Pascalin nesteitä ja kaasuja koskeva laki sanoo, että aineessa etenevä paine ei muuta sen voimakkuutta ja välittyy kaikkiin suuntiin tasaisesti. Nestemäiset ja kaasumaiset aineet käyttäytyvät paineen alaisena tietyin eroin. Ero johtuu hiukkasten käyttäytymisestä sekä kaasujen ja nesteiden painosta. Artikkelissa pohditaan kaikkea tätä yksityiskohtaisesti visuaalisten kokeiden avulla.
Tarkistuuko nestepaine
Otetaan sylinterimäinen astia, joka on ylhäältä ilmatiiviisti suljettu männällä. Sisällä on nestettä ja männän päällä on paino. Se kohdistaa painetta sen painoa vastaavalla voimalla. Tämä paine siirtyy nesteeseen. Sen molekyylit, toisin kuin kiinteän kappaleen hiukkaset, voivat liikkua vapaasti suhteessa toisiinsa. Niiden järjestelyssä ei ole tiukkaa järjestystä, ne ovat hajallaan satunnaisesti.
Ominaisuuksien tuntemuseri aineiden hiukkasten liike tulevaisuudessa auttaa ymmärtämään Pascalin nesteitä ja kaasuja koskevaa lakia. Miten nestemolekyylit käyttäytyvät, jos vaikutamme niihin painon painevoimalla? Kokemus auttaa meitä vastaamaan tähän kysymykseen.
Kuinka neste käyttäytyy paineen alaisena
Nestemalli on lasihelmiä, ja astian malli on laatikko ilman kantta. Pallot, samoin kuin nestemäisen aineen hiukkaset, liikkuvat vapaasti säiliöissä. Ota kaikki esineet, jotka ovat yhtä leveitä kuin laatikon leveys. Se jäljittelee mäntää.
Paina mäntä nesteen päälle. Miten sen molekyylit käyttäytyvät? Näemme, että ne painavat sekä säiliön pohjaa että sen seiniä. He työntävät toisiaan ja yrittävät pudota ulos laatikosta. Jos se olisi aitoa nestettä, sillä olisi taipumus roiskua ulos astiasta. Myöhemmin, kun tutkimme Pascalin lakia nesteiden ja kaasujen os alta, näemme tämän käytännössä. Koska molekyylit liikkuvat vapaasti, painon aiheuttama paine välittyy sekä sivuille että alas. Ja mitä tapahtuu, jos korvaat nesteen kaasulla?
Kuinka ilma käyttäytyy paineen alla
Oletetaan, että meillä on sylinteri, jonka mäntä on täytetty ilmalla. Aseta paino männän päälle. Miten kaasuun kohdistettu paine välittyy? Männän liikkuessa alaspäin kaasun yläosassa olevien molekyylien välinen etäisyys pienenee, mutta ei kauaa. Kaasumolekyylien nopeus on satoja metrejä sekunnissa. Niiden välinen etäisyys on paljon suurempi kuin niiden koko. Ne liikkuvat satunnaisiin suuntiin ja törmäävät toisiinsa.
Kun mäntäputoaa, hiukkaset yksinkertaisesti lukittuvat pienempään tilavuuteen. Tämän seurauksena ne osuvat useammin astian seiniin, ja kun kaasun tilavuus pienenee, sen paine kasvaa. Tämä postulaatti on muistettava, jotta Pascalin nesteiden ja kaasujen laki olisi myöhemmin helpompi ymmärtää. Lyöntien määrä sekunnissa neliösenttimetriä kohti on lähes sama. Tämä tarkoittaa, että männän tuottama paine välittyy kaikkiin suuntiin ilman muutoksia.
Paineensiirto eri suuntiin
Pascalin lakia, nesteiden ja kaasujen aiheuttamaa paineen siirtymistä ei voi ymmärtää, jos ei ymmärrä yhtä omituisuutta: kuinka on mahdollista, että painetaan alas ja paine siirtyy sekä alas että sivuille? Mutta entä jos putki on kiinnitetty sylinteriin, välittyykö paine sen läpi ylöspäin? Kokeillaan.
Ota kaksi vedellä täytettyä ruiskua ja yhdistä ne putkella. Tarkastellaan kuinka ruiskuissa oleva neste välittää paineen. Paina yhden ruiskun mäntää. Mäntään ja siten nesteeseen kohdistuva paine on suunnattu alaspäin. Näemme kuitenkin, että toisen ruiskun mäntä nousee. Osoittautuu, että putken läpi välittyvä paine muuttaa voiman suuntaa. Mielenkiintoista on, että ruiskut voidaan sijoittaa paitsi pystysuoraan, myös suorassa kulmassa toisiinsa nähden. Tulos on sama.
Kaada vesi pois, niin ruiskuihin tulee ilmaa. Toistetaan kokemus. Kokeen aikana näemme, että kaasu välittää myös painetta kaikkiin suuntiin. Nesteen kanssa on vain yksi ero. Jos lasket yhden männän alasruisku alas ja kiinnitä se sormella, sitten kun painat toisen ruiskun mäntää, kaasu puristuu. Sen tilavuus pienenee noin kaksinkertaiseksi ja mäntä yrittää pomppia ylös. Tämä kaasu, joka pyrkii lisäämään tilavuuttaan, saa männän liikkumaan ylöspäin. Se olisi erilaista nesteen kanssa, sitä ei olisi mahdollista puristaa niin helposti.
Pascalin laki
Tutkimme kokemuksen avulla nesteiden ja kaasujen paineensiirtoa. Sen keksi ranskalainen fyysikko Blaise Pascal. Ota ontto pallo, johon on kiinnitetty lasiputki. Pallon eri osissa (ylä, sivu, alaosa) on pieniä reikiä. Putken sisään on asetettu mäntä. Tämä on erityinen laite Pascalin lain osoittamiseen.
Täytä ilmapallo putken läpi vedellä nähdäksesi, miten se käyttäytyy. Vaikka painovoima vaikuttaa palloon ylhäältä alas, vettä valuu pallon rei'istä kulmassa, sivulle ja jopa ylöspäin. Tietenkin ne poikkeavat hieman alkuperäisestä suunnastaan, koska painovoima vaikuttaa niihin. Näemme, että veteen kohdistuva paine välittyy kaikkiin suuntiin.
Jos veden sijaan otamme savua ja teemme tämän kokeen, tarkkailemme paineen siirtymistä kaasussa omin silmin, koska savu on kaasua, joka on värjätty pienillä noki- tai tervahiukkasilla. Koska se on erittäin kevyt, painovoima ei vaikuta siihen yhtä paljon, se ei poikkea alkuperäisestä asemastaan yhtä paljon kuin vesivirrat. Voimme päätellä tämän: kohdistettu painenesteellä tai kaasulla, välittyy voimaa muuttamatta mihin tahansa nesteen ja kaasun pisteeseen kaikkiin suuntiin. Tämä on Pascalin laki nesteille ja kaasuille. Kaava: P=F/S jossa P on paine. Se on yhtä suuri kuin voiman F suhde alueeseen S, johon se vaikuttaa kohtisuorassa.
