فشارسنج لولهٔ U: اختلاف فشار از ارتفاع
1 · پیشبینی
لولهای U شکل آب را در ارتفاعهای متفاوت دو طرف نگه داشته و هر دو سرش باز به هوا است. چه چیزی اختلاف فشار دو ستون را تعیین میکند؟
- اختلاف فشار به کل مقدار آب لوله بستگی دارد.
- تا وقتی دو طرف به هوا بازند، اختلاف فشاری نیست.
- اختلاف فشار فقط به اختلاف ارتفاع دو طرف بستگی دارد.
2 · آمادهسازی
- پیشتنظیم لولهٔ U سیال را باز کنید و Reset بزنید. آب در دو سمت لولهٔ U در ترازهای متفاوت نشسته است.
- قرائت اختلاف فشار را فعال کنید.
- ارتفاع آب چپ و راست را برای هر آزمایش تنظیم کنید و قرائت اختلاف فشار را ثبت کنید.
3 · گردآوری داده
| ارتفاع چپ h_L (m) | ارتفاع راست h_R (m) | اختلاف فشار ΔP (Pa) |
|---|---|---|
| 0.10 | 0.16 | |
| 0.08 | 0.20 | |
| 0.05 | 0.22 |
برای سه آزمایش، ΔP (محور y) را بر حسب اختلاف ارتفاع h_R − h_L (محور x) رسم کنید. آیا خط راست است؟
4 · تحلیل
- برای یک آزمایش، ΔP = ρg(h_R − h_L) را با چگالی آب 1000 kg/m³ و g = 9.8 m/s² حساب کنید و آن را با قرائت مقایسه کنید.
- سه آزمایشتان ارتفاعهای مطلق متفاوت اما الگوی یکسان دارند. توضیح دهید چرا ΔP فقط به اختلاف ارتفاع بستگی دارد، نه به اینکه لوله در کل چقدر پر است.
5 · گسترش
- فشارسنج جیوهای همین اصل را با جیوه (چگالی 13,600 kg/m³) بهجای آب به کار میبرد. برای همان اختلاف ارتفاع، اختلاف فشار از آب بزرگتر یا کوچکتر میشود؟ تقریباً با چه عاملی؟
- غواصان با عمق بیشتر، فشار بیشتری حس میکنند. با ΔP = ρgΔh توضیح دهید چرا فشار در عمق 10 m زیر آب تقریباً دو برابر فشار در 5 m است.
فیزیک پشت این آزمایش
فشار هیدرواستاتیک
فشار در شاره با عمق بهطور خطی افزایش مییابد: P = ρgh. در لولهٔ U شکلی که دو سر آن به هوا باز است، اختلاف فشار میان دو ستون تماماً از اختلاف ارتفاعشان میآید.