Фразу «Не тисни на мене» можна замінити іншою: «Тисни на мене, будь ласка, з більшою площею дотику». У цій статті про те, що таке тиск, і чому не все залежить від сили.
Твердий агрегатний стан
У природі є три агрегатні стани: твердий, рідкий та газоподібний. Їх характеристики — у таблиці:
| Агрегатні стани | Властивості | Розташування молекул | Відстань між молекулами | Рух молекули |
| Твердий | зберігає форму та об’єм | у кристалічній решітці | співвідноситься з розміром молекул | коливається біля свого положення рівноваги в кристалічній решітці |
| Рідкий | зберігає об’єм і текучість | хаотично | близько один до одного | малорухливі, при нагріванні швидкість руху молекул збільшується |
| Гази | займають весь наданий об’єм | хаотично | більше розмірів молекул | хаотичне та безперервне |
Твердий стан дуже легко уявити це будь-який предмет, який ми зустрічаємо в житті. У цьому стані тіло зберігає форму та об’єм. Відстань між молекулами приблизно дорівнює розміру самих молекул, які, в свою чергу, розташовані дуже структуровано.
Така структура називається кристалічною решіткою – через чітку структуру молекулам складно рухатися, і вони просто коливаються у своїх положеннях.
| Агрегатні стани точно три? Насправді, є ще четвертий — плазма. Звучить, як що з наукової фантастики, але це просто іонізований газ— газ, у якому, крім нейтральних частинок, є ще й заряджені. Іонізатори повітря якраз будуються на принципі переходу з газоподібної речовини в плазму. |
Тиск твердого тіла
Людина, що йде по пухкому снігу, буде в нього постійно провалюватися. Але, одягнувши лижі, він може пересуватися снігом спокійно. Здавалося б, сила та маса людини не змінюється — вона впливає на сніг з однаковою силою і на лижах, і без них.
Справа в тому, що «провалювання» у сніг характеризується не лише силою — воно також залежить від площі, на яку ця сила впливає. Площа поверхні лижі в 20 разів більша за площу поверхні підошви, тому людина, стоячи на лижах, діє на кожен квадратний сантиметр із силою в 20 разів меншою, ніж без них.
Або, наприклад, якщо втикати кнопки в пробкову дошку, і діяти на них з однаковою силою — легше увійде та кнопка, яка має більш загострений кінець, тому що в нього площа менша.
А тепер підтвердимо цей висновок дослідами, як справжні фізики.
Резюмуємо. Результат дії сили залежить не лише від її модуля, напряму та точки докладання, а й від площі поверхні, до якої ця сила прикладена.
А тепер підтвердимо цей висновок дослідами, як справжні фізики
Візьмемо невелику дошку і вб’ємо цвяхи в її кути. Також візьмемо ємність із піском і поставимо конструкцію з дошки та цвяхів у цю ємність. Спочатку розташуємо конструкцію так, як показано на малюнку – капелюшками вниз – і поставимо на неї гирю. Конструкція не потоне в піску, а лише трохи заглибиться.
Потім перевернемо конструкцію так, щоб «капелюшки» цвяхів опинилися зверху і також поставимо на дошку гирю. Тепер конструкція втопиться в піску.
Від того, яка сила діє на кожну одиницю площі поверхні, залежить результат дії сили
У всіх прикладах ми говорили про дію сили, перпендикулярної поверхні. Щоб охарактеризувати цю дію, вводять величину тиску.
| Тиск p = F/S p — тиск [Па] F — сила [Н] S — площа [м2] |
Як зменшити або збільшити тиск
Важкий гусеничний трактор чинить тиск на ґрунт, що дорівнює 40 – 50 кПа. Хлопчик масою 45 кг чинить тиск лише втричі менше, ніж такий трактор. Це пов’язано саме з тим, що площа гусениць більша.
Залежно від того, який тиск хочуть отримати, площу опор зменшують або збільшують. Наприклад, щоб зменшити тиск будівлі на ґрунт, у процесі будівництва збільшують площу нижньої частини фундаменту.
Шини вантажних автомобілів роблять значно ширше легкових автомобілів (зверніть увагу на колеса якоїсь великої фури). Найширші шини можна побачити на автомобілях, призначених для пересування у пустелі. Той самий «лайфхак» використовується в шасі літаків.
Зворотна залежність теж використовується, наприклад, при створенні лез колючих та ріжучих інструментів. Гостро лезо має малу площу, тому навіть при невеликому натисканні створюється великий тиск.
Завдання раз
Книга лежить на столі. Маса книги дорівнює 0,6 кг. Площа її зіткнення зі столом дорівнює 0,08 м2. Визначте тиск книги на стіл.
Рішення:
На стіл буде тиснути сила, що дорівнює вазі книги. Оскільки вона спочиває, її вага дорівнюватиме силі тяжіння. Отже:
p = mg/S = 0,6*10/0,08 = 75 Па
Відповідь: тиск книги на стіл дорівнює 75 Па
Завдання два
Гусеничний трактор ДТ-75М масою 6610 кг має опорну площу обох гусениць 1,4 м2. Визначте тиск цього трактора на грунт.
Рішення:
Візьмемо невелику дошку і вб’ємо цвяхи в її кути. Також візьмемо ємність із піском і поставимо конструкцію з дошки та цвяхів у цю ємність. Спочатку розташуємо конструкцію так, як показано на малюнку – капелюшками вниз – і поставимо на неї гирю. Конструкція не потоне в піску, а лише трохи поглибиться.
p=m⋅g/S = 6610⋅10/1,4 = 47 214Па = 47,2 кПа.
Відповідь: тиск трактора на грунт складає 47,2 кПа
Завдання три
Людина масою 80 кг із сумкою вагою 100 Н стоїть нерухомо на підлозі. Сила тиску підошви його черевиків на підлогу рівномірно розподілена за площею 600 см2. Який тиск людина чинить на підлогу?
Рішення:
Маса людини: m = 80 кг.
Вага сумки, яку тримає людина: Pc = 100 Н.
Площа зіткнення підошви черевиків із підлогою: S = 600 кв. см.
600 кв. см = 600/10000 кв. м = 0,06 кв. м
Тиск – це відношення сили до площі, на яку вона діє. В даному випадку на площу діє сила, що дорівнює сумі сили тяжіння людини і ваги сумки:
F = mg + Pc
Тому тиск, який чинить людина з сумкою на підлогу, дорівнює
p = (mg + Pc)/S = (80*10 + 100)/0,06 = 15 000 Па = 15 кПа
Відповідь: тиск людини , що тримає сумку, на підлогу дорівнює 15 кПа.
