Погрузите стакан в воду, переверните его под водой вверх дном и затем медленно вытаскивайте из воды. Почему, пока края стакана находятся под водой, вода остаётся в стакане (не выливается)?

Для объяснения этого явления нужно рассмотреть несколько ключевых физических концепций, связанных с давлением и взаимодействием жидкостей и газов.

1. Давление газа и жидкости:
− В окружающем нас воздухе, атмосферное давление создается весом воздушного столба, находящегося над поверхностью земли. Это давление составляет примерно 101 325 Па (паскалей) на уровне моря.
− Если объект находится под водой, на него действует также гидростатическое давление воды. Оно зависит от глубины погружения и высоты водяного столба над объектом.

2. Давление внутри стакана:
− Когда стакан переворачивают вверх дном и погружают в воду, внутри него остается воздух. Этот воздух оказывает давление на воду внутри стакана.
− Давление воздуха внутри стакана первоначально равно атмосферному давлению, если стакан закрыт и в него не поступает дополнительный воздух.

3. Сравнение давлений:
− Под водой существует конкуренция между давлением воздуха внутри стакана и давлением воды снаружи.
− Гидростатическое давление воды снаружи растет с увеличением глубины. Однако, если края стакана находятся ниже уровня воды, это давление действует на воду внутри стакана, удерживая её от вытекания.

4. Принцип работы барьера для воды:
− Вода в стакане не выливается из−за разницы давлений. Давление воздуха внутри стакана может быть менее или равно гидростатическому давлению воды на внешнюю границу стакана. Как результат, вода удерживается внутри.
− Если вы начинаете медленно вытаскивать стакан, давление воды на внешние стенки стакана начинает уменьшаться (по мере уменьшения глубины). Однако краевая часть стакана удерживает воду внутри из−за капиллярности и адгезии, пока края стакана находятся под поверхностью воды.

5. Герметизация воздухом:
− Перевёрнутый стакан действует как своего рода "герметичный контейнер". Воздух, находящийся внутри, образует барьер, препятствующий вытеканию воды. Вода не может "продавить" воздух, поскольку давление воздуха внутри стакана компенсирует гидростатическое давление воды снаружи.

6. Условия для вытекания воды:
− Вода начнёт вытекать, если край стакана выйдет из−под воды и воздух попадёт в стакан. В этом случае воздушное давление внутри стакана уменьшится, и вода начнёт вытекать под действием силы тяжести.

Таким образом, удержание воды в перевёрнутом стакане под водой обусловлено балансом давлений между воздухом внутри стакана и водой снаружи. Это явление демонстрирует основные законы гидростатики и взаимодействие воздушного и гидростатического давлений.