§ 139. Силы давления

Повседневный опыт учит нас, что жидкости действуют с известными силами на поверхность твердых тел, соприкасающихся с ними. Эти силы мы называем силами давления жидкости.

Прикрывая пальцем отверстие открытого водопроводного крана, мы ощущаем силу давления жидкости на палец. Боль в ушах, которую испытывает пловец, нырнувший на большую глубину, вызвана силами давления воды на барабанную перепонку уха. Термометры для измерения температуры в глубине моря должны быть очень прочными, чтобы давление воды не раздавило их. Ввиду огромных сил давления на большой глубине корпус подводной лодки должен иметь гораздо большую прочность, чем корпус надводного корабля. Силы давления воды на днище судна поддерживают судно на поверхности, уравновешивая действующую на него силу тяжести. Силы давления действуют на дно и на стенки сосудов, наполненных жидкостью: налив в резиновый баллон ртуть, мы видим, что его дно и стенки выгибаются наружу (рис. 212).

Рис. 212. Стенки и дно резинового баллона, вложенного в проволочный каркас , выгнуты силами давления налитой ртути .

Наконец, силы давления действуют со стороны одних частей жидкости на другие. Это значит, что если бы мы удалили какую-либо часть жидкости, то для сохранения равновесия оставшейся части нужно было бы приложить к образовавшейся поверхности определенные силы (рис. 213). Необходимые для поддержания равновесия силы равны силам давления, с которыми удаленная часть жидкости действовала на оставшуюся.

Рис. 213. Часть жидкости (заштрихованный объем) удалена. Для удержания оставшейся жидкости в равновесии нужно приложить силы, распределенные по образовавшейся поверхности

В § 34 мы видели, что силы, действующие при непосредственном соприкосновении тел, — упругие силы — возникают в результате деформации тел. В твердых телах силы упругости возникают как при изменении формы, так и при изменении объема тела. В жидкостях при изменении формы силы упругости не возникают. Подвижность жидкости обусловлена именно отсутствием упругости по отношению к изменению формы. При изменении же объема (при сжатии жидкости) силы упругости возникают — по отношению к изменению объема жидкости обладают упругостью. Силы упругости в жидкости — это и есть силы давления. Таким образом, если жидкость действует с силами давления на соприкасающиеся с ней тела, то, значит, она сжата.

Рис. 214. Чем больший груз лежит на поршне, тем сильнее сжата жидкость

Чем больше сжата жидкость, тем больше и возникающие в результате этого сжатия силы давления.

Так как при сжатии плотность вещества растет, то можно сказать, что жидкости обладают упругостью по отношению к изменению их плотности.

Качественно зависимость сил давления от сжатия жидкости можно представить себе на следующем примере.

Пусть прочный цилиндр, заполненный жидкостью, закрыт плотно притертым (во избежание просачивания жидкости) поршнем, на котором помещен груз (рис. 214). Под действием груза поршень начнет опускаться, сжимая жидкость. При сжатии жидкости в ней возникнут силы давления, которые, действуя на поршень, уравновесят вес поршня с грузом. При увеличении нагрузки жидкость сожмется в большей степени, настолько, чтобы возросшие силы давления уравновесили увеличенную нагрузку.

Эта картина вполне аналогична разобранной в § 60 картине равновесия груза, лежащего на подставке. Подставка прогибается, и равновесие наступает тогда, когда силы упругости, возникшие при прогибе, уравновешивают силу тяжести, действующую на груз.

Для наглядности на рисунке сжатие жидкости под поршнем сильно преувеличено. В действительности в подобном опыте перемещение поршня и сжатие жидкости настолько малы, что на глаз их обнаружить нельзя. Однако в большей или меньшей степени все жидкости сжимаемы, и степень их сжатия, соответствующая тем или иным силам давления, может быть измерена.