На дне пластиковой бутылки (рис. 127) сделайте отверстие. Зажмите отверстие пальцем и налейте в бутылку воды, закройте горлышко крышкой. Осторожно отпустите палец. Вода из бутылки выливаться не будет. Теперь осторожно откройте крышку. Из отверстия польётся вода. Объясните наблюдаемое явление.

рис. 127

Для объяснения наблюдаемого явления следует обратиться к законам физики, связанным с давлением жидкости и воздуха, а также к принципу взаимодействия атмосферы с закрытыми и открытыми системами.

Когда вы закрываете горлышко бутылки крышкой, внутри создаётся закрытая система, в которой воздух над поверхностью воды не может свободно поступать в бутылку или выходить из неё. Давайте подробно рассмотрим каждый этап:

1. Давление жидкости:
   • На любую точку внутри жидкости действует давление. Давление в жидкости увеличивается с глубиной, согласно закону Паскаля. Формула давления для жидкости: $ P = \rho g h $, где $ \rho $ — плотность жидкости, $ g $ — ускорение свободного падения, $ h $ — глубина (высота столба жидкости).

• В данном случае в нижней части бутылки (в месте отверстия) давление воды стремится «вытолкнуть» воду наружу через отверстие. Однако, это давление должно преодолеть внешнее давление воздуха.

1. Давление воздуха:
   • Когда бутылка закрыта крышкой, воздух внутри бутылки оказывается ограниченным. Давление воздуха над водой внутри бутылки остаётся постоянным. Оно противодействует вытеканию воды из отверстия, потому что при вытекании жидкости уменьшается объём воздуха внутри бутылки, что привело бы к дополнительному уменьшению давления внутри бутылки.
   • Снаружи бутылки атмосферное давление также действует на отверстие, но оно не может «вдавить» воздух внутрь бутылки, так как крышка блокирует доступ воздуха в бутылку.

Таким образом, когда бутылка закрыта, разница давлений на отверстии не позволяет воде вытекать.

1. Открытие крышки:

   • Когда вы открываете крышку, воздух из атмосферы свободно поступает внутрь бутылки, оказывая давление на поверхность воды. Давление воды в нижней части бутылки (в месте отверстия) становится больше, чем наружное давление воздуха, потому что теперь атмосферное давление действует сверху на воду и способствует её вытеканию.
   • В результате вода начинает вытекать через отверстие внизу бутылки.

2. Объяснение явления с точки зрения равновесия давлений:

   • В закрытой бутылке давление воздуха внутри бутылки компенсирует давление воды на отверстие. Как только крышка открыта, эта компенсация нарушается, и вода начинает выливаться под действием давления жидкости.

3. Роль атмосферного давления:

   • Атмосферное давление играет ключевую роль в описанном явлении. Оно действует как снаружи бутылки, так и внутри, когда крышка открыта. При закрытой бутылке атмосферное давление не может воздействовать на воду внутри, так как доступ воздуха из атмосферы ограничен крышкой.

Этот эксперимент наглядно демонстрирует взаимодействие давления воздуха и жидкости, а также важность наличия свободного поступления воздуха для изменения баланса давлений в системе.