На какую предельную высоту вручную можно поднять воду поршневым насосом (см. рис. 142) при нормальном атмосферном давлении?

рис. 142. Колонка с поршневым насосом: а — внешний вид; б — устройство

В данной задаче нужно определить предельную высоту подъема воды с помощью поршневого насоса при нормальном атмосферном давлении. Для этого следует обратиться к основным физическим принципам, связанным с давлением и движением жидкости.

Атмосферное давление

1. Определение атмосферного давления:
   Атмосферное давление — это давление, которое оказывает воздух на поверхность Земли и на все находящиеся на ней объекты. Нормальное атмосферное давление на уровне моря составляет приблизительно 101325 Па (паскалей), что равно 760 мм рт. ст.

2. Влияние атмосферного давления на подъем жидкости:
   Давление атмосферы действует на поверхности жидкости, помогая ей подниматься в трубке насоса. В вакууме жидкость не поднимается, так как отсутствует давление, которое могло бы вытолкнуть ее вверх.

Принципы действия поршневого насоса

1. Конструкция поршневого насоса:
   Поршневой насос состоит из цилиндра и поршня, который перемещается вверх и вниз внутри цилиндра. В цилиндре также имеются клапаны (например, клапан 1 и клапан 2 на рисунке), которые регулируют направление движения жидкости.

2. Работа поршневого насоса:

   • При перемещении поршня вверх давление в цилиндре уменьшается, создавая вакуум, который "засасывает" воду из резервуара в цилиндр через нижний клапан (2).
   • При движении поршня вниз верхний клапан (1) открывается, позволяя воде выйти наружу.

Ограничение высоты подъема жидкости

1. Закон Торричелли и высота подъема:
   Максимальная высота, на которую можно поднять воду с помощью поршневого насоса, определяется атмосферным давлением. Это давление может поддерживать столб воды высотой до 10,3 метра. Это значение может несколько варьироваться в зависимости от плотности воды и изменения атмосферного давления.

2. Простое объяснение:
   Атмосферное давление может поддерживать столб жидкости (например, воды) определенной высоты, так как выше этой высоты давление столба жидкости будет превышать давление атмосферы, и жидкость не сможет подниматься выше без дополнительного давления.

Учет плотности и силы тяжести

1. Плотность воды:
   Плотность воды составляет примерно 1000 кг/м³. Это значение важно для расчета давления, которое оказывает столб воды.

2. Сила тяжести:
   Сила тяжести действует на воду, стремясь вернуть ее к уровню резервуара. Атмосферное давление должно преодолевать силу тяжести, чтобы вода могла подниматься в насосе.

Законы гидростатики

1. Закон Паскаля:
   Давление, передаваемое жидкости в закрытом объеме, распространяется равномерно во все стороны. Это объясняет, как атмосферное давление действует на воду в резервуаре и способствует ее подъему.

2. Уравнение гидростатического давления:
   Давление в жидкости на глубине h определяется формулой: $ p = \rho \cdot g \cdot h $, где:

   • $ p $ — давление,
   • $ \rho $ — плотность жидкости,
   • $ g $ — ускорение свободного падения (примерно 9,81 м/с²),
   • $ h $ — высота столба жидкости.

Эти теоретические аспекты являются основой для определения предельной высоты подъема воды поршневым насосом. Важно учитывать, что данная высота будет ограничена атмосферным давлением и плотностью воды.