Повторите материал главы 7 по следующему плану: выпишите основные понятия и физические величины и дайте их определения; сформулируйте законы и запишите основные формулы; укажите единицы физических величин и их выражение через основные единицы СИ; опишите основные опыты, подтверждающие основные закономерности. Тема: «Гидростатика и гидродинамика»: 1. Давление и сила давления. Давление жидкости. 2. Устойчивое и неустойчивое равновесие твёрдого тела в жидкости. 3. Ламинарное и турбулентное течение жидкости. Опыты Рейнольдса.

Основные понятия и величины

• Сила давления — сила, с которой тело или жидкость действует на поверхность. Обозначение — F, единица СИ — ньютон (Н).
• Давление — отношение перпендикулярной поверхности силы давления к площади этой поверхности: p = F/S. Единица — паскаль: 1 Па = 1 Н/м² = 1 кг/(м·с²).
• Плотность — отношение массы тела к его объёму: ρ = m/V. Единица — кг/м³.
• Гидростатическое давление — давление неподвижной жидкости, обусловленное её весом. На глубине h: p = ρgh. Единица — Па; g измеряется в м/с², h — в м.
• Выталкивающая сила — сила, с которой жидкость действует вверх на погружённое в неё тело. По закону Архимеда F_A = ρ_жgV_погр. Единица — Н.
• Расход жидкости — объём жидкости, проходящий через поперечное сечение за единицу времени: Q = V/t = Sv. Единица — м³/с.

Законы и формулы

1. Давление: p = F/S, поэтому F = pS.
2. В покоящейся жидкости давление увеличивается с глубиной: p = ρgh. Если учитывается давление на поверхности, полное давление равно p_полн = p₀ + ρgh.
3. Закон Паскаля: давление, оказываемое на жидкость или газ, передаётся без изменения во все точки жидкости или газа и во всех направлениях. Для гидравлического пресса p₁ = p₂, то есть F₁/S₁ = F₂/S₂.
4. Закон Архимеда: на погружённое в жидкость тело действует направленная вверх сила, равная весу вытесненной жидкости: F_A = ρ_жgV_погр.
5. Условие плавания: тело тонет, если ρ_т > ρ_ж; плавает внутри жидкости при ρ_т = ρ_ж; всплывает, если ρ_т < ρ_ж. Для плавающего тела F_A = mg.
6. Уравнение неразрывности для установившегося течения несжимаемой жидкости: S₁v₁ = S₂v₂; следовательно, в более узком участке скорость больше.

Равновесие тела в жидкости

Устойчивое равновесие: после небольшого отклонения возникает сила или момент сил, возвращающие тело в исходное положение. Неустойчивое равновесие: малое отклонение увеличивается. Для плавающего тела устойчивость связана с тем, что при наклоне меняется форма погружённой части и возникает возвращающий момент; положение центров тяжести и плавучести существенно для характера равновесия.

Течение жидкости

При ламинарном течении слои жидкости движутся упорядоченно и почти не перемешиваются. При турбулентном течении движение становится хаотичным, возникают вихри и интенсивное перемешивание. Режим зависит, в частности, от скорости, размера канала, вязкости и плотности жидкости.

Основные опыты

1. Давление и площадь. На поверхность ставят тела с разной площадью опоры и одинаковым весом либо меняют площадь опоры одного тела. Большая сила или меньшая площадь дают большее давление, что согласуется с p = F/S.
2. Давление жидкости. В сосуде делают отверстия на разных высотах: из нижних отверстий струя обычно вылетает дальше. Это показывает, что давление возрастает с глубиной. Сообщающиеся сосуды с одной и той же жидкостью демонстрируют установление одинакового уровня.
3. Передача давления. Давление на жидкость в замкнутом сосуде передаётся во все стороны; на этом основана работа гидравлического пресса.
4. Сила Архимеда. Вес тела измеряют динамометром сначала в воздухе, затем при погружении в жидкость. Показание уменьшается; потеря веса равна весу вытесненной жидкости.
5. Плавание и равновесие. Тела из разных материалов помещают в жидкость и сравнивают их поведение. Опыт показывает зависимость погружения и плавания от соотношения плотностей тела и жидкости; небольшое отклонение плавающего тела позволяет наблюдать, возвращается ли оно к равновесию.
6. Опыты Рейнольдса. В прозрачную трубку с текущей водой вводят тонкую окрашенную струйку. При малой скорости она сохраняется прямой и различимой — течение ламинарное. При увеличении скорости струйка начинает изгибаться и смешиваться с водой — течение становится турбулентным.

Основные единицы СИ: длина — метр (м); масса — килограмм (кг); время — секунда (с). Производные единицы: Н = кг·м/с²; Па = кг/(м·с²); кг/м³; м³/с.