaráda – ve vodě nebo na souši? Proč ???

26 Vztlaková síla Co je to asi za sílu ??? Pokus:
100 g závaží – siloměr ukazuje 1 N závaží ponoříme do vody - siloměr ukazuje 0,85 N Ve vodě působí kromě tíhové síly ještě síla 0,15 N mířící vzhůru. Co je to asi za sílu ???

27 Síly působící na těleso ponořené do kapaliny:
Vztlaková síla: vztlaková síla působí svisle vzhůru Závisí na objemu ponořené části tělesa Změnou objemu je možné vztlakovou sílu měnit Toho využívají ryby – mají měchýř, jehož objem můžou měnit Zmenší-li jej – ryba klesá Zvětší-li jej – ryba stoupá tíhová síla působí svisle dolů

28 Vztlaková síla Závisí na objemu ponořené části tělesa
I člověk může měnit svůj objem: nadechováním – splývání vydechováním - potápění Nezávisí na hloubce, v níž je těleso ponořeno!! V … objem ponořené části tělesa [m3] ρ … hustota kapaliny [kg/ m3] g … tíhové zrychlení [N/kg]

29 Archimédův zákon Java applet vztlaková síla
Těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno silou, která se rovná tíze kapaliny tělesem vytlačené. Přesněji: vytlačené ponořenou částí tělesa !!! Java applet vztlaková síla

30 Příklad 1: Určete vztlakovou sílu působící na Petra při potápění
v bazénu. Objem Petra je V = 0,06 m3, hustota vody je ρ = 1000 kg/m3. Na Petra působí vztlaková síla o velikosti 600 N.

31 Příklad 2: Jak velká vztlaková síla působí ve vodě na ponořenou krychli o hraně délky 15 cm? Na ponořenou krychli působí vztlaková síla o velikosti 33,75 N.

32 Syrakuský král chtěl zjistit, zda nová koruna je z čistého zlata.
Archimédes největší starořecký matematik a fyzik (287 – 212 př.n.l.) Žil v Syrakusách Účinné obranné zbraně (obří praky, otočné jeřáby, katapulty, zrcadla ) Ž i v o t o p i s Archimédes – příběh jeho objevu Syrakuský král chtěl zjistit, zda nová koruna je z čistého zlata. Archimédes nemohl korunu porušit. Jednou, když se koupal v lázních, pozoroval, jak jeho tělo vytlačuje vodu. Našel řešení problém – prý vyběhl z lázní nahý a volal „HEURÉKA!“ (našel jsem) do nádoby s vodou položil korunu – sledoval hladinu do téže nádoby položil kus čistého zlata se stejnou hmotností jako měla koruna a hladina nevystoupila tak vysoko … Koruna nebyla z čistého zlata!

33 Příčina rozdílného chování
Plování a potápění těles Co se může stát, když těleso zcela ponoříme do kapaliny? Těleso se potápí, klesá ke dnu Těleso setrvává v klidu – vznáší se Těleso stoupá k hladině Příčina rozdílného chování Na těleso působí 2 síly: Tíhová směrem dolů FG = m . g = V . ρtělesa . g Vztlaková směrem nahoru Fvz = V . ρkapaliny . g Objem tělesa a gravitační konstanta jsou ve vzorcích stejné chování tělesa záleží na hustotách

34 FVZ < Fg => těleso se potápí
hustota tělesa je větší, než hustota kapaliny ρt > ρk 2. Těleso stoupá ke hladině - plove FVZ > Fg => těleso stoupá k hladině – plove hustota tělesa je menší, než hustota kapaliny ρt < ρk

35 FVZ = Fg => těleso se vznáší v kapalině
hustota tělesa je stejná, jako hustota kapaliny ρt = ρk Souhrnný přehled: Ve vodě se může vznášet: vejce, mikrotenový sáček,..

36