ТИСК ТВЕРДИХ ТІЛ НА ПОВЕРХНЮ. СИЛА ТИСКУ
РОЗДІЛ 3 ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА
ЧАСТИНА ІІ. ТИСК. ЗАКОН АРХІМЕДА. ПЛАВАННЯ ТІЛ
& 22. ТИСК ТВЕРДИХ ТІЛ НА ПОВЕРХНЮ. СИЛА ТИСКУ
Чому мешканці Півночі для пересування по снігу використовують лижі? Чому влітку жінка, взута в туфлі на шпильках, залишає на м’якому асфальті помітні й глибокі сліди? Чому леза ножів час від часу нагострюють? Чому цвях має вістря? Спробуємо отримати відповіді на ці запитання.
1. Спостерігаємо наслідки дії сили
Одним із наслідків дії сили є деформація тіл: чим більша сила діє на тіло, тим більшою буде
Деформація залежить і від інших чинників, зокрема від площі поверхні, по якій розподіляється сила. У більшості випадків діє правило: чим більшою є площа поверхні, на яку діє певна сила, тим меншою буде деформація.
Проілюструємо це твердження за допомогою простого досліду: поставимо дерев’яний брусок на сніг спочатку на одну грань, а потім на іншу, більшої площі (рис. 22.1). У першому випадку сніг деформується сильніше (брусок більше провалиться в сніг), хоча в обох випадках сила, що діє на сніг з боку бруска (тобто вага бруска), є однаковою.
Можна провести ще один дослід: натисніть з однаковою невеликою
Рис. 22.1. дерев’яний брусок провалюється в сніг більше, якщо він поставлений на меншу грань
Рис. 22.2. якщо на поверхню піску натиснути рукою, то глибина сліду залежатиме від того, як саме було натиснуто – долонею чи пальцем (за однакової сили тиску)
2. Даємо означення тиску
Для характеристики залежності результату дії сили від площі поверхні, на яку діє ця сила, використовують таке поняття, як тиск.
Тиск – це фізична величина, яка характеризує результат дії сили і дорівнює відношенню сили, яка діє перпендикулярно до поверхні, до площі цієї поверхні:
Р = 
.
Де p – тиск; F – сила тиску – сила, що діє на поверхню перпендикулярно до неї; S – площа цієї поверхні.
Одиниця тиску в СІ – паскаль (Па); названа на честь французького вченого Блеза Паскаля (рис. 22.3):
[p] = Па.
1 Па – це тиск, який створює сила 1 Н, що діє перпендикулярно до поверхні площею 1 м2:
Рис. 22.3. Блез Паскаль (1623-1662) – французький математик, фізик, філософ, письменник. Мав дивовижно різнобічні інтереси, що, втім, було характерним для доби Відродження 1Па = 
.
1 Па – невеликий тиск (приблизно такий тиск чинить на стіл аркуш альбому для малювання), тому частіше використовують кратні одиниці тиску: гектопаскаль (1 гПа = 100 Па), кілопаскаль (1 кПа = 1000 Па), мегапаскаль (1 МПа = 1 000 000 Па).
Розгляньте таблицю та поміркуйте, чому, наприклад, гусениці трактора створюють на грунт набагато менший тиск, ніж колеса легкового автомобіля.
Тиски, які створюють деякі тіла
Тіло, що створює тиск | Тиск p, кПа |
Людина, що стоїть, на підлогу | 20-30 |
Гусениці трактора на грунт | 40-50 |
Колеса легкового автомобіля на грунт | 200-300 |
Лезо лопати на грунт | 1000-2000 |
Швацька голка на тканину | До 100 000 |
Колеса залізничного вагона на рейки | 300 000 |
Зуби собаки на кістку | До 150 000 |
Жало оси на шкіру | 33 000 000 |
3. З’ясовуємо, як можна збільшити або зменшити тиск
З означення тиску (р = ) випливає, що тиск твердих тіл можна змінити в два способи.
Перший спосіб: змінити силу, яка діє на поверхню певної площі. Зі збільшенням сили тиск збільшиться; зі зменшенням сили тиск зменшиться.
Другий спосіб: змінити площу поверхні, на яку діє певна сила тиску. Для збільшення тиску площу слід зменшити (саме тому нагострюють інструменти – ножиці, ножі, шило тощо) (рис. 22.4). І навпаки, для зменшення тиску площу поверхні збільшують.
Рис. 22.4. Щоб прикладати менше зусиль під час роботи з деякими інструментами, їх нагострюють
Рис. 22.5. людина провалилася в сніг, а всюдихід залишився на його поверхні
Розгляньте рис. 22.5 і поясніть, чому тиск, який створюють ноги людини, є більшим за тиск, що створює важкий всюдихід.
2. Учимося розв’язувати задачі
Задача. Порівняйте тиски, які чинять на поверхню снігу юний турист і юний лижник. Маса кожного хлопця разом зі спорядженням становить 63 кг. Площа підошви черевика туриста дорівнює приблизно 210 см2, площа лижі – приблизно 1800 см2.
Аналіз фізичної проблеми. Тиск, який створює кожен юнак, визначається силою тиску та площею, на яку він спирається. Сила тиску в обох випадках – це вага юнака; вона розподіляється на дві підошви або дві лижі. Вважатимемо, що на обидві підошви (лижі) навантаження розподіляється рівномірно. Задачу розв’язуватимемо в одиницях СІ.
Дано:
M1 = m2 = 63 кг
S01 = 210 см2 =
= 0,021 м2
S02 = 1800 см2 =
= 0,18 м2
G = 10 
Знайти:
P1- ?
P2 – ?
Пошук математичної моделі, розв’язання.
За означенням тиску:
Р = .
Тут F = P = mg, а S = 2S0.
Підставивши вирази для F і S у формулу тиску, маємо:
P = 
.
Перевіримо одиницю, знайдемо значення шуканих величин:
[p] = 
= 
= Па;
Для туриста:
Р1 = 
= 
= 15 000 (Па); p1 = 15 кПа;
Для лижника:
Р2 = 
= 
= 1750 (Па); р2 = 1,75 кПа.
Аналіз результатів. Тиск, що створює турист, приблизно у 8,6 разу більший за тиск, що створює лижник
(
= 
≈ 8,6).
Це реальний результат, адже за рівних сил більший тиск створює та сила, яка діє на меншу площу.
Відповідь: p1 = 15 кПа; р2 = 1,75 кПа; p1 > р2 приблизно у 8,6 разу.
Підбиваємо підсумки
Тиск р – це фізична величина, яка характеризує результат дії сили і дорівнює відношенню сили, що діє перпендикулярно до поверхні, до площі цієї поверхні:
Р = .
Одиниця тиску в СІ – паскаль (1Па = ).
Для збільшення тиску слід зменшити площу поверхні, на яку діє сила тиску, або збільшити силу тиску.
Для зменшення тиску слід збільшити площу поверхні, на яку діє сила тиску, або зменшити силу тиску.
Контрольні запитання
1. Від чого залежить результат дії сили? 2. Дайте означення тиску. 3. Назвіть одиницю тиску в СІ. 4. Дайте означення одиниці тиску. 5. Як можна збільшити тиск? Як можна зменшити тиск? Наведіть приклади.
Вправа № 22
1. Людина, яка сидить на дивані, створює на його поверхню певний тиск. Як зміниться тиск, якщо людина ляже на диван?
2. Чому оса своїм жалом (рис. 1) може створити тиск набагато більший, ніж тиск, що створює на підлогу людина, коли стоїть?
Рис. 1
3. Площа різального краю лопати становить 70 мм2. Який тиск створює лопата на грунт, якщо людина діє на лопату із силою 210 Н?
4. Тиск гусеничного трактора на грунт становить 45 кПа. Що це означає? З якою силою трактор тисне на грунт, якщо площа, на яку спираються його гусениці, становить 1,5 м2?
5. Подайте зазначений тиск у паскалях: 0,35 кН/м2; 1,5 Н/см2; 36 мН/см2.
6. Хлопчик виїхав на лижах на снігову галявину. Сніговий наст галявини витримує тиск 2 кПа. Ширина лиж – 10 см, довжина – 1,5 м. Якою може бути максимальна маса хлопчика, щоб він не провалювався в сніг?
7. Ніхто не може бути повністю застрахований від нещасного випадку на водоймі, вкритій льодом. Як повинні поводитися рятувальник і сам постраждалий, якщо сталася біда і людина провалилася під лід (рис. 2)? Обгрунтуйте їхні дії.
Рис. 2
8. За незмінної площі поверхні тиск прямо пропорційний силі тиску. Побудуйте графік залежності тиску на поверхню площею 0,25 м2 від сили, що діє перпендикулярно до цієї поверхні.
9. Скориставшись додатковими джерелами інформації, обчисліть тиск, який створюють тварини на грунт. Як цей тиск залежить від умов їхнього життя? Як тварини збільшують і зменшують тиск?
Експериментальне завдання
“Догори ногами”. З’ясуйте, у скільки разів зміниться тиск, створюваний вашим письмовим столом на підлогу, якщо його перевернути ніжками догори. Відповідь на це запитання слід знайти, не перевертаючи і не зважуючи стіл!
Фізика і техніка в Україні
Степан Прокопович Тимошенко (1878-1972) – видатний український учений-механік, один із організаторів і перших академіків Української академії наук, засновник Інституту механіки АН України, школи прикладної механіки в США.
Основні напрями наукової роботи С. П. Тимошенка – фундаментальні праці з опору матеріалів, теорії пружності, теорії коливань механічних систем, теорії споруд і будівельної механіки. Особливо великий внесок учений зробив у розвиток прикладної теорії пружності, теорії стійкості пружних, оболонкових і пластинчастих систем. Саме С. П. Тимошенкорозробив загальний енергетичний метод розрахунку стійкості механічних систем, широко відомий як метод Тимошенка.
(2 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...