X. VOOLISED


Rõhk vedelikes ja gaasides 


Vedelikel ja gaasidel on nende siseehitusest tulenevalt üks eriline omadus – nad võivad voolata. Seepärast nimetame vedelikke ja gaase edaspidi üheskoos voolisteks.

08_01_r6hk_tahkistes

Kui tahkele kehale mõjub rõhumisjõud, siis levib selle mõju edasi kindlas suunas – rõhumisjõu sihis.

Prantsuse teadlane Blaise Pascal tegi katsetega kindlaks, et vedelikus ja gaasis  levib voolisele avaldatav rõhk igas suunas edasi ühteviisi – nimetatud lauset tuntakse seepärast ka Pascali seadusena.

08_02_pascalipall

Fotol on Pascali katseseade nn Pascali kera. Kliki pildil, et näha kuidas Pascali kera töötab08_03_pidurisysteem

Seda omadust kasutatakse näiteks autode pidurisüsteemides (vaata skeemi) – avaldades piduripedaaliga torudes olevale pidurivedelikule survet, antakse see võrdselt kõikides suundades edasi rataste juures olevatele klotsidele ning kõik rattad pidurdavad ühtlaselt.

 


Voolise poolt temas asuvatele kehadele avaldatav rõhk


Vedeliku ja gaasi (voolise) poolt temas asuvatele kehadele avaldatav rõhk on tingitud vedelikule mõjuvast raskusjõust.

Pascal tegi katsetega kindlaks, et vedeliku poolt kehale avaldatav rõhk sõltub:
· vedelikusamba kõrgusest (mida kõrgem sammas, seda suurem on avaldatav rõhk)
· vedeliku ainest (mida tihedam on vedelik, seda suurem on avaldatav rõhk)

Vedelikusamba rõhk valemina:

08_04_vedelikur6huvalem

kus ρ – vedeliku/gaasi tihedus, mõõdetakse kilogrammides-kuupmeetri kohta (1kg/m³), g = 9,81 N/kg ≈ 10 N/kg – raskusjõu tegur Maal ja h – vedelikusamba kõrgus, mõõdetuna meetrites (1m).

Õhurõhk 


Maad ümbritsevat atmosfääri saame käsitleda kui hiiglaslikku õhusammast.

08_04_atmosfaar

Ka atmosfääris sisalduvatele õhuosakestele mõjub Maa raskusjõud. Järelikult avaldab ka õhk temas asuvatele kehadele rõhku. Mida kõrgemale me merepinnast tõuseme, seda õhemaks jääb meie kohale jääv õhukiht – järelikult seda madalamaks muutub ka õhurõhk.

Itaalia teadlane Torricelli mõõtis ühena esimestest katseliselt ära õhurõhu (tema eksperimenti korratakse videos).

Normaalrõhuks loetaksegi Torricelli katses mõõdetud õhurõhku, mis vastab 760 mm kõrguse elavhõbeda samba poolt avaldatavale rõhule (kirjutatakse 760 mmHg)

Kuna elavhõbeda tihedus on 13 600 kg/m3, samba kõrgus 760 mm = 0,76m ning g=9,81 N/kg, saame leida normaalõhu põhiühikutes – paskalites:

08_05_normaalr6hu_arvutus

Manomeeter. Baromeeter 


Manomeeter ja baromeeter on mõlemad seadeldised rõhu mõõtmiseks.

08_06_u-manomeeterKõige lihtsam manomeeter – U-manomeeter – koosneb U-kujulisest mõõteskaalale kinnitatud torust, millesse on valatud värvitud vedelik, andurist – õhuga täidetud karbikesest, millele saab mõjuda rõhumisjõud  – ning ühte toru haru anduriga ühendavast voolikust.

Kui karbikesele ei mõju jõudu, siis on vedelikunivood mõlemas U-toru osas ühekõrgused. Kui karbikesele mõjub aga rõhumisjõud, siis antakse see mööda voolikut edasi U-kujulises torus oleva vedeliku pinnale – seal tekib ülerõhk, mis surub vedelikule ning osa vedelikust surutakse toru teise osasse. Tänu sellele, et tekib vedelikunivoode erinevus, tasakaalustab kõrgem vedelikusammas ülerõhu.

08_07_baromeeterBaromeeter on manomeeter, mis on kohandatud õhurõhu ja selle muutuste mõõtmiseks. Liht­saim ane­roidbaromeeter koosneb õhu­tihedalt suletud metall­kar­bi­ke­sest. Normaaltingimustes on rõhk karbis võrdne atmos­fää­ri­rõ­huga. Karbikesega on ühen­da­tud süsteem, mis registreerib kar­bis tekkivad pinged, mis kaasnevad välisrõhu muutusega. Kui välisrõhk suureneb, tõmbub kar­bike kokku, kui nõrgeneb, siis paisub.


Üleslükkejõud. Archimedese seadus 


Vedeliku või gaas (voolis) avaldab sellesse asetatud kehale rõhku. Paneme tähele, et voolise rõhk keha erinevatele osadele on erinev.

08_08_r6hkude_erinevus

08_09_yleslykkej6udKuna keha külgpinnad asuvad voolises ühe kõrgusel ja neile mõjuvad sama suurusega rõhumisjõud (F2 ja F3) on vastassuunalised, siis tasakaalustavad külgpindadele mõjuvad jõud teineteist (R1=F2-F3=0).

Seda ei saa aga öelda keha ülemisele ja alumisele pinnale mõjuvate rõhumisjõudude (F1 ja F4) kohta. Kuna ülemise pinna kohale jääv vedelikusammas on madalam, siis on väiksem ka tema poolt avaldatav rõhk – järelikult on väiksem ka vastav rõhumisjõud. Alumisele pinnale mõjub suurem rõhk ning sellele mõjub järelikult ka suurem rõhumisjõud.

Voolises asuva keha ülemise ja alumise pinnale mõjuvate rõhumisjõudude erinevusest tekkivat resultantjõudu (R2), mis on alati suunatud vedeliku pinna poole nimetataksegi üleslükkejõuks.

Voolises asuvale kehale mõjuv üleslükkejõud on võrdeline:

  • voolise tihedusega – mida tihedam vedelik või gaas, seda suurem üleslükkejõud temasse asetatud kehale mõjub
  •  voolisesse sukeldatud keha ruumalaga – suurema ruumalaga kehale mõjub suurem üleslükkejõud.

ehk valemina:08_10_yleslykkej6u_valem

kus ρ – vedeliku/gaasi tihedus, mõõdetakse kilogrammides-kuupmeetri kohta (1kg/m³), g = 9,81 N/kg ≈ 10 N/kg – raskusjõu tegur Maal ja V– sukeldunud keha või selle osa ruumala mõõdetuna kuupmeetrites (1m³).

Paneme tähele, et üleslükkejõu avaldises sisalduv tiheduse ja ruumala korrutis on võrdne vastava ruumalaga voolise massiga:

08_10_vedeliku_mass

Kui seda korrutada g-teguriga, on tulemuseks sellele voolise kogusele mõjuv raskusjõud.

Seega võime öelda, et voolises asuvale kehale mõjuv üleslükkejõud on võrdne tema poolt tõrjutud (temaga võrdse ruumalaga) vedelikule mõjuva raskusjõuga. Viimast lauset tuntaksegi Archimedese seadusena.


Kehade ujumine 


Voolisesse asetatud kehadele mõjub lisaks üleslükkejõule alati ka raskusjõud. Kui kehale mõjub samaaegselt mitu jõudu, nende mõjud liituvad ning keha hakkab liikuma resultantjõu suunas.

08_11_ujumise_tingimus

Kui üleslükkejõu ja raskusjõu resultant on suunatud voolise pinna suunas (üleslükkejõud on tugevam kui raskusjõud), tõuseb keha pinnale. Sellisel juhul öeldakse, et keha ujub vedelikus.

08_11_uppumise_tingimus

Kui üleslükkejõu ja raskusjõu resultant on suunatud Maa keskpunkti suunas (üleslükkejõud on nõrgem kui raskusjõud), vajub keha põhja. Sellisel juhul öeldakse, et keha upub vedelikus.

08_11_h6ljumise_tingimus

Kui üleslükkejõu ja raskusjõu resultant on võrdne nulliga – jõud tasakaalustavad teineteist, siis võib keha asetseda vedelikus ükskõik kus kohas – ta ei tõuse pinnale ega vaju ka põhja. Sellisel juhul öeldakse, et keha hõljub vedelikus.

Kuna kehale mõjuv raskusjõud sõltub keha massist (m), mis omakorda avaldub keha ruumala (V) ja keha tiheduse (ρkeha) korrutisena

08_12_raskusj6ud

Üleslükkejõudu saab aga arvutada keha ruumala (V) ja ümbritseva voolise (ρvoolis) tiheduse kaudu:

08_12_yleslykkej6ud

Tasakaaluolekus:

08_12_h6ljumise_tingimus

Seega keha hõljub voolises, kui keha materjali tihedus on võrdne teda ümbritseva voolise tihedusega.

Analoogiliselt arutledes jõuame järeldusele, et keha upub, kui tema tihedus on suurem kui voolise oma ning ujub kui voolise tihedus on keha tihedusest suurem.

08_13_tihedused


Areomeeter 


08_15_areomeeter1Kehade ujumistingimustel põhineb vooliste tiheduse mõõtmiseks kasutatava seadeldise – areomeetri töötamine.

Areomeeter on mingi kindla ruumalaga (enamasti klaasist ampull) keha, mille sisse on asetatud erineval hulgal raskusi (peenikesi tinakuule vms). Areomeetri mõõteskaala asub tema pikaks venitatud kaelal.

Mida tihedam on voolis, mida mõõdetakse, seda suurem on areomeetrile mõjuv üleslükkejõud ning seda rohkem tema mõõteskaala voolisest välja ulatub. Väiksema tihedusega voolistes mõjub areomeetrile väiksem üleslükkejõud ning seetõttu on ka skaala sügavamale voolisesse sukeldunud.

Kui skaala sukeldub liiga sügavale voolisesse, tuleb kasutada sama suure ruumalaga, aga väiksema massiga – see tähendab väiksema tihedusega areomeetrit. Kui areomeeter tõuseb liiga kõrgelt vedelikust välja, tuleb kasutada areomeetrit, mille mass on sama ruumala juures suurem – tihedus on suurem.

Advertisements