Тиск твердих тіл

Розділ ІІІ ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА

&33. Тиск твердих тіл

✓ Від чого залежить результат дії сили?

1. Як ви думаєте, чи завжди дія однієї і тієї самої сили на одне і те ж тіло призводить до однакового результату?

Щоб одержати відповідь на це запитання, проробимо такий дослід. Візьмемо важкий металевий брусок і покладемо його на вологий пісок, насипаний у піддон, так, як показано на рис. 94, а) (на найбільшу за площею грань). Під дією ваги бруска пісок ущільниться, і на ньому залишиться слід. Тепер повторимо дослід, але поставимо брусок вертикально

на найменшу грань (рис. 94, б). Результат дії сили ваги буде вже іншим: глибина сліду значно збільшиться. Неважко здогадатися, що коли покласти брусок на третю грань, то глибина сліду відрізнятиметься, як і від першого, так і від другого випадків (рис. 94, в).

Таким чином, одна і та сама сила (у розглянутих випадках вага бруска) спричиняє різну дію. Глибина сліду, тобто результат дії сили ваги бруска, залежить від площі поверхні, на яку тіло ставлять. Чим менша площа поверхні грані бруска, тим більша глибина його сліду.

Рис. 94

Чи є висновок з цього досліду випадковим,

чи така залежність дійсно існує?

Два хлопчики з однаковими масами йдуть по пухкому снігу, але один на лижах, а інший – у звичайному взутті (рис. 95). Цей приклад, напевно, відомий усім. На лижах або без лиж хлопчики діють на сніг практично з однаковими силами, але дії цих сил різні. Без лиж ходити по снігу дуже важко, тому що площа підошви взуття менша (приблизно у 20 разів!) від площі лижі. Тобто, висновок, до якого ми дійшли, такий самий, як і в попередньому випадку з бруском.

Рис. 95

Результат дії сили залежить і від її величини. Чим більша сила, що діє на тіло, тим і більшим буде результат її дії.

Якщо на брусок поставити яку-небудь гирю (рис. 94, г), то сила, що діє на пісок, збільшиться; збільшиться і глибина сліду від нього на піску. Доросла людина провалиться в сніг значно глибше, ніж маленький хлопчик.

У розглянутих прикладах дію викликала вага тіла, яка спрямована завжди вертикально вниз. Чи не зміняться зроблені нами висновки, якщо прослідкувати за дією якої-небудь іншої сили?

Уявіть собі, що ви намагаєтеся проткнути товстий картонний лист, прикладаючи певне зусилля, спочатку за допомогою товстого цвяха, а потім за допомогою шила (рис. 96). Вістря шила легко проткне картон, а цвях застрягне у ньому. Ви, можливо, цвяхом і проткнете лист, але для цього доведеться значно збільшити прикладену силу.

Отже, результат дії сили не залежить ні від виду сили, ні від її напряму (вона в усіх випадках діяла перпендикулярно до поверхні).

Таким чином, результат дії сили залежить від її модуля і від площі тієї поверхні, перпендикулярно до якої вона діє.

Рис. 96

Силу, яка діє перпендикулярно до поверхні тіла, називають силою тиску. У розглянутих випадках силою тиску є вага бруска або лижника (разом з лижами), сила, з якою вістря шила діє на лист картону. Домовилися розраховувати силу тиску, яка припадає на одиницю площі поверхні тіла, що дає змогу передбачити результат дії сили. У зв’язку з цим уводять нову скалярну фізичну величину, яку називають тиском.

Тиском називають відношення модуля сили тиску до площі поверхні тіла, на яку ця сила діє. Тиск позначають літерою р. Щоб його визначити, потрібно силу тиску (F) поділити на площу поверхні (S):

Тиск =

P = .

Знаючи основну одиницю сили (1 Н) і основну одиницю площі (1 м2), можна встановити одиницю тиску: ньютон на квадратний метр (1 Н/м2). За одиницю тиску приймають тиск, який створює сила тиску 1 Н, рівномірно розподілена по поверхні площею 1 м2.

Одиниця тиску має і свою назву, і позначення. Вона названа паскалем (1 Па) на честь французького вченого Блеза Паскаля.

1 Па = 1 Н/м2.

1 Па – це дуже малий тиск. 1 Н – це сила тяжіння, яка діє на гирку масою 102 г. Щоб вона створювала такий тиск, потрібно, щоб її дія була рівномірно розподілена по плоскій поверхні із площею 1 м2. Можна підрахувати, що для того, щоб лижі (разом з вами) створювали на сніг тиск 1 Па, вам знадобляться лижі завдовжки 6 км. Тому в фізиці і техніці використовують більші (кратні) одиниці тиску: гектопаскаль (1 гПа), кілопаскаль (1 кПа) і мегапаскаль (1 МПа).

1 гПа = 100 Па = 102 Па;

1 кПа = 1000 Па = 103 Па;

1 МПа = 1000000 Па = 106 Па.

Для того, щоб краще уявити, який тиск створюють на поверхню різні тіла, наведена таблиця 7.

Таблиця 7

Приблизні значення тисків, кПа

Колеса місяцехода на місячний грунт	5
Гусеничний трактор на грунт	40-60
Колеса легкового автомобіля на дорогу	200-300
Фундамент Ейфелевої вежі на грунт	270
Тиск жала бджоли	5 ∙ 104
Колеса вагона на рейки	3 ∙ 105
Тиск у центрі вибуху водневої бомби	1011

Приклад розв’язування задачі.

Знайти тиск, який чинить на арену цирковий слон, що стоїть на одній нозі. Маса слона 3,5 т, площа підошви ноги 700 см2.

Розв’язання.

За визначенням, тиск дорівнює

P = .

F = Р;

Р = mg.

Р = 3500 кг ∙ 9,8 м/с2 ≈ 35000 Н;

P = P = = 500000 Па = 500 кПа = 0,5 МПа.

Відповідь. р = 0,5 МПа.

Запитання для самоперевірки

1. Як залежить результат дії сили від площі опори, на яку вона діє? Наведіть приклади.

2. Наведіть приклади, які б свідчили про те, що результат дії сили залежить від її модуля.

3. Що називають силою тиску?

4. Що називають тиском? Як його можна визначити?

5. Як можна збільшити або зменшити тиск?

6. Як зміниться тиск, який чинить слон, що стоїть на одній нозі на арені цирку, якщо він стане на чотири ноги?

7. Використавши дані таблиці 7, покажіть, що 1 Па – це дуже малий тиск.

Завдання 23

1. Чому шини вантажних автомобілів роблять значно ширшими, ніж шини легкових?

2. Чи однаковий тиск чинять на поверхню столу три тіла з однаковими масами, якщо вони розташовані так, як показано на рисунку 97?

Рис. 97

3. Коли людина чинить більший тиск на підлогу – коли стоїть, чи коли йде?

4. Який тиск чинить на підлогу хлопчик з масою 48 кг, якщо площа підошви його черевика становить 160 см2?

5. Визначте тиск на сніг хлопчика з масою 48 кг, який стоїть на лижах. Ширина лижі 10 см, її довжина 160 см. Порівняйте отриманий результат з відповіддю до задачі 4.

6. У скільки разів тиск, який ви чините під час втискання кнопки в дошку, перевищує тиск гусеничного трактора на грунт? Вважайте, що ви дієте на кнопку з силою 50 Н, а площа її вістря 0,01 мм2. Маса трактора 6,5 т, площа стикання гусениць з грунтом 1,4 м2.

7. Якої найбільшої висоти можна було б виготовити колону з граніту, щоб вона не зруйнувалася під дією сили тяжіння? Граніт витримує найбільший тиск 270 МПа.

8. Площа гострого кінця голки становить 0,01 мм2. Який тиск створить голка під час шиття, якщо на неї подіяти силою 10 Н? Відповідь подати в МПа.

Робота з комп’ютером

Вивчіть матеріали уроку і виконайте завдання, запропоновані в електронному додатку.