NGUYÊN LÝ CỦA PASCAL: LỊCH SỬ, ỨNG DỤNG, VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2026

Các nguyên tắc của Pascal , Pascal hoặc tiểu bang luật rằng một thay đổi áp suất của một chất lỏng giới hạn ở bất kỳ điểm nào được truyền không thay đổi cho tất cả các điểm khác trong chất lỏng.

Nguyên lý này do nhà bác học người Pháp Blaise Pascal (1623 - 1662) tìm ra. Do tầm quan trọng của những đóng góp của Pascal cho khoa học, đơn vị áp suất trong Hệ thống quốc tế đã được đặt tên để vinh danh ông.

Hình 1. Một chiếc đòn gánh sử dụng nguyên lý Pascal để nâng vật nặng. Nguồn: Nguồn: publicdomainpictures.net

Vì áp suất được định nghĩa là tỷ số giữa lực vuông góc với bề mặt và diện tích của nó, nên 1 Pascal (Pa) bằng 1 newton / m ² .

Lịch sử

Để kiểm tra nguyên lý của mình, Pascal đã nghĩ ra một bằng chứng khá mạnh mẽ. Anh ta lấy một quả cầu rỗng và khoan nhiều chỗ, cắm tất cả các lỗ trừ một lỗ, qua đó anh ta đổ đầy nước vào. Trong đó, ông đặt một ống tiêm có gắn một pít-tông.

Bằng cách tăng đủ áp suất trong pít tông, các phích cắm được giải phóng đồng thời, vì áp suất được truyền như nhau đến tất cả các điểm của chất lỏng và theo mọi hướng, do đó chứng minh định luật Pascal.

Hình 2. Ống tiêm của Pascal. nguồn: Wikimedia Commons.

Blaise Pascal có một cuộc đời ngắn ngủi, được đánh dấu bởi bệnh tật. Tầm nhìn đáng kinh ngạc của tâm trí đã khiến anh ta tìm hiểu về các khía cạnh khác nhau của tự nhiên và triết học. Những đóng góp của ông không chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu hành vi của chất lỏng, Pascal còn là người tiên phong trong lĩnh vực máy tính.

Và đó là năm 19 tuổi, Pascal đã tạo ra một chiếc máy tính cơ học để cha mình sử dụng trong công việc trong hệ thống thuế của Pháp: pascalin.

Ngoài ra, cùng với người bạn và đồng nghiệp của mình, nhà toán học vĩ đại Pierre de Fermat, họ đã hình thành nên lý thuyết xác suất, không thể thiếu trong Vật lý và Thống kê. Pascal qua đời ở Paris năm 39 tuổi.

Giải thích nguyên lý Pascal

Thí nghiệm sau đây khá đơn giản: một ống chữ U chứa đầy nước và các phích cắm được đặt ở mỗi đầu để có thể trượt trơn tru và dễ dàng, giống như piston. Áp suất được tạo ra đối với piston bên trái, làm nó chìm đi một chút và quan sát thấy piston bên phải tăng lên, bị đẩy bởi chất lỏng (hình 3).

Hình 3. Ứng dụng của nguyên lý Pascal. Nguồn: tự làm.

Điều này xảy ra vì áp suất được truyền mà không giảm đến tất cả các điểm của chất lỏng, bao gồm cả những điểm tiếp xúc với piston ở bên phải.

Các chất lỏng như nước hoặc dầu là không thể nén được, nhưng đồng thời các phân tử có đủ tự do chuyển động, giúp áp suất có thể được phân phối qua piston bên phải.

Nhờ đó, piston bên phải nhận được một lực có độ lớn và hướng hoàn toàn giống như lực tác dụng vào bên trái, nhưng theo hướng ngược lại.

Áp suất trong chất lỏng tĩnh không phụ thuộc vào hình dạng của vật chứa. Nó sẽ được chỉ ra ngay sau đó rằng áp suất thay đổi tuyến tính theo độ sâu, và nguyên lý của Pascal tuân theo điều này.

Sự thay đổi áp suất tại một điểm bất kỳ làm cho áp suất tại một điểm khác thay đổi một lượng như nhau. Nếu không sẽ có thêm một áp suất làm chất lỏng chảy.

Mối quan hệ giữa áp suất và độ sâu

Chất lỏng ở trạng thái nghỉ sẽ tác dụng một lực lên thành của vật chứa chứa nó và cả trên bề mặt của bất kỳ vật thể nào ngâm trong đó. Trong thí nghiệm về ống tiêm của Pascal, người ta thấy rằng các dòng nước đi ra vuông góc với quả cầu.

Chất lỏng phân bố lực theo phương vuông góc lên bề mặt mà nó tác dụng, vì vậy rất tiện lợi khi đưa ra khái niệm áp suất trung bình P _m khi lực vuông góc tác dụng F _⊥ theo diện tích A, có đơn vị SI là pascal:

Áp suất tăng theo độ sâu. Có thể thấy điều đó bằng cách cô lập một phần nhỏ chất lỏng ở trạng thái cân bằng tĩnh và áp dụng định luật thứ hai của Newton:

Hình 4. Sơ đồ vật thể tự do của một phần nhỏ chất lỏng ở trạng thái cân bằng tĩnh có dạng hình khối. Nguồn: E-xuao

Các lực ngang triệt tiêu thành từng cặp, nhưng theo hướng thẳng đứng, các lực này được nhóm lại như sau:

Biểu thị khối lượng theo mật độ ρ = khối lượng / thể tích:

Thể tích của phần chất lỏng là tích A xh:

Các ứng dụng

Nguyên lý của Pascal đã được sử dụng để chế tạo nhiều thiết bị nhân lên lực và tạo điều kiện thuận lợi cho các tác vụ như nâng vật nặng, dập kim loại hoặc ép vật thể. Trong số đó có:

-Thủy áp

-Hệ thống phanh của ô tô

- Xẻng cơ khí và cánh tay cơ khí

- Kích thủy lực

- Xe lửa và thang máy

Tiếp theo, chúng ta hãy xem Nguyên lý Pascal biến lực nhỏ thành lực lớn như thế nào để thực hiện tất cả các công việc này. Máy ép thủy lực là một ví dụ điển hình nhất và sẽ được phân tích dưới đây.

Máy ép thủy lực

Để chế tạo một máy ép thủy lực, người ta lấy thiết bị tương tự như trong hình 3, đó là một thùng chứa hình chữ U, trong đó chúng ta đã biết rằng cùng một lực được truyền từ piston này sang piston kia. Sự khác biệt sẽ là kích thước của các piston và đây là điều làm cho thiết bị hoạt động.

Hình dưới đây cho thấy nguyên lý hoạt động của Pascal. Áp suất như nhau tại tất cả các điểm trong chất lỏng, cả ở piston nhỏ và lớn:

Hình 5. Sơ đồ của máy ép thủy lực. Nguồn: Wikimedia Commons.

p = F ₁ / S ₁ = F ₂ / S ₂

Độ lớn của lực truyền lên pittông lớn là:

F ₂ = (S ₂ / S ₁ ). F ₁

Vì S ₂ > S ₁ , nó dẫn đến F ₂ > F ₁ , do đó lực đầu ra đã được nhân với hệ số cho bởi thương số giữa các khu vực.

Ví dụ

Phần này trình bày các ví dụ ứng dụng.

Phanh thủy lực

Phanh xe sử dụng nguyên lý Pascal thông qua chất lỏng thủy lực làm đầy các ống nối với bánh xe. Khi cần dừng, người lái sẽ tác động lực bằng cách nhấn bàn đạp phanh và tạo ra áp suất chất lỏng.

Ở cực khác, áp suất đẩy má phanh lên trống hoặc đĩa phanh quay cùng với bánh xe (không phải lốp). Ma sát tạo ra làm cho đĩa quay chậm lại, bánh xe cũng quay chậm lại.

Hình 6. Hệ thống phanh thủy lực. Nguồn: F. Zapata

Lợi thế cơ học của máy ép thủy lực

Trong máy ép thủy lực hình 5, công việc đầu vào phải bằng công việc đầu ra miễn là không tính đến ma sát.

Lực đầu vào F ₁ làm cho pittông đi được quãng đường d ₁ khi đang đi xuống, còn lực đầu ra F ₂ cho phép đi được quãng đường d ₂ của pittông đang lên. Nếu công do hai lực thực hiện như nhau thì:

Cơ năng M là thương số giữa độ lớn của lực vào và lực ra:

Và như đã trình bày trong phần trước, nó cũng có thể được biểu thị bằng thương số giữa các khu vực:

Có vẻ như công việc có thể được thực hiện miễn phí, nhưng trên thực tế, năng lượng không được tạo ra với thiết bị này, vì lợi thế cơ học có được khi chuyển vị của piston nhỏ d ₁ .

Do đó, để tối ưu hóa hiệu suất, một hệ thống van được thêm vào thiết bị theo cách mà piston đầu ra tăng lên nhờ các xung ngắn trên piston đầu vào.

Bằng cách này, người điều khiển kích ga thủy lực bơm nhiều lần để nâng dần một chiếc xe.

Bài tập đã giải quyết

Trong máy ép thủy lực của Hình 5, diện tích piston là 0,5 inch vuông (piston nhỏ) và 25 inch vuông (piston lớn). Tìm thấy:

a) Ưu điểm cơ học của máy ép này.

b) Lực cần thiết để nâng một tải trọng 1 tấn.

c) Khoảng cách mà lực đầu vào phải tác động để nâng tải nói trên lên 1 inch.

Biểu thị tất cả các kết quả theo đơn vị của hệ Anh và Hệ quốc tế SI.

Giải pháp

a) Lợi thế cơ học là:

M = F ₂ / F ₁ = S ₂ / S ₁ = 25 in ² / 0.5 in ² = 50

b) 1 tấn bằng 2000 lb-lực. Lực cần thiết là F ₁ :

F ₁ = F ₂ / M = 2000 lb-lực / 50 = 40 lb-lực

Để thể hiện kết quả trong Hệ thống quốc tế, cần có hệ số chuyển đổi sau:

1 lb-lực = 4,448 N

Do đó độ lớn của F1 là 177,92 N.

c) M = d ₁ / d _{2 →} d ₁ = Md ₂ = 50 x 1 in = 50 in

Hệ số chuyển đổi yêu cầu là: 1 in = 2,54 cm

Người giới thiệu

1. Bauer, W. 2011. Vật lý cho Kỹ thuật và Khoa học. Tập 1. Mc Graw Hill. 417-450.
2. Vật lý đại học. Pascal bắt đầu. Đã khôi phục từ: opentextbc.ca.
3. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 4. Chất lỏng và Nhiệt động học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB). 4 - 12.
4. Rex, A. 2011. Cơ bản của Vật lý. Lề. 246-255.
5. Tippens, P. 2011. Vật lý: Khái niệm và Ứng dụng. Phiên bản thứ 7. McGraw Hill. 301-320.