Манометри. Гідравлічні машини. Насоси

1-й семестр

МЕХАНІЧНІ ЯВИЩА

2. Взаємодія тіл

Урок 16/29

Тема. Манометри. Гідравлічні машини. Насоси

Мета уроку: дати учням знання про пристрій і принцип дії рідинного й металевого манометрів; ознайомити із принципом роботи гідравлічних машин, насосів.

Тип уроку: комбінований урок.

План уроку

Контроль знань	10 хв.	Самостійна робота № 13 “Тиск рідин і газів”
Демонстрації	4 хв.	1. Водяной U-подібний манометр. 2. Модель металевого манометра. 3. Модель гідравлічного преса. 4. Таблиця “Насоси”
Вивчення нового матеріалу	24 хв.	1. Відкритий рідинний манометр. 2. Металевий манометр. 3. Гідравлічні машини. 4. Насоси
Закріплення вивченого матеріалу	7 хв.	1. Контрольні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі. 3. Поміркуй і відповідай

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Відкритий рідинний манометр

Рівень рідини в сполучених посудинах залежить від зовнішнього тиску. Це явище використане для побудови

рідинних манометрів – приладів для вимірювання тиску.

Рідинний манометр складається з металевого або дерев’яного вертикального корпуса, на якому закріплена U-подібна скляна трубка й шкала для вимірювання висоти рівня рідини в кожному коліні трубки.

На рисунку ви бачите U-подібний манометр із підфарбованою водою. Правий його кінець сполучається з атмосферою. За допомогою шланга до манометра приєднана посудина, що на початку досліду теж сполучається з атмосферою. При цьому рівні води в манометрі перебувають біля відмітки 0 см. Потім, відкачуючи насосом

Повітря, зменшують його тиск у посудині. При цьому вода в манометрі зміщується вліво. З’ясуємо, чому це відбувається.

У манометрі на праву поверхню води діє атмосферний тиск, а на ліву – менший тиск. Через нерівність тисків вода й зміщується вліво. Змістившись, вода зупиняється, отже, тиск ліворуч від точки “В” дорівнює тиску праворуч від неї. Прирівняємо ці тиски:

У лівій частині цієї рівності записана сума тиску в посудині й тиску стовпа води ліворуч. У правій частині рівності – сума атмосферного тиску й тиску стовпа води праворуч. Підставляючи чисельні значення, одержуємо:

Звідси: рпосудини = ратм – 4-103.

Рівність показує, що щодо атмосферного тиску тиск у посудині на 4 кПа менше. Це значення ми дізналися саме завдяки манометру. Легко підрахувати й абсолютний тиск у посудині: 100 кПа – 4 кПа = 96 кПа.

Отже, U-подібна трубка, заповнена рідиною, є приладом для вимірювання тиску – відкритим рідинним манометром.

2. Металевий манометр

Рідинний U-подібний манометр незручний для вимірів, тому що дозволяє одержувати значення тиску не відразу, а лише після деяких обчислень, крім того, рідину необхідно наливати до певного рівня. Із цієї причини в техніці набули поширення так звані металеві деформаційні манометри, що відразу показують вимірюваний тиск.

В основі роботи деформаційного манометра лежить деформація (вигин) пружної дугоподібної трубки 1 (див. рисунок). За допомогою двох тяг 2 рух кінців трубки передається стрілці 3, що закріплена на осі 4. Кінець стрілки пересувається по шкалі 5. Трубка, стрілка й шкала поміщені усередину корпуса 6.

При збільшенні тиску газу усередині трубки її кінці розпрямляються й викликають зміщення стрілки вправо по шкалі. При зменшенні тиску під дією сил пружності, що діють у стінках трубки, стрілка зміститься у зворотному напрямку.

Шкала манометра проградуйована в паскалях, кілопаскалях або атмосферах (атм).

3. Гідравлічні машини

Механізми, що працюють за допомогою якої-небудь рідини, називаються гідравлічними.

Найпростіший гідравлічний механізм складається із двох циліндрів різного діаметра, обладнаних поршнями. Циліндри з’єднані між собою й заповнені рідиною, найчастіше маслом.

Якщо помістити вантаж на поршень, що закриває вузьку посудину, то поршень опуститься. Але щоб відновити рівність рівнів рідини в посудинах, на “широкий” поршень доведеться поставити більший вантаж, ніж той, що стоїть на “вузькому” поршні.

Це легко пояснити, скориставшись законом Паскаля. Відповідно до цього закону, тиск рідини в обох колінах на одному рівні однаковий. Однак при цьому сили тиску рідини на поршні різні: при рівності тисків рідина тисне із більшою силою на поршень, що має більшу площу.

Якщо позначити площі поршнів S1 й S2, а сили тиску рідини на ці поршні F1 й F2, то можна записати:

Відношення F1/F2 характеризує виграш у силі, отриманий у даному механізмі. З отриманої формули випливає, що виграш у силі визначається відношенням площ S2/S1.

Чим більше відношення площ поршнів, тим більше виграш у силі.

Практичним застосуванням цього правила є гідравлічний прес, підйомник і безліч інших пристроїв.

4. Насоси

Першими гідравлічними машинами, що застосовувалися ще в давнину, були насоси для подачі води у водопроводи й фонтани.

Підняття рідини за поршнем лежить в основі роботи всмоктувальних насосів, що піднімають воду з колодязів.

Насос, схематично зображений на рисунку, складається із циліндра, усередині якого ходить угору й униз припасований до стінок поршень 1.

У нижній частині циліндра й у самому поршні встановлені клапани 2, що відкриваються тільки нагору. Під час руху поршня нагору вода під дією атмосферного тиску входить у трубу, піднімає нижній клапан і рухається за поршнем.

Існують насоси, за допомогою яких зменшують тиск газу,- такі насоси називають розріджувальними. Згадайте, наприклад, насос, за допомогою якого відкачували повітря з-під скляного ковпака, щоб переконатися в тому, що для поширення звуку необхідне середовище. Схема дії такого насоса показана на рисунку.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

Чому у відкритому манометрі рівні однорідної рідини в обох колінах однакові?

За яким принципом влаштований і діє металевий манометр?

Які фізичні закони лежать в основі дії гідравлічної машини?

За якої умови гідравлічна машина дає виграш у силі?

Яке явище використовують у пристрої поршневого водяного насоса?

Чим обмежується висота підняття рідини у всмоктувального насоса?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Навчаємося розв’язувати задачі

1. Якщо на менший поршень гідравлічного преса діє сила 80 Н, то на більший поршень площею 2400 см2 передається сила тиску 32 кН. Яка площа меншого поршня?

2. На менший поршень гідравлічної машини площею 2 см2 діє сила 50 Н. Яку силу тиску буде створювати більший поршень, площа якого 100 см2?

2). Поміркуй і відповідай

1. Куди рухається поршень насоса (див. рисунок): нагору або вниз?

2. Чому в гідравлічній машині використовують рідину, а не газ?

3. Поясніть принцип дії насоса, схема якого зображена на рисунку. Що відбудеться при переміщенні поршня вгору? Униз?

Домашнє завдання-1

1. У-1:§13(п. 3,4).

2. Сб-1:

Рів1 – № 16.12, 16.17, 16.18, 17.18.

Рів2 – № 16.30, 16.33, 16.34.

Рів3 – № 16.46, 16.47, 16.48, 16.52.

Домашнє завдання-2

1. У-2: §21 (п. 2-4), 22.

2. Сб-2:

Рів1 – № 19.1, 19.2, 19.4, 19.5, 19.7.

Рів2 – № 19.8, 19.11, 19.13, 19.15, 19.17.

Рів3 – № 19.18, 19.20, 19.21, 19.22, 19.23.

3. Д: Підготуватися до самостійної роботи № 14 “Атмосферний тиск”.

Завдання для самостійної роботи № 14 “Атмосферний тиск”

Початковий рівень

1. Виберіть правильне твердження. За допомогою барометра в класі вимірюють тиск повітря.

А Повітря тисне на кришку парти, але не тисне на стіни.

Б На верхньому поверсі будинку школи тиск більше, ніж на нижньому.

В Сили тиску повітря на кришку парти зверху й знизу практично однакові.

2. Виберіть правильне твердження. Барометр показав тиск повітря 760 мм рт. ст.

А Якщо підняти барометр на дах висотного будинку, показання барометра збільшиться.

Б Показання барометра змінюються залежно від погоди.

В Якщо опустити барометр у підвал будинку, показання барометра зменшаться.

Середній рівень

1. З якою силою тисне атмосфера на кришку парти розмірами 120 см х 60 см? Атмосферний тиск уважайте нормальним.

2. Яка глибина шахти, якщо в ній тиск повітря дорівнює 770 мм рт. ст., а на поверхні землі 750 мм рт. ст.? Температура повітря 0 °С.

Достатній рівень

1. а) Чому важко пити сире яйце, якщо в ньому є тільки один отвір? Яку роль буде грати атмосферний тиск, якщо в яйці зробити ще один отвір?

Б) На якій глибині в ставку тиск у два рази більше від атмосферного?

2. а) Чому вода дуже погано ллється з скляної пляшки? Яку роль при цьому відіграє атмосферний тиск?

Б) Нирець опинився в озері на глибині, де тиск перевищує в 2,5 рази нормальний атмосферний тиск. На якій глибині опинився нирець?

Високий рівень

1. а) Який рідинний барометр більш точний – наповнений ртуттю, водою або спиртом? Чому?

Б) Визначте величину атмосферного тиску на висоті 12-го поверху (висота кожного поверху 3 м), якщо на поверхні землі тиск 750 мм рт. ст.

2. а) Поясніть на основі законів фізики: а) дію медичних банок; б) дію пристосувань для набирання чорнила в авторучку,

Б) У шахті встановлений водяний барометр. Яка висота водяного стовпа в ньому, якщо атмосферний тиск у шахті дорівнює 810 мм рт. ст.?