TONG PASCAL: BAGAIMANA IA BERFUNGSI DAN BEREKSPERIMEN - FIZIKAL - 2025

The tong Pascal adalah satu eksperimen yang dijalankan oleh Perancis saintis Blaise Pascal pada tahun 1646 untuk menunjukkan secara muktamad bahawa merambat tekanan cecair sepercaman yang sama, tidak kira daripada bentuk bekas.

Eksperimen ini terdiri daripada mengisi tong dengan tiub nipis dan sangat tinggi, disesuaikan dengan sempurna ke leher pengisi. Apabila cecair mencapai ketinggian kira-kira 10 meter (tinggi bersamaan dengan 7 tong bertumpuk) tong pecah kerana tekanan yang diberikan oleh cecair di dalam tiub sempit.

Ilustrasi Pascal's Barrel. Sumber: Wikimedia Commons.

Kunci fenomena tersebut adalah memahami konsep tekanan. Tekanan P yang diberikan oleh bendalir di permukaan adalah kekuatan total F di permukaan itu dibahagi dengan luas A permukaan itu:

P = F / A

Bagaimana tong Pascal berfungsi?

Untuk memahami prinsip fizikal eksperimen Pascal, mari kita hitung tekanan di bahagian bawah tong anggur yang akan diisi dengan air. Untuk kesederhanaan pengiraan, kami akan menganggapnya berbentuk silinder dengan dimensi berikut: diameter 90 cm dan tinggi 130 cm.

Seperti yang dinyatakan, tekanan P di bawah adalah kekuatan total F di bahagian bawah, dibahagi dengan luas A di bawah:

P = F / A

Luas A bahagian bawah adalah kali pi (π≈3.14) jejari R bawah kuasa dua:

A = π⋅R ^ 2

Bagi tong, ia akan menjadi 6362 cm ^ 2 bersamaan dengan 0,6362 m ^ 2.

Daya F di bahagian bawah tong ialah berat air. Berat ini dapat dikira dengan mengalikan ketumpatan ρ air dengan isipadu air dan dengan pecutan graviti g.

F = ρ⋅A⋅h⋅g

Sekiranya tong berisi air, kita mempunyai:

F = ρ⋅A⋅h⋅g = 1000 (kg / m ^ 3) ⋅ 0,6362 m ^ 2 ⋅1,30 m⋅10 (m / s ^ 2) = 8271 N

Daya telah dikira dalam ton dan setara dengan 827 kg-f, nilai yang hampir dengan satu tan. Tekanan di bahagian bawah tong ialah:

P = F / A = 8271 N / 0,6362 m ^ 2 = 13000 Pa = 13 kPa.

Tekanan telah dihitung dalam Pascal (Pa) yang merupakan unit tekanan dalam sistem pengukuran SI antarabangsa. Suasana tekanan satu sama dengan 101325 Pa = 101.32 kPa.

Tekanan di bahagian bawah tiub menegak

Mari kita pertimbangkan tiub kecil dengan diameter dalaman 1 cm dan tinggi sama dengan tong, iaitu, 1.30 meter. Tiub diletakkan secara menegak dengan hujung bawahnya ditutup dengan penutup bulat dan diisi dengan air di hujung atasnya.

Mari kita mengira luas bahagian bawah tiub terlebih dahulu:

A = π⋅R ^ 2 = 3.14 * (0.5 cm) ^ 2 = 0.785 cm ^ 2 = 0.0000785 m ^ 2.

Berat air yang terdapat di dalam tiub dikira mengikut formula berikut:

F = ρ⋅A⋅h⋅g = 1000 (kg / m ^ 3) ⋅0.0000785 m ^ 2 ⋅1.30 m⋅10 (m / s ^ 2) = 1.0 N

Dengan kata lain, berat air ialah 0.1 kg-f, iaitu hanya 100 gram.

Sekarang mari kita mengira tekanan:

P = F / A = 1 N / 0.0000785 m ^ 2 = 13000 Pa = 13 kPa.

Hebat! Tekanan adalah sama dengan tong. Ini adalah paradoks hidrostatik.

Percubaan

Tekanan di bahagian bawah tong Pascal adalah jumlah tekanan yang dihasilkan oleh air yang terdapat di dalam tong itu sendiri ditambah dengan tekanan air yang terdapat dalam tiub sempit setinggi 9 meter dan diameter 1 cm yang disambungkan ke mulut. pengisian tong.

Gambar 2. Blaise Pascal (1623-1662). Sumber: Istana Versailles. Tekanan di hujung bawah tiub akan diberikan oleh:

P = F / A = ρ⋅A⋅h⋅g / A = ρ⋅g⋅h = 1000 * 10 * 9 Pa = 90000 Pa = 90 kPa.

Perhatikan bahawa dalam ungkapan sebelumnya kawasan A dibatalkan, tidak kira sama ada kawasan besar atau kecil seperti tiub. Dengan kata lain, tekanan bergantung pada ketinggian permukaan sehubungan dengan bahagian bawah, tanpa mengira diameternya.

Mari kita tambah pada tekanan ini tekanan tong itu sendiri di bahagian bawahnya:

P _tot = 90 kPa + 13 kPa = 103 kPa.

Untuk mengetahui berapa banyak daya yang diberikan pada bahagian bawah tong, kita mengalikan tekanan total dengan luas bahagian bawah tong.

F _tot = P tot * A = 103000 Pa * 0,6362 m ^ 2 = 65529 N = 6553 kg-f.

Dengan kata lain, bahagian bawah tong menyokong berat 6.5 tan.

Masukkan ke dalam latihan

Eksperimen tong Pascal mudah dihasilkan semula di rumah, dengan syarat ia dilakukan pada skala yang lebih kecil. Untuk ini, bukan sahaja perlu untuk mengurangkan dimensi, tetapi juga untuk mengganti tong dengan kaca atau bekas yang kurang tahan terhadap tekanan.

bahan

1- Cawan polistirena sekali pakai dengan penutup. Menurut negara yang berbahasa Sepanyol, polistirena disebut dengan cara yang berbeza: gabus putih, styrofoam, polistirena, busa, anime dan nama lain. Tudung ini sering dijumpai di kedai makanan segera.

2- Selang plastik, sebaiknya telus diameter 0.5 cm atau lebih kecil dan panjangnya antara 1.5 hingga 1.8 m.

3- Pita pelekat untuk pembungkusan.

Prosedur untuk menjalankan eksperimen

- Tembusi penutup cawan polistirena dengan bantuan sedikit gerudi, dengan pukulan, pisau atau dengan pemotong, sehingga lubang dibuat di mana selang melewati rapat.

- Pasang selang melalui lubang di penutup, sehingga sebahagian kecil selang masuk ke dalam mangkuk.

- Tutup dengan kemas dengan pita yang mengikat sendi selang dengan penutup di kedua-dua sisi penutup.

- Letakkan penutup di balang dan tutup sendi antara penutup dan balang dengan pita pembungkus, sehingga tidak ada air yang dapat keluar.

- Letakkan gelas di lantai, dan kemudian anda perlu meregangkan dan menaikkan selang. Mungkin berguna untuk bangun menggunakan jatuhan, bangku, atau tangga.

- Isi gelas dengan air melalui hos. Ia dapat dibantu oleh corong kecil yang diletakkan di hujung selang untuk memudahkan pengisian.

Apabila gelas sudah penuh dan paras air mula naik melalui selang, tekanan akan meningkat. Ada saatnya kaca polistirena tidak menahan tekanan dan pecah, seperti yang ditunjukkan Pascal dengan tong terkenalnya.

Rujukan

1. Tekan Hidraulik. Diperolehi dari Encyclopædia Britannica: britannica.com.
2. Tekanan hidrostatik. Dipulihkan dari Sensor One: sensorsone.com
3. Tekanan hidrostatik. Dipulihkan dari Oilfield Glossary: ​​glossary.oilfield.slb.com
4. Prinsip dan Hidraulik Pascal. Pentadbiran Aeronautik dan Angkasa Negara (NASA). Dipulihkan dari: grc.nasa.gov.
5. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 2. Mexico. Penyunting Pembelajaran Cengage. 367-372.
6. Apa itu Tekanan Hidrostatik: Tekanan dan Kedalaman Fluida. Dipulihkan dari Pusat Aktiviti Matematik dan Sains: edinformatics.com
7. Manual Sekolah Perigi. Bab 01 Prinsip tekanan.