Сила Давления

Способы изменения давления широко используются в природе, технике, в деятельности человека. Законы физики учитываются при строительстве архитектурных сооружений. В основе выбора архитектурной композиции лежат данные многих наук: надо учитывать назначение сооружения, его конструкцию, климат местности, особенности природных условий и т.д. Среди всех наук физика занимает важное место, которое особенно возросло в современной архитектуре и строительстве.

Прекрасной  вертикальной иглой взметнулась  к небу 533-метровая Останкинская башня  в Москве. Ее фундамент необычный: башня опирается десятью железобетонными  «ногами» в кольцевой фундамент  с внешним диаметром 74 м, заложенный в грунт на глубину 4,65 м. Такое  решение позволило сделать каждую из опор не только надежной, но и внешне легкой, даже элегантной, словно только для того и созданной, чтобы обрамлять  высокие, гостеприимные арки. Отсутствие должного внимания к зависимости  давления от веса тела и площади  могут подвести строителей.

Например, одно из самых красивых, величественных зданий Санкт-Петербурга - Исаакиевский собор – каждый год оседает  на 1 мм. В 70-е годы прошлого века знаменитый музей был закрыт на реставрацию: проводилась работа по предупреждению оседания здания, укреплению его фундамента.

Давление  требует внимательного к нему отношения. Учитывается давление в строительстве домов и плотин. Во всем мире строят высокие дома. Совершенно очевидно, что они оказывают давление на грунт. Породы под зданиями, как правило, не монолитны, они пронизаны трещинами, пустотами, тоннелями коммуникаций. Эта сложная структура просаживается под давлением сверху.

Плотины на горных реках иногда достигают  большой высоты – 200 м. Сила давления воды на дно водохранилища достигает 4 • 1011Н. Кроме того, сама плотина  выполнена из бетона и ее вес примерно равен 32 • 106 Н..  Такая сила создает  огромное давление на породы под водохранилищем. В породах под плотиной такое  давление создает зоны повышенного  напряжения, возникают подвижки, растрескивания. Теряется устойчивость пород и увеличивается  опасность оползней и землетрясений. Специалистами давно замечено, что сейсмичность в зоне высотных плотин резко возрастает.

Мы знаем, что, чем больше площадь опоры, тем  меньше давление, производимое данной силой, и наоборот, с уменьшением площади опоры (при неизменной силе) давление возрастает. Поэтому, в зависимости от того, хотят ли получить малое или большое давление, площадь опоры увеличивают или уменьшают.

Способы изменения давления учитываются  в сельском хозяйстве. Тракторы снабжены гусеницами, у комбайнов широкие  колеса. У сельскохозяйственной техники  увеличивают площадь опоры, а, следовательно, уменьшают давление. Тяжелые машины, такие, как трактор, танк или болотоход, имея большую опорную площадь гусениц, иногда могут проехать по такой (например, болотистой) местности, по которой не всегда пройдет человек.

Для того, чтобы уменьшить давление в нужных ему вещах человек бывает изобретателен: идти по снегу легче на лыжах, чем в ботинках, лямки у рюкзаков делают широкими, палаточные колышки делают острыми. Повар учитывает способы изменения давления в своей работе: пользуется приборами с малой площадью: ножи, яйцерезка, картофелерезка, терки и т.д.)

Лезвия  режущих у острия и колющих  инструментов (ножей, резцов, ножниц, пил, игл и др.) остро оттачивают. Их острые края имеют маленькую площадь  соприкосновения с обрабатываемой поверхностью, благодаря чему даже при небольшой силе воздействия  создается весьма значительное давление на предмет. Поэтому работать остро  заточенным инструментом легче, чем  тупым.

Другие  примеры использования давления в технических устройствах: при  вскапывании земли лопатой, мы действуем всем своим весом на довольно маленькую поверхность, но этого достаточно, чтобы лопата вошла в землю. В различных областях техники можно встретить пневматические или гидравлические инструменты, т.е. инструменты, приводимые в действие сжатым воздухом или водой. Например, простейший насос, который мы используем для накачивания мячей, велосипедных или автомобильных камер. Использование медицинского шприца, работу поршневого жидкостного насоса, пневматических тормозов для железнодорожного транспорта – примеры применения давления в технике.

А сейчас рассмотрим способы изменения давления в природе. Давление твёрдых тел вычисляется по формуле р = F/S, следовательно его можно увеличить или уменьшить, изменяя эти величины. Гораздо раньше человека это научилась делать её величество Природа. В сложном процессе эволюции выживают лишь те виды, которые лучше смогли приспособиться к окружающему миру. В животном и растительном мире встречаются как очень большие, так и очень маленькие значения давлений.

Одна  из основных задач – выжить, защитить себя от врагов. И здесь очень  кстати и острые шипы роз и кактусов, и колючки ежа и дикобраза. Длина колючек у некоторых  видов кактусов достигает 15 см, а  прочность их такова, что с помощью  этих колючек можно проигрывать  пластинки. Рассмотрим эти приспособления с точки зрения физики.

Очень малая  площадь шипов и колючек обеспечивает огромное давление даже при незначительной силе. Попробуйте взять в руки ежа  или веточку розы – и вы сами убедитесь в этом. Кстати, свои колючки  ёж использует не только для защиты. Очень любопытное зрелище представляет собой ёжик, несущий на колючках яблоки. Наблюдения показывают, что для этого он катается по куче яблок, пока не наколет хотя бы несколько.

По такому же принципу устроены острые зубы и клыки хищников, клювы и  лапы птиц. Эти приспособления не только врага устрашат, но и пищу добывать помогают. Моржи, например, своими огромными  бивнями раскапывают на морском  дне моллюсков. Львица острыми клыками  способна мгновенно умертвить свою жертву, а остальные зубы выполняют роль острых ножниц, отрезающих куски мяса. Удав, обвивается  вокруг тела жертвы, напрягает мышцы (т.е. увеличивает силу) и создает большое давление на нее. Насекомые отлично «знают» физику: тонкие жала комаров, ос, пчёл создают огромное давление, прокалывая кожу. Рекордсменом является комар – при укусе он создает давление до100 млрд. кПа!

Однако иногда высокое давление только мешает. Например, при движении. Вспомним верблюдов, их называют кораблями  пустынь. Масса взрослого верблюда составляет 500-600 кг, а его скорость – от 5 до 15 км/ч. По сыпучим пескам пустыни без специальных приспособлений далеко не уйдёшь. Ноги верблюда заканчиваются широкими ступнями, а сама подошва толстая, без роговых копыт. Именно это позволяет значительно уменьшить давление на почву. Похожее строение имеет нога страуса, что позволяет ему развивать скорость до 70 км/ч.

Давлением обладает воздух, окружающий нас. Когда  вы рисуете, кончик карандаша давит  на бумагу. Дом, в котором вы живёте, оказывает давление на землю. Давление газов, образующихся при сгорании пороха, выталкивает снаряд из ствола орудия. Давление в недрах Земли заставляет нефть бить фонтаном. Мы слышим звуки  потому, что звуковые волны оказывают  давление на барабанные перепонки в  ушах. В морских глубинах давление воды очень велико, поэтому корпус подводной лодки должен быть очень  прочным, иначе вода раздавит лодку. Сидя на стуле, вы оказываете на него давление. Эти явления может объяснить  физика.