1600-luvun kuuluisa ranskalainen filosofi, matemaatikko ja fyysikko Blaise Pascal antoi tärkeän panoksen modernin tieteen kehitykseen. Yksi hänen tärkeimmistä saavutuksistaan oli ns. Pascalin lain muotoileminen, joka liittyy nestemäisten aineiden ominaisuuksiin ja niiden luomaan paineeseen. Katsotaanpa tätä lakia tarkemmin.
Tutkijan lyhyt elämäkerta
Blaise Pascal syntyi 19. kesäkuuta 1623 Clermont-Ferrandissa Ranskassa. Hänen isänsä oli veronkannon varapresidentti ja matemaatikko, ja hänen äitinsä kuului porvarilliseen luokkaan. Nuoresta iästä lähtien Pascal alkoi olla kiinnostunut matematiikasta, fysiikasta, kirjallisuudesta, kielistä ja uskonnollisista opetuksista. Hän keksi mekaanisen laskimen, joka pystyi suorittamaan yhteen- ja vähennyslaskua. Hän vietti paljon aikaa tutkiessaan nestemäisten kappaleiden fysikaalisia ominaisuuksia sekä kehittämällä paineen ja tyhjiön käsitteitä. Yksi tiedemiehen tärkeistä löydöistä oli periaate, joka kantaa hänen nimeään - Pascalin laki. Blaise Pascal kuoli vuonna 1662 Pariisissa jalkojen halvaantumiseen - sairauteen, jokajoka seurasi häntä vuodesta 1646.
Painekonsepti
Ennen kuin tarkastelemme Pascalin lakia, käsittelemme sellaista fyysistä määrää kuin painetta. Se on skalaarinen fysikaalinen suure, joka ilmaisee voimaa, joka vaikuttaa tietylle pinnalle. Kun voima F alkaa vaikuttaa pintaan, jonka pinta-ala on kohtisuorassa sitä vastaan, paine P lasketaan seuraavalla kaavalla: P=F / A. Paine mitataan kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä SI pascaleina (1 Pa=1 N/m2), eli Blaise Pascalin kunniaksi, joka omisti monet teoksistaan painostuskysymys.
Jos voima F ei vaikuta tiettyyn pintaan A kohtisuoraan, vaan jossain kulmassa α siihen nähden, niin paineen lauseke saa muotoa: P=Fsin(α)/A, tässä tapauksessa Fsin(α) on voiman F kohtisuora komponentti pintaan A nähden.
Pascalin laki
Fysiikassa tämä laki voidaan muotoilla seuraavasti:
Paine, joka kohdistetaan käytännössä kokoonpuristumattomaan nestemäiseen aineeseen, joka on tasapainossa suonessa, jossa on muotoaan muuttamattomat seinämät, välittyy kaikkiin suuntiin samalla intensiteetillä.
Voit varmistaa tämän lain oikeellisuuden seuraavasti: sinun on otettava ontto pallo, tehtävä siihen reikiä eri paikkoihin, syötettävä tämä pallo männällä ja täytettävä se vedellä. Nyt kun painat vettä männällä, näet kuinka se valuu ulos kaikista rei'istä samalla nopeudella, mikä tarkoittaa, että vedenpaine jokaisen reiän alueella on sama.
nesteet ja kaasut
Pascalin laki on muotoiltu nestemäisille aineille. Nesteet ja kaasut kuuluvat tämän käsitteen piiriin. Toisin kuin kaasut, nesteen muodostavat molekyylit sijaitsevat kuitenkin lähellä toisiaan, minkä vuoksi nesteillä on sellainen ominaisuus kuin kokoonpuristumattomuus.
Nesteen kokoonpuristumattomuuden ominaisuudesta johtuen, kun tiettyyn tilavuuteen muodostuu äärellinen paine, se välittyy kaikkiin suuntiin ilman intensiteetin menetystä. Juuri tästä on kyse Pascalin periaatteessa, joka on formuloitu paitsi nesteille myös kokoonpuristumattomille aineille.
Kun otetaan huomioon kysymys "kaasun paineesta ja Pascalin laista", tässä valossa on sanottava, että kaasut, toisin kuin nesteet, puristuvat helposti kokoon säilyttämättä tilavuutta. Tämä johtaa siihen, että kun ulkoista painetta kohdistetaan tiettyyn kaasumäärään, se myös välittyy kaikkiin suuntiin ja suuntiin, mutta samalla se menettää intensiteetin ja sen häviö on sitä vahvempi, mitä pienempi tiheys kaasusta.
Siten Pascalin periaate pätee vain nestemäisille väliaineille.
Pascal-periaate ja hydraulikone
Pascalin periaatetta käytetään useissa hydraulisissa laitteissa. Pascalin lain käyttämiseksi näissä laitteissa on voimassa seuraava kaava: P=P0+ρgh, tässä P on paine, joka vaikuttaa nesteeseen syvyydessä h, ρ - on nesteen tiheys, P0 on nesteen pintaan kohdistettu paine, g (9, 81m/s2) - vapaan pudotuksen kiihtyvyys lähellä planeettamme pintaa.
Hydraulisen koneen toimintaperiaate on seuraava: kaksi halkaisij altaan erilaista sylinteriä on kytketty toisiinsa. Tämä monimutkainen astia on täytetty jollakin nesteellä, kuten öljyllä tai vedellä. Jokainen sylinteri on varustettu männällä, jotta ilmaa ei jää sylinterin ja astiassa olevan nesteen väliin.
Oletetaan, että tietty voima F1 vaikuttaa pienemmän poikkileikkauksen omaavan sylinterin mäntään, jolloin se synnyttää paineen P1 =F 1/A1. Pascalin lain mukaan paine P1 siirtyy välittömästi kaikkiin avaruuden pisteisiin nesteen sisällä yllä olevan kaavan mukaisesti. Tämän seurauksena paine P1 voimalla F2=P1 A 2=F1A2/A1. Voima F2 suuntautuu voimaa F1 vastakkaiseen suuntaan, eli sillä on taipumus työntää mäntää ylöspäin, kun taas se on suurempi kuin voima F1 täsmälleen niin monta kertaa kuin koneen sylinterien poikkipinta-ala eroaa.
Siten Pascalin laki sallii suurten kuormien nostamisen pienillä tasapainotusvoimilla, mikä on eräänlainen Arkhimedesin vipu.
Muita Pascalin periaatteen sovelluksia
Tarkasteltua lakia ei käytetä vain hydraulikoneissa, vaan myös löydöissälaajempi sovellus. Alla on esimerkkejä järjestelmistä ja laitteista, joiden toiminta olisi mahdotonta, jos Pascalin laki ei olisi voimassa:
- Autojen jarrujärjestelmissä ja tunnetussa lukkiutumattomassa ABS-järjestelmässä, joka estää auton pyörien lukkiutumisen jarrutuksen aikana, mikä auttaa välttämään ajoneuvon luisumista ja luistamista. Lisäksi ABS-järjestelmän avulla kuljettaja voi säilyttää ajoneuvon hallinnan, kun tämä suorittaa hätäjarrutuksen.
- Kaikissa jääkaapeissa ja jäähdytysjärjestelmissä, joissa käyttöaine on nestemäinen aine (freoni).
