У чому причина такого ефекту? Справа в тому, що при зміщенні різних верств рідини щодо один одного в ній не виникає ніяких сил, пов'язаних з деформацією. Немає зрушень і деформацій в рідких і газоподібних середовищах, в твердих же тілах при спробі зрушити один шар проти іншого виникають значні сили пружності. Тому кажуть, що рідина прагне заповнити нижню частину того обсягу, в якому вона міститься. Газ же прагне заповнити весь обсяг, в який його поміщають. Але це насправді оману, так як, якщо подивитися на нашу Землю з боку, ми побачимо, що газ (земна атмосфера) опускається вниз і прагне заповнити деяку область на поверхні Землі. Верхня межа цієї області досить рівна і гладка, як і поверхня рідини, що заповнює моря, океани, озера. Вся справа в тому, що щільність газу значно менше щільності рідини, тому, якби газ був дуже щільним, він точно так же опускався б вниз і ми бачили верхню межу атмосфери. У зв'язку з тим, що в рідині і газі не виникає зрушень і деформацій - всі сили взаємодіють між різними областями рідкої і газоподібної середовища, це сили, спрямовані по нормальної поверхні, що розділяє ці частини. Такі сили, спрямовані завжди за нормальною поверхні, називаються силами тиску. Якщо ми розділимо величину сили тиску на деяку поверхню на площу цієї поверхні, ми отримаємо щільність сили тиску, яку називають просто тиск (або іноді додають гідростатичний тиск), навіть в газоподібному середовищі, оскільки з точки зору тиску газоподібне середовище практично нічим не відрізняється від рідкої середовища.

Властивості розподілу тиску в рідких і газоподібних середовищах досліджувалися ще з початку XVII століття, першим, хто встановив закони розподілу тиску в рідкому і газоподібному середовищах був французький математик Блез Паскаль.

Величина тиску не залежить від напрямку нормалі до тієї поверхні, на якій виявляється це тиск, тобто розподіл тиску изотропно (однаково) в усіх напрямках.

Цей закон був встановлений експериментально. Припустимо, що в деякій рідини існує прямокутна призма, один з катетів якої розташований вертикально, а другий - горизонтально. Тиск на вертикальну стінку дорівнюватиме Р2, тиск на горизонтальну стінку буде Р3, тиск на довільну стінку буде Р1. Три сторони утворюють прямокутний трикутник, сили тиску, що діють на ці сторони, спрямовані по нормалі до цих поверхонь. Оскільки виділений обсяг знаходиться в стані рівноваги, спокою, нікуди не рухається, отже, сума сил, на нього діють, дорівнює нулю. Сила, що діє по нормалі до гіпотенузи, пропорційна площі поверхні, тобто дорівнює тиску, помноженому на площу поверхні. Сили, що діють на вертикальну і горизонтальну стінки, так само пропорційні величинам площ цих поверхонь і так само спрямовані перпендикулярно. Тобто сила, що діє на вертикаль, спрямована по горизонталі, а сила, що діє на горизонталь, спрямована по вертикалі. Ці три сили в сумі дорівнюють нулю, отже, вони утворюють трикутник, який повністю подібний до даного трикутника.

Мал. 1. Розподіл сил, що діють на предмет

У зв'язку з подібністю цих трикутників, а вони подібні, так як утворюють їх боку перпендикулярні один одному, слід, що коефіцієнт пропорційності між площами сторін цього трикутника повинен бути для всіх сторін одним і тим же, тобто Р1 = Р2 = Р3.

Таким чином, ми підтверджуємо експериментальний закон Паскаля, який стверджує, що тиск направлено в будь-яку сторону і однаково по величині. Отже, ми встановили, що за законом Паскаля тиск в даній точці рідини однаково в усіх напрямках.

Тепер доведемо, що тиск на одному рівні в рідини скрізь однаково.

Мал. 2. Сили, що діють на стінки циліндра

Уявімо, що у нас є циліндр, наповнений рідиною з щільністю ρ, тиск на стінки циліндра відповідно Р1 і Р2, оскільки маса рідини знаходиться в стані спокою, то сили, що діють на стінки циліндра, дорівнюватимуть, так як і площі у них рівні, тобто Р1 = Р2. Ось так ми довели, що в рідині на одному рівні тиск одне й те саме.

Розглянемо рідину, що знаходиться в полі тяжіння. Поле тяжіння діє на рідину і намагається її стиснути, але рідина дуже слабо стискається, так як вона не стисливості і при будь-якому впливі щільність рідини завжди одна і та ж. У цьому серйозна відмінність рідини від газу, тому формули, які ми розглянемо, відносяться до нестисливої ​​рідини і не застосовні в газовому середовищі.

Мал. 3. Предмет з рідиною

Розглянемо предмет з рідиною площею S = 1, а вершина h, щільністю рідини ρ, який знаходиться в полі тяжіння з прискоренням вільного падіння g. Зверху тиск рідини Р0 і знизу тиск Рh, так як предмет знаходиться в стані рівноваги, то сума сил, на нього діють, буде дорівнює нулю. Сила тяжіння буде дорівнює щільності рідини на прискорення вільного падіння і на обсяг Fт = ρ g V, так як V = h S, а S = 1, то у нас вийде Fт = ρ g h.

Сумарна сила тиску дорівнює різниці тисків, помноженої на площу поперечного перерізу, але так як у нас вона дорівнює одиниці, то P = Рh - Р0

Так як цей предмет у нас не рухається, то ці дві сили дорівнюють один одному Fт = P.

Ми отримуємо залежність тиску рідини від глибини або закон гідростатичного тиску. Тиск на глибині h відрізняється від тиску на нульовий глибині на величину ρ gh: Рh = Р0 + (ρ gh).

Використовуючи два виведених затвердження, ми можемо вивести ще один закон - закон сполучених посудин.

Мал. 4. Сполучені посудини

Два циліндра різного перетину з'єднані між собою, наллємо рідина щільністю ρ в ці судини. Закон сполучених посудин стверджує: рівні в цих судинах будуть абсолютно однакові. Доведемо це твердження.

Тиск зверху меншого судини Р0 буде менше тиску на дні посудини на величину ρ gh, точно так же тиск Р0 буде менше тиску на дні і у більшої судини на таку ж величину ρ gh, так як щільність і глибина у них однакові, отже, ці величини у них будуть однакові.

Якщо ж в судини налити рідини з різною щільністю, то рівні у них будуть різні.

Закони гідростатики були встановлені Паскалем ще на початку XVII століття, і з тих пір на основі цих законів працює величезна кількість самих різних гідравлічних машин і механізмів. Ми розглянемо пристрій, який носить назву гідравлічний прес.

Мал. 5. Гідравлічний прес

У посудині, що складається з двох циліндрів, з площею перетину S1 і S2 налита рідина встановлюється на одній висоті. Поставивши поршні в ці циліндри і приклавши силу F1, отримаємо F1 = Р 0 S1.

Приклавши силу F2, отримаємо F2 = Р0 S2.

Через те, що тиску, прикладені до поршнів, однакові, легко побачити, що сила, яку необхідно прикласти до великого поршня, щоб утримати його в спокої, буде перевищувати силу, яка прикладена до малого поршня, коефіцієнт відношення цих сил є площа великого поршня ділити на площу малого поршня.

S2

F2 = F1 ̶

S1

Прикладаючи як завгодно мале зусилля до малого поршня, ми розвинемо дуже велике зусилля на більшій поршні - саме таким чином і працює гідравлічний прес. Зусилля, яке буде докладено до більшого пресу або до деталі, вміщеній в те місце, буде як завгодно великим.

Наступна тема - закони Архімеда для нерухомих тел.

Домашнє завдання

1. Дати визначення закону Паскаля.
2. Що стверджує закон сполучених посудин.
3. Відповісти на питання сайту ( джерело ).

Список рекомендованої літератури

1. Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика (базовий рівень) - М .: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. - М .: Ілекса, 2005.
3. Громов С.В., Батьківщина Н.А. Фізика 7 клас, 2002.

Додаткові рекомендовані посилання на ресурси мережі Інтернет

1. Fiz.1september.ru ( джерело ).
2. 3ys.ru ( джерело ).
3. Fizmat.by ( джерело ).
4. Nika-fizika.narod.ru ( джерело ).