Ciśnienie w płynach

Przeprowadźmy eksperyment! Weźmy plastikową butelkę. Za pomocą gwoździa lub innego ostrego narzędzia zróbmy w niej trzy identyczne otwory, jeden nad drugim, w równych odstępach: jeden otwór na środku, jeden na górze, w połowie drogi między nakrętką a środkiem butelki i jeden na dole, w połowie drogi między środkiem a dnem butelki. Zaklejmy te otwory taśmą. I wypełnimy butelkę wodą.

Teraz odklejmy taśmę zakrywającą otwory. Przyjrzyjmy się uważnie. Woda wycieka prze otwory w postaci małych strumieni. Możemy zaznaczyć jak daleko sięga każdy ze strumieni. Czy jest jakaś różnica w prędkości z jaką woda wycieka z każdego z otworów?

Woda na samej górze wycieka bardzo powoli i nie sięga zbyt daleko. Woda wyciekająca przez środkowy otwór sięga trochę dalej. Woda, która wycieka z otworu na samym sole płynie szybko i sięga dalej, niż woda wypływająca z dwóch pozostałych otworów. Możemy zauważyć, że w miarę jak butelka zostaje opróżniona i spada poziom wody wewnątrz niej, wszystkie trzy strumienie wody stracą prędkość i sięgają coraz bliżej ścianki butelki. Wreszcie strumienie jeden po drugim przestają wypływać z butelki.

Z całą pewnością jest jakaś zależność między odległością każdego otworu od powierzchni wody, a tym jak daleko sięgają wypływające z butelki strumienie wody. W naszych eksperymencie na wodę działa siła grawitacji, która przyciąga wodę do dołu. Gdy siła rozchodzi się po danej powierzchni, powstaje ciśnienie. Teraz przy każdym otworze w butelce narysuj poziomą linię. W ten sposób możemy wyobrazić sobie, że woda w butelce ma wiele warstw.

Najpierw przyjrzyjmy się linii przy otworze na samej górze. Nad tym tworem znajduje się tylko jedna warstwa wody, dlatego siła grawitacji przyciąga do dołu tylko jedną warstwę wody. Jedna warstw wywiera małą siłę, co oznacza, że ciśnienie jest niskie. Ale nad otworem na środku butelki znajdują się już dwie warstwy wody. Dwie warstwy wody ważą więcej, niż jedna warstwa, dlatego teraz działa większa siła grawitacji.

Tutaj ciśnienie będzie większe. Nad trzecim otworem mamy już trzy warstwy wody. Dlatego siła grawitacji jest jeszcze większa, a ciśnienie jest jak najwyższe. Im więcej wody, tym większy ciężar czyli większa siła grawitacji, a tym samym wyższe ciśnienie. Ciśnienie wywierane przez płyn wzrasta, im większa jest odległość od powierzchni płynu.

Im dalej od powierzchni płynu, tym wyższe staje się ciśnienie, wywarte przez całą wodę znajdująca się nad tym punktem. Ale skoro siła grawitacji działa do dołu, to dlaczego woda nie wypływa przez otwory prosto na dół? Pomyślcie o balonie wypełnionym wodą. Jeśli naciśniecie na jego jedną część, jego druga część powiększy się. Woda to ciecz.

Gdy wywieramy nacisk na ciecz z jednej strony, ciecz ta porusza się i prze we wszystkie możliwe kierunki. To samo dzieje się z wodą w naszej butelce. Gdy siła grawitacji przyciąga wodę w dół, woda w butelce prze na wszystkie kierunki Woda naciska na ścianki butelki i przeciska się przez otwory. Im wyższe ciśnienie powstaje na górze, tym wyższe ciśnienie działa także na ścianki butelki. Im głębiej, tym powstaje wyższe ciśnienie działające we wszystkich kierunkach.

A im większe ciśnienie, tym dalej sięgają strumyki wody. Czy ciśnienie byłoby inne, gdyby pojemnik miał inny kształt? Sprawdźmy... Weźmy dwa pojemniki o różnych kształtach i zróbmy w nich otwory na dokładnie takich samych wysokościach. Wypełnijmy oba pojemniki wodą do takiego samego poziomu.

Czy jest jakaś różnica w tym, jak wypływa z nich woda? Jeśli pojemniki wypełnione są identyczną cieczą, taka sama odległość punktu od powierzchni daje takie samo ciśnienie. Bez względu na kształt pojemnika!