Почему человек проваливается в снег в обычной обуви, но уверенно держится на лыжах? Как жидкости передают силу и за счёт чего работают гидравлические механизмы? Ответы на эти вопросы связаны с природой давления — одной из базовых тем физики.
Понимание этого явления помогает объяснить многие процессы в окружающем мире и лежит в основе работы различных технических устройств. Кроме того, тема давления часто встречается в заданиях ОГЭ и ЕГЭ, поэтому важно не только знать теорию, но и уметь применять её на практике.
Что такое давление
Давление — это скалярная физическая величина, равная величине силы, действующей на единицу площади (1 м²). В СИ давление измеряется в паскалях (Па).
$p = \frac{F}{S}$
где:
$p$ — давление, Па;
$F$ — сила давления, Н;
$S$ — площадь поверхности, м².
Давление в твёрдых телах
Рассмотрим кирпич, на который сверху давит гидравлический пресс. Под этой нагрузкой кирпич начинает давить на опору, как показано на рисунке:
Следовательно, твёрдые тела передают нагрузку в направлении приложенной силы. В этом их принципиальное отличие от жидкостей и газов, которые распределяют давление во всех направлениях.
Давление в жидкостях и газах
Чтобы это понять, обратимся к модели. Представим сосуд с бильярдными шарами, которые свободно перемещаются относительно друг друга. Если с помощью пресса приложить к ним силу, направленную вертикально вниз, давление начнёт передаваться не только вниз, но и в стороны.
То же самое происходит с жидкостями и газами. Их молекулы свободно перемещаются, подобно бильярдным шарам, поэтому при сжатии давление передаётся во всех направлениях, как показано на рисунке:
Это можно наглядно продемонстрировать с помощью простого опыта. Возьмём два стакана, соединённые трубкой, и установим в них поршни, плотно прилегающие к стенкам. Если заполнить один стакан водой и надавить на поршень сверху, уменьшая объём жидкости, второй поршень начнёт подниматься. Это означает, что давление передаётся через жидкость и действует в противоположном направлении.
Этот принцип формулируется в законе Паскаля: давление, оказываемое на жидкость или газ, передаётся без изменений во все точки среды и во всех направлениях.
Для наглядного подтверждения закона используется шар Паскаля. Если с помощью поршня создать давление внутри шара, вода будет вытекать из всех отверстий с одинаковой скоростью, что показывает равномерное распределение давления:
Задание 1
Кирпич массой 4,5 кг положили на горизонтальную кладку стены, покрытую раствором. Площадь грани, на которой лежит кирпич, равна 300 см². Определите давление, которое кирпич оказывает на кладку. Ответ дайте в Па.
Дано:
$S = 300 \text{ см}^2$
$m = 4{,}5 \text{ кг}$
$p = {?}$
Давление, которое оказывает кирпич на кладку, можно выразить следующей формулой:
$p = \frac{F}{S}$
где:
$F$ — сила, с которой кирпич действует на кладку, равная силе тяжести, действующей на тело;
$S$ — площадь грани, на которой лежит кирпич.
$F = F_\text{т} = mg = 4{,}5 \cdot 10 = 45 \text{ Н}$
$p = \frac{F}{S} = \frac{45}{300 \cdot 10^{-4}} = 1500 \text{ Па}$
Ответ: 1500 Па.
Заключение
Понимание природы давления позволяет объяснить как простые бытовые явления, так и сложные технические процессы. Твёрдые тела передают силу в направлении её приложения, тогда как жидкости и газы распределяют давление во все стороны.
Именно это различие лежит в основе работы многих устройств, например гидравлических прессов. Важно не только знать основные принципы, но и уметь применять их на практике — в том числе при решении заданий ОГЭ и ЕГЭ.
Авторы:
Саня Эбонит, преподаватель «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ;
Кир Синюткин, методист «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ
