Давление воздуха и работа сифона: физические опыты с жидкостями

Наполните стакан водой до краев и накройте его листом плотной бумаги. Прижимая бумагу к стакану, резко переверните его вверх дном и уберите руку. Как показано на рисунке 21 а, бумага останется на месте, а вода не выльется. Этот классический опыт демонстрирует силу атмосферного давления.

Рисунок 21 а. Стакан с водой, накрытый бумагой и перевернутый вверх дном. Бумага удерживается давлением воздуха.

Объяснение явления кроется в свойствах воздуха, имеющего вес и создающего давление на все окружающие тела. Поскольку воздушные частицы подвижны, давление распределяется по всем направлениям, включая направление снизу вверх. Таким образом, воздух давит на бумагу снаружи стакана, компенсируя вес столба воды. Атмосферное давление составляет около 1000 грамм на квадратный сантиметр, что значительно превышает давление водяного столба высотой 10 сантиметров. Успех опыта зависит от герметичности контакта бумаги и краев стакана, предотвращающей проникновение воздуха внутрь.

Если вместо стакана использовать узкую трубку (рис. 21 б), вода не выльется даже без бумаги при условии, что верхний конец трубки закрыт пальцем. В этом случае эффект обусловлен не только давлением воздуха, но и силами поверхностного натяжения и сцепления частиц жидкости. Эти силы препятствуют проникновению пузырьков воздуха в столь узкое сечение, создавая дополнительную устойчивость системе.

Рисунок 21 б. Узкая трубка, наполненная водой и открытая снизу. Вода удерживается благодаря малым размерам сечения.

Опыт можно усложнить, продемонстрировав удержание одного стакана другим. Для этого два одинаковых стакана с ровными краями наполняют водой и соединяют горловинами под водой, предварительно проложив между ними полоску бумаги. Аккуратно вынув конструкцию из воды и удерживая только верхний стакан, можно наблюдать, как нижний стакан с водой остается на месте. Бумажная полоска здесь служит для равномерного распределения давления и герметизации стыка, а не для механического скрепления.

Рисунок 21 в. Два стакана, соединенные горловинами под водой с помощью бумажной полоски. Нижний стакан удерживается давлением воздуха.

Для успешного проведения демонстраций необходима предварительная тренировка, так как неудачи часто возникают из-за нарушения герметичности. Использование тонкой, а не плотной бумаги, а также стаканов с отвесными стенками повышает надежность эксперимента. Атмосферное давление способно удерживать значительный объем жидкости, что подтверждается расчетами. Для трубки сечением 20 кв. мм оно уравновешивает столб воды высотой около 10 метров.

Ярким примером кажущегося преодоления силы тяжести является действие сифона (рис. 21 г). Это изогнутая трубка, с помощью которой жидкость переливается через край сосуда. Для запуска сифона его предварительно заполняют жидкостью, после чего, согласно закону сообщающихся сосудов, жидкость начинает течь, пока ее уровень в сосуде не опустится ниже короткого колена трубки. Ключевым условием является первоначальное заполнение трубки жидкостью без воздушных пробок.

Рисунок 21 г. Схема действия сифона. Вода перетекает из верхнего сосуда в нижний по изогнутой трубке.

Работа сифона объясняется разностью высот водяных столбов в его коленах. Часть жидкости, находящаяся за пределами сосуда, создает перевес и «протягивает» за собой весь столб благодаря силам сцепления. Атмосферное давление, одинаково действующее на оба конца сифона, в данном упрощенном рассмотрении взаимно компенсируется. На практике для сифона можно использовать не только стеклянную, но и гибкую резиновую трубку.

Для заполнения сифона применяют несколько методов: погружение в жидкость, засасывание воздуха с одного конца или использование капиллярного эффекта. Этот эффект проявляется в узких трубках — капиллярах, где жидкость поднимается выше общего уровня из-за сил смачивания. Чем меньше диаметр капилляра, тем выше подъем. Если изогнутую капиллярную трубку поместить в сосуд с водой, жидкость может самостоятельно преодолеть изгиб и запустить сифонное течение.

Рисунок 21 д. Капиллярный сифон из куска материи, перекинутого через край стакана с водой.

Принцип сифона реализуется и в пористых материалах. Кусок ткани или фитиль, состоящие из множества волокон, действуют как пучок капилляров. Если перекинуть ткань через край наполненного стакана, как на рисунке 21 д, она начнет действовать как капиллярный сифон, постепенно отводя воду. Это объясняет, например, появление луж под горшками с перелившимися через край растениями.

На основе сифонного принципа строится лабораторный прибор — газометр (рис. 22). Он состоит из двух соединенных сифонной трубкой бутылок, одна из которых оборудована длинной трубкой, доходящей до дна, а другая — короткой. Прибор позволяет собирать газы, создавать их поток и приблизительно измерять объем. При поднятии одной бутылки вода перетекает в другую, вытесняя или всасывая воздух через соответствующие трубки. Шкала на бутылках, предварительно отградуированная с помощью мензурки, позволяет отслеживать изменения объема.

Рисунок 22. Схема газометра. Две бутылки, соединенные сифонной системой с длинной и короткой трубками для управления потоком газа.

Градуировка газометра осуществляется путем последовательного выливания из бутылки точно отмеренных объемов воды и нанесения соответствующих меток. Все соединения должны быть герметичны, а трубки полностью заполнены жидкостью перед началом работы. В состоянии покоя уровни воды в обеих бутылках устанавливаются на одной высоте, что соответствует равенству давлений. Таким образом, газометр наглядно демонстрирует, как управляемое сифонное течение жидкости позволяет контролировать движение газов, снова «пренебрегая» в определенном смысле силой тяжести для создания полезной работы.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.