Hydrostatyka — ciśnienie, prawo Pascala i prawo Archimedesa

Materiał obejmuje hydrostatykę i aerostatykę w zakresie, jakiego wymaga fizyka na poziomie rozszerzonym: ciśnienie i siłę parcia, ciśnienie hydrostatyczne, prawo Pascala oraz prawo Archimedesa w cieczach i w gazach. To dział, w którym kilka prostych wzorów pozwala rozwiązać zaskakująco wiele sytuacji — od prasy hydraulicznej, przez U-rurkę z dwiema cieczami, po balon i statek wpływający z rzeki do morza.

Zaczynasz od pojęcia ciśnienia jako siły parcia przypadającej na jednostkę powierzchni i od zależności $p=\rho gh$. Ćwiczysz obliczanie ciśnienia na określonej głębokości, z ciśnieniem atmosferycznym i bez niego, oraz siły parcia na dno naczynia. Pytania o paradoks hydrostatyczny sprawdzają, czy rozumiesz, że ciśnienie na dnie zależy od wysokości słupa cieczy, a nie od kształtu naczynia czy ilości cieczy. W zadaniach z naczyniami połączonymi porównujesz ciśnienia na poziomie granicy dwóch cieczy.

Druga część dotyczy prawa Pascala: przenoszenia przyrostu ciśnienia zewnętrznego do każdego punktu cieczy i działania prasy hydraulicznej. Trzecia — prawa Archimedesa: od czego zależy siła wyporu, kiedy ciało pływa, jaka część jego objętości jest zanurzona, czym jest ciężar pozorny i jak z dwóch wskazań siłomierza wyznaczyć gęstość metalu. Pokazujemy też, że to samo prawo opisuje wypór w powietrzu.

W zadaniach liczbowych zwracamy uwagę na typowe błędy: pomylenie gęstości ciała z gęstością cieczy we wzorze na wypór, pominięcie ciśnienia atmosferycznego tam, gdzie pytanie dotyczy ciśnienia całkowitego, oraz mylenie siły parcia z ciśnieniem. Wyjaśnienia po każdej odpowiedzi pokazują pełny tok rozumowania, a nie tylko wynik, dzięki czemu łatwo znaleźć miejsce, w którym rozwiązanie poszło w złą stronę.

Materiał oferuje quiz z zadaniami obliczeniowymi i koncepcyjnymi, fiszki ze wzorami i definicjami, egzamin ustny w formie rozmowy z egzaminatorem, który prosi o wyjaśnienie rozumowania krok po kroku, oraz pracę pisemną do wydruku z zadaniami otwartymi wymagającymi pełnego rozwiązania. Wszystkie dane potrzebne do obliczeń są podane w treści zadań; przyjmujemy $g=10$ m/s² i gęstość wody $1000$ kg/m³. Zadania są oryginalne i służą do samodzielnej nauki oraz powtórki przed egzaminem.

• Obliczasz ciśnienie hydrostatyczne, ciśnienie całkowite na głębokości i siłę parcia.
• Wyjaśniasz paradoks hydrostatyczny i rozwiązujesz zadania z naczyniami połączonymi.
• Stosujesz prawo Pascala do opisu prasy hydraulicznej i cieczy w zamkniętym naczyniu.
• Obliczasz siłę wyporu w cieczach i gazach oraz analizujesz warunek pływania.
• Wyznaczasz gęstość ciała z pomiarów siłomierzem w powietrzu i w wodzie.

Materiał ćwiczeniowy przygotowany przez Zestly.