§36. Способы уменьшения и увеличения давления

Вопросы

1. Приведите примеры использования больших площадей опоры для уменьшения давления.

Ответ:

Есть множество примеров, когда увеличение площади используется для снижения давления. Это широкие шины у сельхозтехники и болотоходов, чтобы не давить на грунт и не вязнуть в нем. Это опоры мостов, который расширяются к земле. Это широкие лыжи для передвижения по снегу. 

2. Зачем у сельскохозяйственных машин делают колёса с широкими ободами?

Ответ:

Для увеличения площади и снижения давления на единицу площади, тем самым машины не вязнут в рыхлой земле и не так сильно повреждают посевы.

3. Почему режущие и колющие инструменты оказывают на тела очень большое давление?

Ответ:

Дело в том, что при любых площадях стремящихся к минимальным, а именно такими являются рабочие поверхности колющих и режущих инструментов, образуются высокие давления в точке (линии, пятне контакта). Перед таким давлением не может устоять практически ни один материал, а значит инструмент либо срезает его, либо прокалывает. Вся сила приложенная к рукоятке инструмента, а порой еще и через рычаг, действует на материал. Что нам и необходимо!

Упражнение 15

1. Рассмотрите устройство плоскогубцев и клещей (рис. 92).

рис. 92.
При помощи какого инструмента можно произвести большее давление на зажатое тело, действуя одинаковой силой?

Ответ:

Клещи могут произвести большее давление на что-либо, так как их площадь рабочих поверхностей меньше. А мы знаем, что при уменьшении площади и сохранении силы, сила на единицу площади увеличивается, то есть увеличивается давление.

2. Для спасения человека, провалившегося под лёд, ему бросают широкую доску, не приближаясь к краю полыньи (рис. 93). Зачем?

рис. 93

Ответ:

На картинке мы видим два примера распределения силы и уменьшения давления на лед. Первый, когда спасатель движется к утопающему на животе, тем самым снижая давления на лед, за счет увеличения площади контакта с ним. Спасающийся использует доску, чтобы опереться на нее о лед, опять же снизив на него давление. Все это они делают для того, чтобы не просто снизить давление, а уменьшить вероятность разрушения льда и погружения в воду.

3. Зачем под гайку подкладывают широкое металлическое кольцо — шайбу. Почему шайба особенно необходима при скреплении болтами деревянных частей?

Ответ:

Шайба под стягиваемой гайкой уменьшает давление, при этом увеличивая площадь. В итоге на материал нагрузка распределяется равномерно и с меньшим усилием. Особенно это важно для относительно мягких собираемых материалов, таких как дерево, пластик.

Задание

1. Зная свою массу и площадь ботинка, вычислите, какое давление вы производите при ходьбе и какое — стоя на месте.
Указание. Площадь опоры ботинка определите следующим образом. Поставьте ногу на лист клетчатой бумаги и обведите контур той части подошвы, на которую опирается нога (рис. 94).

рис. 94.
Необходимо сосчитать число полных квадратных сантиметров, попавших внутрь контура следа, и прибавьте к нему половину числа неполных квадратных сантиметров. Так мы примерно найдем площадь следа. Полученное число умножьте на площадь одного квадратика (площадь квадратика на листе, взятом из школьной тетради, равна $\frac{1}{4} см^{2}$ ) и найдите площадь подошвы.

Ответ:

Определим площадь следа:
S = 465 + (1/2 *80) * 1/4 = 126,25 $см^{2}$
Стоя, человек оказывает давление на пол двумя на ногами.
$p=\frac{F}{2S}$;
F=gm;
$p=\frac{gm}{2S}$;
g ≈10 Н/кг;
m = 50 кг;
$p=\frac{10 * 50}{2 * 126,25}$ ≈ 1,9802 Н/ $см^{2}$ = $\frac{1,9802}{0,0001}$ Н/$м^{2}$ = 19802 Па = 19,8 кПа
Шагая по земле, давление оказывается как правило лишь одной ногой
$p=\frac{F}{S}$;
$p=\frac{10 * 50}{126,25}$ ≈ 3,9604 Н/ $см^{2}$ = $\frac{3,9604}{0,0001}$ Н/$м^{2}$ = 39604 Па = 39,6 кПа
Ответ. 19,8 кПа; 39,6 кПа.

2. Возьмите небольшую иголку. Вставьте её в пробку. Острый конец иголки должен быть на уровне нижнего края пробки. Верхний — на уровне верхнего. Затем поставьте пробку с иголкой на 10− или 50− копеечную монетку. (Монетку желательно положить на деревянную доску.) Резко ударьте молотком по пробке. Иголка пробьёт монетку. Объясните это явление.

Ответ:

В случае приложения силы, от удара молотка, практически всё давление приходится на нижний конец иглы, а он имеет малую площадь. Возникает большое давление на монету и в ней пробивается отверстие. Пробка же в этом эксперименте не даёт иголке сломаться.

3. Подготовьте сообщение о необходимости уменьшения или увеличения давления в быту и технике, используя рисунки учебника и Интернет.

Ответ:

Мы повседневно сталкиваемся с задачами и примерами, когда необходимо снизить давление на какую-либо площадь, либо увеличить. Далее как раз хотелось бы привести несколько таких примеров из жизни.

Уменьшение давления реализуется:

1. Лыжи
2. Шпалы, рельсы 
3. Широкие шины автомобилей и сельхозтехники
4. Гусеницы, трактора, танка, снегохода
5. Фундаменты зданий, сооружений

Увеличение давления применяется для случаев:
1. Режущий и рубящий инструмент (топор, лопата, коса, серп, нож, ножницы, кусачки...)
2. Гвозди, кнопки, иголки
3. Когти, зубы, клювы, клыки
4. Колючки, иглы растений

 В первую очередь проблема распределения давления встречается на транспорте. Это железные дороги, асфальтовые покрытия с ограниченной нагрузкой, особенно в жаркое время года, взлетные полосы. В итоге необходимо либо укреплять дороги (делать твердые покрытия) или ограничивать вес транспорта, а порой распределять вес на большую площадь покрытия. Это необходимо, чтобы давление транспорта не превышало допустимое значение. Из этого как раз и следует правило, что весь тяжелый транспорт: поезда, са­молёты, грузовые автомобили, самосвалы имеют либо широкие и большие колеса; либо множество колес, либо вовсе гусеницы.
 В бытовых условиях давление как правило наоборот требует увеличения, при резке продуктов ножами, которые должны быть заточены или при обработке материалов инструментами.