class 22 hydrostatics - mr. gopie class · hydrostatics! pressure!...

9
Mr Rishi Gopie HYDROSTATICS PHYSICS

Upload: others

Post on 14-May-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: class 22 HYDROSTATICS - Mr. Gopie Class · HYDROSTATICS! PRESSURE! Pressure#(P)#is#definedas#the#average#force#(F)#exertednormally#per#unit#area#(A),#i.e.#P=F/A.#it#is# ascalar#quantityand#its#SI#unit#is#NmL2#or#Pascal#Pa.#

Mr  Rishi  Gopie              

H Y D R O S T A T I C S  

 

   

PHYSICS  

Page 2: class 22 HYDROSTATICS - Mr. Gopie Class · HYDROSTATICS! PRESSURE! Pressure#(P)#is#definedas#the#average#force#(F)#exertednormally#per#unit#area#(A),#i.e.#P=F/A.#it#is# ascalar#quantityand#its#SI#unit#is#NmL2#or#Pascal#Pa.#

Mr  R  Gopie   PHYSICS  

 

Page  2  of  9    

HYDROSTATICS  

PRESSURE  

Pressure  (P)  is  defined  as  the  average  force  (F)  exerted  normally  per  unit  area  (A),  i.e.  P  =  F/A.  it  is  a  scalar  quantity  and  its  SI  unit  is  Nm-­‐2  or  Pascal  Pa.  

  Its  concept  can  be  illustrated  by  placing  a  solid  rectangular  block  of  material,  with  sides  of  different  lengths,  on  its  various  faces  and  edges  and  corners.  Regardless  the  face/edge/corner  that  it  rests  on  its  weight  (a  force)  is  the  same  but  since  the  areas  are  different  then  so  are  the  pressures  that  it  exerts  on  whatever  surface  it  rests  on.  Practical  applications  of  the  concept  include:  inflation  of  car  tyres  under  various  loads,  thumbtack  design,  effect  of  stiletto-­‐heeled  shoes  on  various  surfaces,  the  difference  in  effect  between  dull  and  sharp  knives,  the  effect  of  walking  on  tip  toes  as  opposed  to  that  of  walking  flat-­‐footedly,  the  action  of  ice  skates,  the  action  of  an  ice  pick.  

Fluid  pressure  

  A  fluid  is  a  liquid  or  a  gas.  The  pressure  in  a  fluid  at  rest  

i) Acts  equally  in  all  directions  at  any  given  point  ii) Is  the  same  at  all  points  in  the  same  horizontal  level  iii) Does  not  depend  on  the  area  of  cross-­‐section  of  the  container  holding  the  fluid  (or  on  

the  shape  of  the  container)  iv) At  a  given  point  depends  only  on  the  depth,  h,  of  that  point  within  the  fluid  and  on  the  

density,  ρ  of  the  fluid  and  is  given  by  P  =  h  x  ρ  x  g,  where  P  is  the  pressure  measured  in  Nm-­‐2  or  Pa,  h  is  measured  in  m,  ρ  is  measured  in  kgm-­‐3  ,  and  g  is  the  acceleration  due  to  gravity,  10ms-­‐2  (or  gravitational  field  strength,  10  Nkg-­‐1).  

 

This  means  that  pressure  increases  with  depth  in  a  fluid  –  and  it  explains,  for  instance,  why  a  water  dam  is  built  with  a  concrete  base  that  is  much  thicker  than  its  top.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 3: class 22 HYDROSTATICS - Mr. Gopie Class · HYDROSTATICS! PRESSURE! Pressure#(P)#is#definedas#the#average#force#(F)#exertednormally#per#unit#area#(A),#i.e.#P=F/A.#it#is# ascalar#quantityand#its#SI#unit#is#NmL2#or#Pascal#Pa.#

Mr  R  Gopie   PHYSICS  

 

Page  3  of  9    

HYDRAULIC  PRINCIPLE  

  The  hydraulic  principle,  or  Pascal’s  principle,  states  that  pressure  is  transmitted  equally  in  all  directions  by  a  liquid  throughout  the  liquid.  This  is  so  since,  like  a  solid  (and  unlike  a  gas),  a  liquid  is  in  compressible  

 

 Diag.  40    

 

 

 

Since  A>>  a  then  F>>f  and  the  load  =  F  

Page 4: class 22 HYDROSTATICS - Mr. Gopie Class · HYDROSTATICS! PRESSURE! Pressure#(P)#is#definedas#the#average#force#(F)#exertednormally#per#unit#area#(A),#i.e.#P=F/A.#it#is# ascalar#quantityand#its#SI#unit#is#NmL2#or#Pascal#Pa.#

Mr  R  Gopie   PHYSICS  

 

Page  4  of  9    

As  a  machine  the  arrangement  is  a  force  multiplier  

The  application  of  the  hydraulic  principle  includes:  

i) The  hydraulic  braking  systems  in  motor  vehicles  ii) The  hydraulic  jack  iii) The  hydraulic  lift.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 5: class 22 HYDROSTATICS - Mr. Gopie Class · HYDROSTATICS! PRESSURE! Pressure#(P)#is#definedas#the#average#force#(F)#exertednormally#per#unit#area#(A),#i.e.#P=F/A.#it#is# ascalar#quantityand#its#SI#unit#is#NmL2#or#Pascal#Pa.#

Mr  R  Gopie   PHYSICS  

 

Page  5  of  9    

ATMOSPHERIC  PRESSURE  

  The  atmosphere  is  that  relatively  thin  layer  of  air  (a  gas).  That  surrounds  the  earth.  Air  has  a  mass  and  hence  a  weight,  and  this  weight  acting  over  the  earth`s  surface  area  (and  that  of  objects  on  the  earth)  gives  rise  to  atmospheric  pressure.  

The  atmosphere  however  is  not  of  uniform,  density  since  the  air  becomes  thinner,  i.e.  less  dense,  with  increasing  height  in  the  atmosphere  (i.e.  increasing  altitude).  So  that  atmospheric  pressure  decreases  with  increasing  altitude.  

Demonstrations  of  the  effects  of  atmospheric  pressure  include:  

i) The  crushing  can  experiment  ii) The  action  of  drinking  straw  iii) The  action  of  syringe  iv) The  action  of  rubber  suckers  v) The  action  of  pumps  such  as  the  bicycle  pump,  the  common  or  lift  pump,  the  force  pump  vi) The  action  of  the  lungs  ,i.e.  respiration  (similar  in  mechanism  to  “blowing”  a  balloon  by  

sucking)  vii) The  action  of  a  siphon  viii) Meteorological  effects-­‐  such  as  low  pressure  regions  being  indicators  of  approaching  

stormy  weather  (including  hurricanes)  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 6: class 22 HYDROSTATICS - Mr. Gopie Class · HYDROSTATICS! PRESSURE! Pressure#(P)#is#definedas#the#average#force#(F)#exertednormally#per#unit#area#(A),#i.e.#P=F/A.#it#is# ascalar#quantityand#its#SI#unit#is#NmL2#or#Pascal#Pa.#

Mr  R  Gopie   PHYSICS  

 

Page  6  of  9    

TUTORIAL  

1.    You  climb  a  ladder  in  bare  feet.    Explain  why  flat  rungs  will  feel  far  more  comfortable  than  round  ones.  

 

 

2.    Using  the  words  force  and  pressure  correctly,  explain  why  a  knife  needs  to  be  sharp  to  cut  well.  

 

 

3.    A  force  of  800  N  is  spread  evenly  over  an  area  of  4  m2.    What  pressure  is  acting  on  the  surface?  

 

 

4.  A  pressure  of  150  N  m-­‐2  is  applied  to  a  surface  of  area          5  m2.    How  large  is  the  total  force  acting  on  the  surface?  

 

 

5.    Each  side  of  a  cube  measures  2  m.    Its  weight  is  1000  N.    If  it  is  placed  on  a  table  (a)  what  force  does  it  exert  on  the  table,  and  (b)  what  pressure  does  it  exert  on  the  table?  

 

 

6.  The  pressure  in  a  car's  tyres  is  200  000  N  m-­‐2.    The  total  weight  of  the  car  is  10  000  N.  

     Calculate  the  area  of  the  car's  tyres  which  must  be  in  contact  with  the  ground.    Explain  your  reasoning.  

 

 

Page 7: class 22 HYDROSTATICS - Mr. Gopie Class · HYDROSTATICS! PRESSURE! Pressure#(P)#is#definedas#the#average#force#(F)#exertednormally#per#unit#area#(A),#i.e.#P=F/A.#it#is# ascalar#quantityand#its#SI#unit#is#NmL2#or#Pascal#Pa.#

Mr  R  Gopie   PHYSICS  

 

Page  7  of  9    

7.  Fig.10.6  represents  a  round-­‐bottomed  flask  which  has  several  tiny  holes  punctured  in  it  as  shown.    It  is  full  of  water.  

 

     The  piston  is  pushed  down.    Copy  the  diagram  and  draw  on  it  what  happens.    Explain  why.  

 

8.    Fig.10.7  shows  a  can  of  water  with  three  tiny  holes  in  it,  standing  on  top  of  a  high  wall.  

       Copy  the  drawing,  and  show  on  it  the  paths  of  the  water  jets  emerging  from  the  holes.    Explain  why  you  have  drawn  them  like  that.  

 

   

Page 8: class 22 HYDROSTATICS - Mr. Gopie Class · HYDROSTATICS! PRESSURE! Pressure#(P)#is#definedas#the#average#force#(F)#exertednormally#per#unit#area#(A),#i.e.#P=F/A.#it#is# ascalar#quantityand#its#SI#unit#is#NmL2#or#Pascal#Pa.#

Mr  R  Gopie   PHYSICS  

 

Page  8  of  9    

9.  What  is  the  pressure  at  a  depth  of  3.0  m  below  the  surface  of  a  liquid  of  density  1200  kg  m-­‐3?    (g  =  10  N  kg-­‐1)  

 

 

 

10.    How  far  must  you  descend  below  the  surface  of  a  liquid  of  density  800  kg  m-­‐3  for  the  pressure  to  rise  by  100  000  N  m-­‐2?  

 

 

 

11.    Fig.10.8  shows  a  cross-­‐section  of  the  retaining  wall  of  a  large  dam.  Suggest  why  it  is  that  shape.  

 

   

Page 9: class 22 HYDROSTATICS - Mr. Gopie Class · HYDROSTATICS! PRESSURE! Pressure#(P)#is#definedas#the#average#force#(F)#exertednormally#per#unit#area#(A),#i.e.#P=F/A.#it#is# ascalar#quantityand#its#SI#unit#is#NmL2#or#Pascal#Pa.#

Mr  R  Gopie   PHYSICS  

 

Page  9  of  9    

12.      A  pressure  gauge,  marked  in  units  of  N  m-­‐2,  is  used  to  record  the  total  pressure  at  a  series  of  depths  h  beneath  the  surface  of  a  liquid  in  a  large  tank.    These  are  the  readings  obtained:  

 

Depth  h  beneath    

surface  of  liquid  /  m   0.25   0.60   1.00   1.45   1.95   2.40  

Total    

pressure  /  10  3  N  m-­‐2     105     109     114     119     125     130      

(a)    Plot  a  graph  of  total  pressure  /  10  3  N  m-­‐2    against  depth  h  /  m.    (The  units  for  pressure  mean  that  a  reading  of  120  on  the  graph,  for  example,  means  120  x  10  3  N  m-­‐2).    The  depth  scale  should  start  at  zero,  but  the  pressure  scale  need  not  do  so.    

 

(b)    Explain  why  the  intercept  on  the  pressure  axis  gives  a  value  for  atmospheric  pressure.    Write  this  value  down.  

 

(c)    Find  the  gradient  of  the  graph.    Explain  why  its  units  will  be  N  m-­‐3.  

 

(d)    Given  that  this  gradient  is  equal  to  the  density  of  the  liquid  multiplied  by  g,  use  it  to  obtain  a  value  for  the  density  of  the  liquid.    Take  g  to  be  9.8  N  kg-­‐1.    Show  how  your  calculation  leads  to  the  correct  units  for  density,  and  quote  your  answer  to  a  suitable  number  of  figures.