THÙNG CỦA PASCAL: CÁCH HOẠT ĐỘNG VÀ THỬ NGHIỆM - VẬT LÝ - 2025

Các thùng Pascal là một thử nghiệm được tiến hành bởi các nhà khoa học Pháp Blaise Pascal vào năm 1646 để chứng minh dứt khoát rằng truyền áp lực chất lỏng hệt như nhau, không phân biệt các hình dạng của thùng sơn.

Thí nghiệm bao gồm làm đầy một thùng bằng một ống mỏng và rất cao, được điều chỉnh một cách hoàn hảo đến cổ chất đầy. Khi chất lỏng đạt đến độ cao xấp xỉ 10 mét (chiều cao tương đương với 7 thùng xếp chồng lên nhau) thì thùng sẽ vỡ do áp suất của chất lỏng trong ống hẹp.

Hình minh họa của Pascal's Barrel. Nguồn: Wikimedia Commons.

Chìa khóa của hiện tượng này là hiểu khái niệm về áp suất. Áp suất P mà chất lỏng tác dụng lên bề mặt là tổng lực F trên bề mặt đó chia cho diện tích A của bề mặt đó:

P = F / A

Thùng của Pascal hoạt động như thế nào?

Để hiểu nguyên lý vật lý của thí nghiệm Pascal, chúng ta hãy tính áp suất ở đáy của một thùng rượu sẽ chứa đầy nước. Để tính toán đơn giản hơn, chúng ta sẽ giả sử nó có hình trụ với các kích thước sau: đường kính 90 cm và chiều cao 130 cm.

Như đã nói, áp suất P ở đáy là tổng lực F ở đáy, chia cho diện tích A của đáy:

P = F / A

Diện tích đáy A bằng pi lần (π≈3,14) bán kính R của bình phương đáy:

A = π⋅R ^ 2

Trong trường hợp của thùng, nó sẽ là 6362 cm ^ 2 tương đương với 0,6362 m ^ 2.

Lực F ở đáy thùng sẽ là trọng lượng của nước. Trọng lượng này có thể được tính bằng cách nhân khối lượng riêng ρ của nước với thể tích của nước và với gia tốc trọng trường g.

F = ρ⋅A⋅h⋅g

Trong trường hợp thùng đầy nước, chúng ta có:

F = ρ⋅A⋅h⋅g = 1000 (kg / m ^ 3) ⋅ 0,6362 m ^ 2 ⋅1.30 m⋅10 (m / s ^ 2) = 8271 N.

Lực đã được tính bằng niutơn và tương đương với 827 kg-f, một giá trị khá gần với một tấn. Áp suất ở đáy thùng là:

P = F / A = 8271 N / 0,6362 m ^ 2 = 13000 Pa = 13 kPa.

Áp suất được tính bằng Pascal (Pa) là đơn vị đo áp suất trong hệ thống đo lường SI quốc tế. Một bầu khí quyển có áp suất bằng 101325 Pa = 101,32 kPa.

Áp suất ở đáy ống thẳng đứng

Hãy coi một ống nhỏ có đường kính trong là 1 cm và chiều cao bằng chiều cao của một cái thùng, nghĩa là 1,30 mét. Ống được đặt thẳng đứng với đầu dưới được bịt kín bằng một nắp tròn và chứa đầy nước ở đầu trên của ống.

Trước hết hãy tính diện tích của đáy ống:

A = π⋅R ^ 2 = 3,14 * (0,5 cm) ^ 2 = 0,785 cm ^ 2 = 0,0000785 m ^ 2.

Khối lượng của nước chứa trong ống được tính theo công thức sau:

F = ρ⋅A⋅h⋅g = 1000 (kg / m ^ 3) ⋅0.0000785 m ^ 2 ⋅1.30 m⋅10 (m / s ^ 2) = 1,0 N.

Nói cách khác, trọng lượng của nước là 0,1 kg-f, nghĩa là chỉ 100 gram.

Bây giờ hãy tính toán áp suất:

P = F / A = 1 N / 0,0000785 m ^ 2 = 13000 Pa = 13 kPa.

Kinh ngạc! Áp suất giống như áp suất của thùng. Đây là nghịch lý thủy tĩnh.

Thí nghiệm

Áp suất ở đáy thùng của Pascal sẽ là tổng áp suất do nước chứa trong thùng tạo ra cộng với áp suất của nước chứa trong một ống hẹp cao 9 mét, đường kính 1 cm được nối với miệng thùng. đổ đầy thùng.

Hình 2. Blaise Pascal (1623-1662). Nguồn: Cung điện Versailles. Áp suất ở đầu dưới của ống sẽ được cho bởi:

P = F / A = ρ⋅A⋅h⋅g / A = ρ⋅g⋅h = 1000 * 10 * 9 Pa = 90000 Pa = 90 kPa.

Lưu ý rằng trong biểu thức trước, khu vực A bị hủy bỏ, bất kể đó là khu vực lớn hay nhỏ như ống. Nói cách khác, áp suất phụ thuộc vào chiều cao của bề mặt so với đáy, không phụ thuộc vào đường kính.

Hãy thêm vào áp suất này áp suất của chính thùng ở đáy của nó:

P _tot = 90 kPa + 13 kPa = 103 kPa.

Để biết lực tác dụng lên đáy thùng là bao nhiêu, ta nhân tổng áp suất với diện tích đáy thùng.

F _tot = P tot * A = 103000 Pa * 0,6362 m ^ 2 = 65529 N = 6553 kg-f.

Nói cách khác, đáy thùng chịu được trọng lượng 6,5 tấn.

Đưa vào thực tế

Thí nghiệm thùng của Pascal có thể dễ dàng tái tạo tại nhà, miễn là nó được thực hiện ở quy mô nhỏ hơn. Đối với điều này, sẽ không chỉ cần thiết phải giảm kích thước mà còn phải thay thế thùng bằng thủy tinh hoặc thùng chứa ít chịu áp lực hơn.

nguyên vật liệu

1- Cốc polystyrene dùng một lần có nắp. Theo quốc gia nói tiếng Tây Ban Nha, polystyrene được gọi theo nhiều cách khác nhau: nút chai trắng, xốp, polystyrene, bọt, anime và các tên khác. Những nắp đậy này thường được tìm thấy ở các cửa hàng thức ăn nhanh mang đi.

2- Ống nhựa, tốt nhất là trong suốt có đường kính 0,5 cm hoặc nhỏ hơn và dài từ 1,5 đến 1,8 m.

3- Băng dính để đóng gói.

Quy trình tiến hành thí nghiệm

- Xỏ nắp của cốc polystyrene với sự trợ giúp của mũi khoan, dùi, dao hoặc dao cắt để tạo ra một lỗ mà ống đi qua chặt chẽ.

- Luồn vòi qua lỗ trên nắp để một phần nhỏ của vòi đi vào bát.

- Dán kín bằng băng dính chặt mối nối của ống với nắp ở cả hai mặt của nắp.

- Đậy nắp lọ và dùng băng dính dán chặt phần nối giữa nắp và lọ, không để nước thoát ra ngoài.

- Đặt kính xuống sàn, sau đó bạn phải căng và nâng vòi. Có thể hữu ích khi đứng dậy bằng cách sử dụng một chiếc ghế thả, một chiếc ghế đẩu hoặc một cái thang.

- Đổ đầy nước vào ly qua vòi. Nó có thể được trợ giúp bằng một cái phễu nhỏ đặt ở đầu vòi để dễ dàng đổ đầy.

Khi ly đầy và mực nước bắt đầu dâng qua vòi, áp suất tăng lên. Đã có lúc thủy tinh polystyrene không chịu được áp lực và bị vỡ, như Pascal đã chứng minh với chiếc thùng nổi tiếng của mình.

Người giới thiệu

1. Thủy áp. Lấy từ Encyclopædia Britannica: britannica.com.
2. Áp lực nước. Phục hồi từ Sensors One: sensorone.com
3. Áp lực nước. Được khôi phục từ Bảng chú giải thuật ngữ mỏ dầu: glossary.oilfield.slb.com
4. Nguyên lý Pascal và Thủy lực. Cục Hàng không và Không gian Quốc gia - NASA). Đã khôi phục từ: grc.nasa.gov.
5. Serway, R., Jewett, J. (2008). Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 2. Mêhicô. Các biên tập viên của Cengage Learning. 367-372.
6. Áp suất thủy tĩnh là gì: Áp suất và độ sâu chất lỏng. Được khôi phục từ Trung tâm Hoạt động Toán học và Khoa học: edinformatics.com
7. Sổ tay hướng dẫn trường kiểm soát tốt. Chương 01 Nguyên lý của áp suất.