Гидрогазодинамика

1. Давление и его причина. Ошибки в переводе трудов Паскаля; 
2. Абсолютное и относительное давление;
3. Упругость воздуха, сопротивление изменению объема при сжатии и разряжении;
4. Предел сжатия и разряжения воздуха;
5. Магдебургские полушария. Эффект Казламира;
6. Вес столба воды и давление воды. Насос Ломоносова и гидрозатвор (сифон); Условия удержания столба воды на весу в трубке. 
7. Поверхностное натяжение и поверхностное вдавливание;
8. Измерение давления и температуры с помощью трубки с водой;
9. Сила Архимеда;
10. Ограничения подъема воды на высоту, деревья как насосы;
11. Устройство манометров и вакуумметров. Трубка Бурдона, Динамометр измеряющий давление внешней среды; Градация давлений. 
12. Закон Бернулли и эффект Вернули;
13. Принцип действия велосипедного насоса;
14. Принцип действия поршневого насоса;
15. Способ получения вакуума "накачивая" атмосферу;
16. Принцип действия крионасоса и термонасоса;
17. Космический насос;
18. Эффект Прандля Глоерта;
19. Эффект Грана Тизона; Баротравма, ДКБ
20. Вакуум в плевральной области. Пневмотаракс

1. Что такое давление и его причина.

Давление среды это сила, которую создает внешняя среда на всю поверхность тела под действием своей силы тяжести.

Надо четко различать разницу между терминами -  например "давление воды" и термином "вес столба воды". 

Налейте деревянную чашку с водой. Вода текучее тело как и любое другое материальное тело имеет вес т.е. массу. Давление воды в чашке давит всем своим весом на всю внутреннюю площадь чашки, а вес столба воды в этой чашке давит только на площадь ее дна (ее опору). Давление воды в озере давит всем своим весом на всю поверхность дна озера, а вес столба воды из озера давит только на определенную площадь дна озера. Иными словами давление воды это полный вес воды в чашке действующий (распирающий) во все стороны - вниз и по бокам, а вес воды в чашке это давление воды действующий только на дно этой чашки вертикальной вниз. Следовательно причиной давления среды является вес этой среды. Причина давления воздуха - вес воздуха атмосферы, а причина давления воды - вес самой воды. 

Закон гидростатики был открыт Паскалем в 1653 году и его суть отражена в школьном учебнике в виде этой картинки:

А теперь правильный перевод оригинального текста:

Таким образом причиной давления воды является вес самой воды, причиной давления воздуха является вес самого воздуха. Например пустой алюминиевый баллон весит 15 кг. Если его заправить воздухом до 200 атмосфер он будет весить уже 19 кг. 

2. Абсолютное и относительное давление

Абсолютное давление — это давление, точка отсчета для измерения которого взято давление в глубоком космическом пространстве. Т.е. точка отсчета - нулевое давление в открытом космосе (ОК). Так как за точку отсчета взято самое наименьшее значение из возможных, то абсолютное давление всегда положительно. Абсолютное давление параметр который практически не применяется в науке и технике, за редким исключением определения давления на других планетах или на луне. Если точка отсчета давление в вакууме открытого космоса это абсолютное давление.

Относительное давление — это давление, точка отсчета для измерения которого взято текущее атмосферное давление на поверхности нашей планеты, которое в среднем принято равным 760 мм ртутного столба. (101325 Паскалей). 

Относительное давление может быть больше или меньше атмосферного.

Большее давление относительно атмосферного давления измеряет манометр (положительное давление), а меньшее давление относительно атмосферного измеряет вакуумметр (разряжение, вакуум, отрицательное давление).

Давление выше или ниже атмосферного измеряет прибор манометр-вакуумметр, "нулем" которого является текущее внешнее давление на поверхности нашей планеты.

Чтобы измерить величину самого атмосферного давления на поверхности нашей планеты, используют барометры, внутри которых имеется жесткий мешок с откачанным воздухом, давление в котором является точкой отсчета для измерения внешнего атмосферного давления. 

Если точка отсчета текущее давление на поверхности нашей планеты это относительное давление, если точка отсчета давление внешнего космоса это абсолютное давление.

В зависимости от точки отсчета измерения давления, само давление мы будем называть абсолютным, относительным, атмосферным, артериальным или венозным.

Не существует градации, при которой мы уверенно можем сказать "это давление еще не вакуум, а вот это давление уже является вакуумом", потому что любое давление ниже давления отсчета уже является вакуумом по отношению к давлению отсчета.

Из этой картинки становится понятно каким образом точка приложения силы тяжести может менять знак давления - делать его выше или ниже атмосферного. 

Давление атмосферы в официальной науке принято равным 1 атмосфере. Текущее давление атмосферы это точка отсчета для измерения относительного давления. Поэтому давление выше атмосферного может принимать значения от 1 атмосферы и выше вплоть до 1000 атмосфер в природе (Марианская впадина, глубина 11 км) и намного выше в техническом смысле, а вот давление ниже атмосферного вмещается в позорный интервал значений от 1 до 0. Значения давлений выше и ниже атмосферного абсолютно симметричны, однако давлению ниже атмосферного выделили ущербный интервал значений от 1 до 0. Следовательно оптимальным значением давления которое необходимо принять за "ноль" давления должно быть выбрано значение, которое обеспечивает идеальную симметрию значений или по крайней мере к ней стремиться.  

Обратите внимание, что давление 760 мм ртутного столба это среднее давление на самой поверхности Земли, по мере увеличения высоты вес воздуха и следовательно давление воздуха начинает понижаться и воздух становится разряженным, но по мере погружения под воду давление (вес) воды увеличивается на 1 атмосферу на каждые 10 метров погружения согласно ниже приведенной таблицы:

По мере увеличения глубины вода остается той же самой водой, просто увеличивается ее вес, но остается ли воздух воздухом по мере увеличения высоты вплоть до самого космического пространства ? Подумай Юный Техник над этим...

Мы откачали из баллона воздух, создав глубокий и холодный вакуум, открыли вентиль, какой процесс начал происходить ?

Относительно разряженной среды внутри баллона, вакуум начал засасывать внешний воздух атмосферы выравнивая равновесие;

Относительно внешней атмосферы сама атмосфера начинает заталкивать воздух внутрь баллона выравнивая равновесие;

Все два высказывания абсолютно верные, разница лишь в том, относительно чего описывать наш происходящий процесс.

3. Упругость воздуха, сопротивление изменению объема при сжатии и разряжении

Упругость воздуха это свойство, при котором воздух сопротивляется изменению своего объема при сжатии, разряжении, изменении температуры или давления.

Возьмем велосипедный насос и закроем патрубок. Нажмем на ручку насоса она надавит поршень, воздух внутри сожмется, давление станет выше атмосферного, отпустим поршень и видим как поршень возвращается обратно, потому что сжатый воздух стремится прийти к начальному объему. Следовательно воздух сопротивляется сжатию.

Возьмем велосипедный насос, нажмем на ручку насоса она надавит поршень и выдавит весь воздух внутри. Заткнем патрубок. Вытянем поршень, внутри насоса будет создано разряжение, вакуум, давление станет ниже атмосферного, отпустим поршень и видим как поршень возвращается обратно, потому что разряженный воздух стремится прийти к начальному объему. Следовательно воздух сопротивляется разряжению.

Таким образом воздух сопротивляется изменению своего объема при сжатии и разряжении благодаря свойству упругости. 

Воздух можно сжать, то есть уменьшить  объем емкости в которой он заключен при приложении давления выше атмосферного. Если высокое давление убрать, воздух расширится до первоначального объема, благодаря своей упругости.

Воздух можно разрядить (расширить), то есть увеличить объем емкости в которой он заключен при приложении давления ниже атмосферного (вакуума). Если низкое давление убрать, воздух сожмется до первоначального объема, благодаря своей упругости.

Накачивая воздух в шарик мы говорим "расширяется шарик", понимая, что расширяется только объем оболочки самого шарика, а сам воздух при этом не расширяется, а наоборот сжимается. Однако откачивая воздух из баллона, мы говорим "воздух расширяется", понимая, что объем баллона остается постоянным, а меняется только объем самого воздуха. В случае с надуванием шарика мы говорим "расширяется шарик", а в случае когда мы откачиваем воздух из баллона, уже расширяется сам воздух. Чтобы исключить эту путаницу достаточно понять, что когда говорят "расширение воздуха" под этим понимается его разряжение.

Упругость воздуха характеризует свойство воздуха сохранять свой объем при действии и после прекращения действия сил, вызвавших изменение этого объема.

При повышении давления выше атмосферного воздух сжимается, нагревается и сопротивляется сжатию.

При понижении давления ниже атмосферного воздух разряжается, охлаждается и сопротивляется разряжению.

4. Предел сжатия и разряжения воздуха.

Воздух не стремится занять "весь предоставленный ему объем" в силу наличия предела расширения и предела сжатия. Проведем простейший эксперимент показывающий наличие предела сжатия и разряжения воздуха.

На картинке показаны два велосипедных насоса

Объем воздуха в левом насосе равен 16 м³

Объем воздуха в правом насосе равен 1600 м³

К обоим насосам подвешен одинаковый вес по 10 кг.

Поршень на левом насосе пройдет расстояние 10 см и остановится

Поршень на правом насосе пройдет всю длину насоса и дойдет до упора самого насоса. Это происходит потому, что воздух имеет предел сжатия и разряжения, после превышения которого начинается его структурная деформация в виде изменения агрегатного состояния. Процесс изменения агрегатного состояния воды называют агрегация или парообразование.

Сжатие воздуха равно как и его разряжение имеет предел и поэтому имеет значение первоначальный объем воздуха который подвергается сжатию или разряжению. Поршень двигаясь вниз, какой бы не была сила, какой бы мы не подвесили груз создаст только определенное значение вакуума при определенном начальном объеме воздуха. Таким образом воздух имеет предел сжатия и предел расширения, свыше которых начинается переходной (фазовый) процесс изменения агрегатного состояния.

5. Магдебургские полушария

Магдебургские полусферы это две стальные полусферы с резиновой прокладкой между ними, из которых откачивают воздух создавая давление ниже атмосферного вакуумным насосом. Полушария прижимает (присасывает) вакуум который создается внутри полусфер, чем глубже вакуум тем сильнее притяжение. После того как насос отключают, вентиль закрывают, а сферы пытаются растянуть, растяжение сфер создает еще больший вакуум, а значит еще большую силу притяжения сфер ! Полусферы удерживаются за счет разницы давлений: Первое из них снаружи атмосферное и оно на поверхности земли для условий проведения данного эксперимента практически постоянное, а второе низкое вакуум внутри полусфер и его мера будет определять степень притяжения полусфер.

Возьмите жестяную банку и откачивайте из нее воздух, в какой то момент банка сожмется внутрь... за счет разницы давлений снаружи и внутри. Вместо мягкой банки представьте две жесткие конструкции в виде полусфер между которыми резиновая прокладка и которые сжимаются внутрь притягиваясь таким образом друг к другу.

Эффект Казимира

Из пустой банки из-под пива постоянно откачивают воздух, внутри банки будет создаваться отрицательное давление т.е. вакуум и одновременно понижаться температура. Разница давлений снаружи и внутри будет стремиться вогнуть банку внутрь, не одно только давление снаружи расплющит банку по полу, а разница давлений внутри и снаружи вогнет банку в центр самой банки. Силу которая всасывает внутрь банки называют эффектом Казимира.

Возьмите жестяную банку и откачивайте из нее воздух, в какой то момент времени банка сожмется внутрь за счет разницы давлений: атмосферного снаружи и давления ниже атмосферного вакуума внутри. 

Относительно атмосферного давления банку сжимает атмосферное давление снаружи; 

Относительно низкого давления внутри банки уже само низкое давление стягивает стенки банки внутрь самой банки; 

Относительно высокого давления снаружи и низкого давления внутри сжатие банки было вызвано разницей давлений снаружи и внутри 

Мы откачали из жестяной банки воздух, банка сжалась за счет разницы низкого давления внутри (вакуума) и внешним атмосферным давлением. Внешнее давление остается постоянным и не меняется, а меняется именно давление вакуума внутри. Так какое давление сжимает банку ? Давление которое остается постоянным или давление которое изменяется ? Конечно то которое изменяется т.е. давление ниже атмосферного. 

6. Вес столба воды. Давление воды.  Насос Ломоносова и гидрозатвор (сифон)

Возьмите длинную стрелянную трубку 30 см длинной и 0,3 см диаметром опустите ее наполовину в воду и закройте верхнее отверстие, поднимите трубку вместе с водой. 

Каким образом вода в трубке с открытым низом удерживается на весу ? 

Столб воды в трубке имеет вес, который имеет вектор (тянет) воду вниз. Так как система "вода трубка" герметична, то внутри трубки под действием силы тяжести столба воды образуется разряжение воздуха, который сопротивляется изменению своего объема, в результате чего столб воды удерживается на весу в трубке с открытым снизу концом, который соединяется с относительно постоянным давлением атмосферы. Поэтому столб воды оказывается "зажат" с двух сторон: снаружи снизу атмосферным давлением, а изнутри разряженным воздухом, который сопротивляется изменению своего объема. 

Давление ниже атмосферного внутри трубки уравновешивается давлением атмосферного воздуха снаружи под действием силы тяжести столба воды. Сделав вес столба воды или как на картинке справа вес груза больше, сила тяжести создаст еще большее разряжение внутри трубки и на вакуумметре мы увидим еще большее значение разряжения  (вакуума), потому что не вес уравновешивается, а давление внутри и снаружи уравновешивается под действием веса ! 

Давление воды и вес столба воды.

Вес столба воды в трубке без дна (основания) имеет вес как и любое тело, но когда дно у сосуда в наличии, вес распределяется по всему объему - "во все стороны одинаково".. Именно поэтому добавив в формулу "веса столба воды" площадь мы получим формулу для расчета давления воды. 

Почему ВЕС кирпича измеряется в ньютонах - в единицах измерения веса, а вес столба воды измеряется в Паскалях - в единицах измерения давления, если и в том и в другом случае измеряется ВЕС ТЕЛА ??? Разве вода не является "телом" ?

Жидкая вода это текучее тело, но по своей сути оно действует на весы также как и кирпич. Таким образом вес столба воды действует только на основание сосуда, а давление воды это тот же вес, но действующий во все стороны. Иными словами вес столба воды это составная часть полного веса давления воды. Однако вес кирпича на весах наука измеряет в Ньютонах, а вес столба воды уже измеряется в мере давления - Паскалях. 

Р = ρ*g*V - формула для расчета давления воды, веса действующего во все стороны, на весь внутренний объем сосуда, где V рассчитывается как произведение площади основания сосуда на его высоту V=S*h;

полная формула выглядит так: Р = ρ*g*h*S

P = ρ*g*h - формула для расчета веса столба воды, веса действующего БЕЗ учета площади основания сосуда (S в формуле нет)

Таким образом вес столба воды действует только на основание сосуда, а давление воды это тот же вес, но действующий во все стороны.

Вес столба воды давит ТОЛЬКО на площадь дна стакана, а давление воды давит ТОЙ ЖЕ СИЛОЙ на всю внутреннюю поверхность стакана - и на дно и на стенки стакана. Но давление на стенки (по бокам) это тот же самый вес воды действующий в бок. Таким образом "вес столба воды" и "давление воды" это одно и тоже несмотря на то, что имеет разные размерности. 

Давление воды — это сила, с которой вода действует на всю внутреннюю поверхность, на которую она давит. Это сила возникает под действием силы тяжести воды и измеряется в паскалях (Па) или атмосферах (атм). Когда Вы говорите "давление воды", Вы подразумеваете под этим вес самой воды, который оказывает давление (силу) на определенный сектор объема. Но когда Вы говорите "вес воды" Вы уже подразумеваете вес воды, который оказывает давление на определенный сектор площади. Поэтому размерность давления в размерности объема (Паскали), а размерность веса в размерности площади (ньютоны). 

Процесс образования давления

Сила давления воды определяется весом столба воды, а вектор веса направлен в большей мере ВНИЗ, в меньшей мере по бокам, а вверх он вообще равен нулю. 

Принцип работы насоса Ломоносова  

Обратите внимание не "сифона", как его называют неучи на западе, а насоса Ломоносова. 

Вес воды в левой части "весов" меньше, чем вес воды в правой части "весов", поэтому столб воды в правой части "весов" перевешивает вес воды в левой части, и поэтому вода сливается в банку 2 под действием большего веса столба воды, под действием большей силы тяжести столба воды. На картинке я предусмотрительно нарисовал весы и красную точку - центр равновесия весов. Это естественно проецирует единственно правильное понимание в голове того кто смотрит на эту картинку.  

Насос Михаила Ломоносова

Если насос Ломоносова перевернуть мы получим устройство которое называется гидрозатвор или простой сифон. 

Гидрозатвор

В создании веса столба воды участвует только вес столба воды с открытым внизу концом, именно поэтому могут сказать что "вес столба воды зависит только от высоты столба воды." Но большая высота значит больший вес воды. От высоты вес самого столба зависит если емкость имеет форму как на картинке слева, если емкость имеет пологие стенки как на картинке справа, то в создании веса столба воды участвует вся вода в емкости, а не только "красный сектор" как на картинке слева. 

Условия удержания столба воды в трубке. 

Возьмем две стеклянные трубки длинной по 30 см, диаметр первой 10 см, а диаметр второй 0,5 см. При попытке удержать воду в трубке мы обнаружим, что в трубке диаметр которой 10 см вода не может удержаться на весу и сразу выливается, а трубке 0,5 см прекрасно удерживается на весу. Почему это происходит ? 

Выше мы пришли к выводу, что столб воды оказывается "зажат" снаружи снизу атмосферным давлением, а изнутри разряженным воздухом, который сопротивляется изменению своего объема. 

Т.е. отрицательное давление ниже атмосферного внутри и снаружи уравновешивается под действием веса столба воды. Если переформулировать это по другому можно сказать,  что отрицательный вес воздуха внутри и снаружи уравновешивается под действием веса столба воды.

Если представить этот процесс в виде простых весов, мы увидим следующую схему:

7. Поверхностное натяжение и поверхностное вдавливание

Поверхностное натяжение воды снизу и поверхностное вдавливание сверху следствие того, что вода под силой своей тяжести стремится вытечь, но разница давлений этому мешает. Натяжение воды в виде выпуклости воды не может быть причиной удержания столба воды, потому что поверхностное натяжение воды это явление, которое происходит в следствии силы тяжести столба воды. 

Таким образом поверхностное натяжение воды не сила, но явление, возникающее под действием силы тяжести. 

8. Измерение давления внешней среды воздуха и температуры с помощью трубки с водой

1. Возьмем стеклянную трубку 30 см длинной и 0,5 см диаметром, опускаем ее в воду, закрываем верхнее отверстие пальцем и поднимаем трубку вместе с водой.
2. Столб воды в трубке удерживается на весу за счет разницы давлений - внешнего атмосферного и разряжения (вакуума) внутри трубки.
3. Изменение внешнего давления атмосферы или давления внутри трубки изменяет разницу давлений и следовательно изменит уровень воды.
4. Нарисуем на трубке шкалу в виде делений в миллиметрах на трубке с цифры
5. При повышении внешнего атмосферного давления уровень воды в трубке поднимется
6. При понижении внешнего атмосферного давления - уровень воды в трубке опустится;

Следовательно мы получили простой барометр - прибор для измерения внешнего атмосферного давления. 

Поместим трубку в среду с высокой температурой, воздух внутри трубки расширится и опустит уровень воды.

Поместим трубку в среду с низкой температурой, воздух внутри трубки сожмется и поднимет уровень воды.

Следовательно мы получили простой термометр - прибор для измерения температуры окружающей среды (воздуха или воды). 

Обратите особое внимание Юные Техники, что повышение внешнего давления поднимает уровень воды в трубке, а при повышении внешней температуры воздуха уровень воды в трубке наоборот опускается. 

И наоборот.

Понижение внешнего давления опускает уровень воды в трубке, а при понижении внешней температуры воздуха уровень воды в трубке наоборот поднимается. 

Почему такая не стыковка ?

В оригинальной шкале Цельсия температура замерзания воды принималась за 100 °C, а температура кипения воды — за 0°C. Эта шкала была перевернута каким то лохом Карлом Линнеем сразу после смерти Цельсия, и в таком виде используется по сей день. 

Теперь если мы восстановим настоящую шкалу Цельсия то все станет на свои места:

При увеличении температуры или внешнего давления уровень воды в трубке барометра-термометра поднимется;

При уменьшении температуры или внешнего давления уровень в трубке барометра-термометра - опустится.

 

Если мы трубку опустим в чашу с водой или ртутью принцип действия останется неизменным !

Так в чем была такая техническая необходимость вводить два разных названия - давление и температуру для измерения одного и того же ?

Обратите особое внимание на тот факт, что в первом случае изменялось ВНЕШНЕЕ давление окружающей среды и его мы называем "давление", но во втором случае изменялось ВНУТРЕННЕЕ давление воздуха внутри самой трубки и его мы называем "температура". 

Следовательно "давление" всегда у внешней среды, а "температура" всегда у внутренней. 

Даже можно сказать что температура это локальное изменение давления, что по своей сути тоже будет верно с технической точки зрения. 

Надо четко понимать что понижение давления и понижение температуры это один и тот же процесс вызывающий одинаковую реакцию системы при условии, что мы определяем температуру по истинной шкале Цельсия. Повышая давление внутри емкости внутри нее будет повышаться и температура, равно как и повышая давление в емкости внутри нее будет расти температура. И наоборот, понижая давление внутри емкости температура будет внутри падать, равно как и понижая температуру внутри емкости давление внутри нее будет падать. 

Понижение температуры внутри емкости будет происходить только в течении времени понижения давления, но после того, как мы остановим работу насоса, в работу включается внешняя среда, которая постоянно будет работать как сам насос, выравнивая параметры внутри емкости и снаружи. Ведь мы сделали внутри емкости низкое давление, а значит и низкую температуру, но внешняя среда постоянно отнимает эту температуру посредством излучения. 

Раскаленная железка упала в холодную воду. Между чем и чем начнется процесс обмена энергиями ?

9. Сила Архимеда.

Жидкая вода это текучее бесформенное тело, которое принимает форму сосуда в котором находится. Вода, как и любое тело имеет вес, а действие веса воды на тело под водой называют давлением воды, действием воздуха на тело находящегося на воздухе называют давлением воздуха. Само же давление, как мы рассматривали в 1 главе это сила, которую создает внешняя среда на поверхность тела действуя своей силой тяжести.

Вес кирпича в воде меньше, чем на воздухе в 2 раза, из-за действия выталкивающей силы Архимеда, которая направлена в противоположную сторону действия силы веса воды - давления воды. Вода обладает большей плотностью, чем воздух, поэтому выталкивающая сила воды направлена в сторону воздуха, и это приводит к уменьшению веса тела в воде. 

Вес тела на воздухе меньше, чем вес тела в вакууме космоса,  из-за действия той же самой выталкивающей силы Архимеда, которая направлена в противоположную сторону действия силы веса воздуха - давления воздуха. Воздух обладает большей плотностью, чем космический вакуум, поэтому выталкивающая сила воздуха направлена в сторону космоса, и это приводит к уменьшению веса тела в вакууме. Поэтому вес тела в космическом вакууме равен нулю, так как в космосе нет причины, создающей вес тела. 

Сила инерции это сила с которой внешняя среда сопротивляется движению тела

Следовательно сила Архимеда это сила с которой внешняя среда сопротивляется движению среды с другой плотностью ?

На пузырь воздуха под водой действует сила давления воды - вес самой воды. При погружении действует сжимая пузырь, а при всплытии разжимая пузырь сила давления (веса) воды выталкивает его на поверхность. Выталкивающая сила давления названа силой Архимеда, поэтому давление воды на воздух не действует во "всех направлениях одинаково", а действует вертикально вверх по направлению всплытия пузыря.  Следовательно сила Архимеда это сила противодействия давлению веса воды, имеющая вектор, т.е. силу имеющую направление вверх.

По мере погружения пузыря воздуха под воду вес воды над ним будет все больше и больше сжимать этот пузырь и на определенной глубине пузырь настолько сильно сожмется, давление внутри него и следовательно температура будут настолько высоки, что воздух меняет свое агрегатное состояние и становится водой. Данный эффект называют эффектом Грана Тизона. 

Представьте, что у нас погружается пузырь с воздухом под воду, по мере увеличения глубины внешнее давление увеличивается, пузырь сжимается т.е. уменьшается в объеме, плотность воздуха внутри пузыря оно же внутреннее давление увеличивается, температура воздуха растет, а сила выдавливания (Архимеда) уменьшается и на определенной глубине сила Архимеда полностью исчезнет. И наоборот, когда всплывает пузырь на поверхность его объем увеличивается т.е. воздух расширяется, плотность внутри пузыря или внутреннее давление уменьшается, температура падает и сила Архимеда следовательно увеличивается и максимальная она будет у самой поверхности.

Увеличение внешнего давления уменьшает объем пузыря, увеличивает его плотность (внутреннее давление), увеличивает температуру и уменьшает силу выдавливания (силу Архимеда). Уменьшение внешнего давления увеличивает объем пузыря, уменьшает его плотность (внутреннее давление), уменьшает температуру и увеличивает силу выдавливания (силу Архимеда)

Вывод - сила Архимеда зависит от давления (глубины или высоты) если только изменяется объем, если объем не меняется как например у подводной лодки то и сила Архимеда остается постоянной.

Таким образом сама формула для расчета силы Архимеда справедлива только для тел, которые не меняются в объеме.

Воздух в трубе Б стремится вытолкнуть на поверхность трубу, создавая выталкивающую силу Архимеда. В трубе А дно соединяется с атмосферой, поэтому выталкивающая сила Архимеда равна нулю.

10. Ограничения подъема воды на высоту, деревья как насосы

Представьте вакуумный насос, который поднимает воду с глубины 10 метров по трубе диаметр которой равен 10 см. Так как в куске трубы диаметром 10 см и длинной 12,73 см помещается ровно 1 литр (кг) пресной воды, то в трубе длиной 10 метров у нас поместится 79 кг воды. Т.е. столб воды или вес "жидкого груза" который должен поднимать наш насос равен 79 кг. 

Теперь представим что у нас есть насос диаметр поршня которого 10 см, как на картинке справа и к которому подвешен груз равный 79 кг. Какое значение на вакуумметре мы увидим ???

На вакуумметре мы увидим значение примерно в 0,023 атм. Таким образом вакуумный насос должен создавать вакуум равный 0,023 атмосферы для того, чтобы поднимать столб воды весом 79 кг на высоту 10 метров. Нам известно, что при давлении 0,015 Атмосфер воздух начинает конденсироваться в воду при температуре 10 градусов по Цельсию. Следовательно чем больше вес столба воды будет поднимать насос тем глубже будет создаваться вакуум и тем интенсивнее будет происходить конденсация воздуха и следовательно "поглощать" воздух из которого образуется вакуум до его полного исчезновения. Таким образом нами распознана причина и главное ограничение подъема воды на высоту, которое в среднем равно 10 метрам при условии, что диаметр трубы равен 10 см. Но эти 79 кг (литров) воды мы можем поднимать не в одной трубе, а например в 79 трубках (капиллярах) по 790 миллилитров, тогда каждая из трубок дерева будет создавать столь незначительный вакуум, что это никак не повлияет на процесс подъема воды на нужную Вам высоту. Поэтому в одной трубе диаметром 10 см Вы сможете поднять воду на высоту 10 метров, но в 100 трубках по 100 миллилитров в каждой Вы уже сможете поднять воду на 100 метров. Делая меньше диаметр трубки Вы увеличиваете высоту и самого подъема.  

Следовательно параметр, который ограничивает работу вакуумного насоса по подъему воды является не только высота подъема воды, но вес всего столба воды. Вес столба воды складывается из высоты трубы, ее диаметра и плотности самой воды, сообразно простой формулы:

Труба — цилиндр. Формула объёма: V = π * r² * h.
Радиус r = d / 2 = 0.1 м / 2 = 0.05 м.
Высота (длина) h = 10 м.
Объём: V = 3.1416 * (0.05)² * 10 = 3.1416 * 0.0025 * 10 ≈ 0.07854 м³.
Находим массу воды
Масса = плотность × объём. Плотность пресной воды ρ ≈ 1000 кг/м³.
m = 1000 кг/м³ * 0.07854 м³ = 78.54 кг. 

Округляем до разумной точности: = 79 кг.

Вес столба воды определяется диаметром, высотой и плотностью воды, которая удерживается. Мы можем взять трубу шириной метр и конечно по такой трубе насос не поднимет воду и на 5 метров, так как большой вес воды будет образовывать глубокий вакуум и следовательно паразитную конденсацию воздуха. Обратите внимание Юные Техники, что паразитная конденсация воздуха она только в этом конкретном случае, в случае где мы будем рассматривать системы жизнеобеспечения на космическом корабле данный процесс будет играть ключевую роль. 

Теперь задачка на размятие ума и закрепление пройденной темы

Труба длиной 20 метров,диаметром 10 см вертикально опущена в пресную воду температура которой 10 градусов по Цельсию до конца. Теперь верхняя крышка на которой стоит вакуумметр закрывается и труба медленно начинает подниматься из воды. Какое давление на вакуумметре будет при подъеме трубы на 10 метров ?

Вес поднимаемой воды ограничивает мощность насоса или же мощность насоса ограничена высотой подъема воды ??

Конечно первое. Без вариантов. Насос это устройство которое прокачивает через себя рабочую среду, например воду или воздух, с одной стороны входит, а с другой стороны выходит и в зависимости от того какую дырку заткнуть насос будет всасывать создавая отрицательное давление вакуума или наоборот накачивать создавая высокое давление...

11. Устройство манометров и вакуумметров. Трубка Бурдона, Динамометр измеряющий давление внешней среды. Градация давлений. 

Принцип действия манометра (вакуумметра) состоит в том, что внутри него имеется чувствительный элемент, согнутая до значения среднего атмосферного давления трубка Бурдона, которая разгибается при подаче давления выше атмосферного или наоборот згинается при подаче давления ниже атмосферного. По своей сути трубка Бурдона это простой динамометр скрученный в спираль (пружинные весы) который измеряет силу давления (веса) путем деформации самой трубки. В деформационных манометрах-вакуумметрах, где в качестве деформационного элемента используется трубка Бурдона, ноль шкалы соответствует атмосферному давлению, в среднем оно принято равным 760 мм ртутного столба. 

Трубка Бурдона с одного конца закрыта, а с другого конца открыта для внешнего давления, например из баллона или насоса. Трубка будет сгинаться или разгинаться если мы будем изменять давление идущую на трубку или будет изменяться давление среды вокруг трубки но с закрытым штуцером. За исключением того, что если давление будет давить на штуцер трубку давление будет изменяться в одну сторону, а если давление будет изменяться снаружи трубки при закрытом штуцере давление будет изменяться в другую сторону. Как мы видели на картинке где груз давит сверху - давление в насосе выше атмосферного, но если груз тянет поршень насоса вниз давление в насосе будет уже ниже атмосферного. Т.е. не имеет значения источник давления: Подавать сжатый воздух через штуцер на прибор увеличивая давление или же это будет делать внешняя среда, делая тоже самое но с закрытым штуцером. 

Таким образом самый простой манометр-вакуумметр может быть использован в качестве высотомера, глубиномера, прибора измеряющего внешнее давление или же внутреннее давление в системе. Вопрос только в чувствительности самого прибора, который может быть сделан для очень сильных давлений (разряжений) или для очень слабых колебаний атмосферного давления. Ничто не мешает создать один прибор который одинаково будет реагировать на микроскопические изменения давления диафрагмы динамика, на колебаний атмосферного давления или на громадные изменения давления при тактическом взрыве. 

Манометр на основе динамометра — это прибор, который измеряет давление, преобразуя силу, вызванную этим давлением, в показания на шкале. В его основе лежит принцип работы динамометра, где сила, действующая на чувствительный элемент (часто это пружина или мембрана), приводит в движение стрелку или цифровой дисплей, показывающий значение давления.

Какой объем займет масса воздуха равная 1 кг, плотность которого равна плотности окружающего воздуха ? то бишь ты мне хочешь сказать, что если я пластиковый контейнер объемом 1 кубический метр и весом 100 грамм с простым воздухом, поставлю на весы они покажут 1 кг 100 грамм ? 

Градация давлений 

12. Закон Бернулли и эффект Вентури

Эффект Вентури гласит:

При движении потока воды (жидкости или газа) через трубу меньшего диаметра, скорость потока увеличивается, а давление воздуха становится ниже атмосферного, образуя всасывающий и охлаждающий эффект.

И наоборот: При движении потока воды (жидкости или газа) через трубу большего диаметра, скорость потока уменьшается, а давление воздуха становится выше атмосферного, образуя напорный и нагревательный эффект.

Закон Бернулли (тоже вернулли) все тоже самое, только изменяют саму скорость потока при постоянном диаметре трубы и закон тот звучит так:

При увеличении скорости потока через трубу постоянного диаметра, давление воздуха в патрубке становится ниже атмосферного, образуя всасывающий и охлаждающий эффект.

И наоборот: При уменьшении скорости потока через трубу постоянного диаметра, давление воздуха в патрубке становится выше атмосферного, образуя напорный и нагревательный эффект. 

Таким образом в зависимости от того что изменяется, оно будет либо эффектом Вентури либо законом Бернулли. (все Вам вернули)

При движении воды в трубе, диаметр которой уменьшается, давление потока уменьшается, а сама вода охлаждается. 

При движении воды в трубе, диаметр которой увеличивается, давление потока увеличивается, а сама вода нагревается.

Теперь если мы трубу с эффектом Вентури загнем в улитку то насос мы назовем центробежным или вихревым насосом:

Если вода вращается по ходу увеличения диаметра (все центробежные насосы этой планеты) то вода и сам насос будут нагреваться.

Если вода вращается по ходу уменьшения диаметра (Тот насос), то вода и сам насос будут охлаждаться. 

В южном полушарии планеты будет все наоборот.

Обратите внимание, что центробежная сила только движет воду, а эффект всасывания нагнетания происходит из-за того, что диаметр трубы улитки уменьшается (увеличивается) т.е. благодаря эффекту Вентури

При движении воды в трубе, диаметр которой уменьшается, давление потока уменьшается, а сама вода охлаждается. 

При движении воды в трубе, диаметр которой увеличивается, давление потока увеличивается, а сама вода нагревается.

13. Принцип действия велосипедного насоса 

Возьмите длинную стеклянную трубку 30 см длинной и 0,3 см диаметром опустите ее наполовину в воду и закройте верхнее отверстие, поднимите трубку вместе с водой.

Вода не вытекает из трубки и удерживается на весу из-за разницы давлений:

первое давление это давление внешней атмосферы,

второе давление это давление ниже атмосферного внутри самой трубки между Вашим пальцем и водой.

Чем больше вес столба воды тем больший вакуум там будет создаваться. Т.е. столб воды удерживается разницей давлений, а теперь представьте что вместо Вашего пальца поршень который поднимается вверх поднимая вверх саму воду - засасывая ее. Опустите поршень и вода тоже опустится. Именно так работают все насосы периодически создавая давление выше и ниже атмосферного. 

Принцип действия ручного велосипедного насоса прост. Поршень вниз, воздух с атмосферы втягивается внутрь, воздух внутри насоса сжимается, повышает давление в самом насосе и открывает клапан идущий на камеру, при движении поршня вверх, низкое давление воздуха внутри насоса закрывает клапан, а воздух над поршнем выходит в атмосферу.

При сжатии поршня давление воздуха внутри увеличивается воздух сжимается и нагревается. При увеличении давления внутри камеры, воздух расширяется вместе с самой камерой и охлаждается.

Следовательно увеличение давления будет нагревать или охлаждать воздух в зависимости от того, происходит ли изменение объема.

Если объем постоянный, как внутри насоса, воздух сжимаясь будет нагреваться, если объем воздуха увеличивается при повышении давления, как в резиновой камере, воздух расширяясь будет охлаждаться. Проведем параллель: Выталкивающая на поверхность сила Архимеда зависит от давления (глубины или высоты) если только изменяется объем, если объем не меняется как например у подводной лодки то и сила Архимеда остается постоянной.

14. Принцип действия поршневого насоса. 

Если саму трубку назвать рабочей камерой и сделать ее из закаленной стали, вставить поршень и пару клапанов прибор мы станем называть поршневой насос, принцип действия которого заключается в том, что поршень, совершая периодические движения "туда сюда", создает в цилиндре переменное низкое и высокое давление. Поршень, двигаясь в направлении сжатия воздуха закрывает нижний клапан и открывает верхний выпуская воду, двигаясь в обратном направлении создания низкого давления, верхний клапан закрывается, а нижний открывается засасывая воду, подобно трубке которую поднимают вместе с водой. Обратите внимание, что вода не "вталкивается в насос при отходе поршня" одним только атмосферным давлением, а вода именно всасывается в насос за счет разницы давлений внутри насоса и снаружи. Внутри вакуум, а снаружи атмосферное давление. Все также как с трубкой, только роль поднимания трубки играет движущийся поршень создавая периодически низкое и высокое давление внутри.

Если из баллона откачивать воздух при этом сам баллон начинает охлаждаться, потому что воздух при расширении охлаждается, и наоборот при повышении давления внутри баллона сам баллон начинает нагреваться, потому что воздух при сжатии начинает нагреваться. Обратите внимание, что процессы охлаждения/нагревания будут происходить при постоянной работе насоса, если работу насоса остановить, воздух внутри баллона будет приведен или более правильно сказать постоянно приводиться к параметрам внешней среды, где "насосом" будет уже сама внешняя среда.

Тоже самое будет происходить, если применим "принцип обратимости машин" и сделаем наоборот. Если внутри баллона будем повышать температуру воздух внутри начнет расширяться и увеличивать давление внутри и наоборот если будем понижать давление воздух внутри начнет сжиматься понижая давление внутри баллона. Теперь если в баллоне сделать еще одно отверстие и вставить в него трубу, сам баллон назвать камерой, поставить пару клапанов и поршень мы получим простой поршневой насос.

15. Способ получения вакуума "накачивая" атмосферу

Внутрь колбы помещаем автомобильный насос, напорный шланг соединяем с выходом наружу через патрубок. 

В металлической подставке сверлим отверстие, продеваем провод для питания компрессора, герметизируем герметиком. Можно сам аккумулятор разместить внутри самой колбы

При включении компрессора он начинает "накачивать" атмосферу но воздух он берет из самой колбы, внутри которой понижается давление ниже атмосферного (вакуум)

То что происходит в опыте, называется "изохорический процесс" или "изохорный процесс". Это процесс, при котором объём колбы остается постоянный, а давление внутри меняется. Температура внутри тоже меняется пропорционально изменению давления. Так как в данном случае воздух ОТКАЧИВАЕТСЯ из сосуда с постоянным объёмом, следовательно понижается температура внутри. 

16. Принцип действия крионасоса и термонасоса

Термо- (от греч. thermos) означает «теплый», «горячий», «связанный с теплом».

Крио- (от греч. kryos) переводится как «холод», «лед», «мороз» и обозначает низкие или сверхнизкие температуры.

Отсюда названия насосов, которые позволяют получать высокое давление или разряжение с помощью изменения температуры.

Имеется емкость например закрытый баллон с клапаном который выпускает воздух изнутри наружу, но не пускает снаружи внутрь. Т.е. простой ниппель вкрученный наоборот. Мы нагреваем сам баллон, воздух внутри расширяется и выпускает расширенный объем воздуха. Ждем когда баллон придет к нормальной температуре, воздух опять сжимается но меньшего объема создавая внутри разряжение. Дальше повторяем эти циклы до создания необходимого вакуума внутри. Время на создание вакуума таким способом нужно много, но зато мы можем создать любой вакуум внутри даже ниже космического, главное чтобы баллон выдержал и не сжал в центр стенки самого баллона силами Каземира.

Из пустой банки из-под пива постоянно откачивают воздух, внутри банки будет создаваться отрицательное давление т.е. вакуум и одновременно понижаться температура. Разница давлений снаружи и внутри будет стремиться вогнуть банку внутрь, не одно только давление снаружи расплющит банку по полу, а разница давлений внутри и снаружи вогнет банку в центр самой банки. Силу которая всасывает внутрь банки называют эффектом Казимира.

17. Космический насос

Стальная трубка D=1 см и L= 50 км стоит вертикально. На конце манометр вакуумметр. Какое давление покажет прибор ??? 

У нас есть баллон из которого откачан воздух, внутри которого создана среда давления ниже атмосферного, мы подключаем к нему трубку на конце которой вакуумметр, наблюдаем значение вакуума. Так как в трубке будет столб воздуха, который имеет какой то вес, то необходимо выдавить весь этот воздух в космос, чтобы начался постоянный процесс откачивания воздуха. Не важно закрытая емкость космоса или открытая, космос является средой низкого давления. Поэтому трубка соединенная со средой давления ниже атмосферного начнет выравнивать баланс, откачивая воздух с поверхности планеты в космос. Но Какое значение вакуума на вакуумметре мы будем наблюдать если трубка будет длиной скажем 50 км ???

18. Эффект Прандля Глоерта

Зависимость геометрии звуковой волны от скорости движения источника. При скорости "0" - сфера, где источник звука в центре. При увеличении скорости сфера превращается в два конуса - передний и задний. По мере увеличения скорости передний конус уменьшается, так как источник звука "догоняет" скорость самого звука (340 м/с), а задний конус увеличивается. При достижении источником звука скорости самого звука, передний конус переходит в задний (момент на фото), что сопровождается Эффектом Прандтля-Глоерта...

19. Эффект Грана Тизона, Баротравма, ДКБ

По мере погружения воздух сжимается, и на определенной глубине он настолько сжимается, что сила Архимеда меняет свой вектор на обратный и тело лишившись "поплавка" наоборот тянется ко дну. По сути воздух сжимается до размера частиц самой воды и уже перестает быть воздухом как таковым.

В крови при атмосферном давлении всегда растворен воздух в виде пузырей, размер которых равен размеру альвеол и составляет примерно 0,1 - 0,2 мм. Альвеолы это пузырьки в легких которые впитывают воздух и гонят его по тканям организма. При резком всплытии, особенно на 10 метрах от поверхности эти пузырьки в крови резко расширяются и размеры пузырей увеличиваются и этот процесс могут назвать "закипание крови", поэтому человека, который резко всплыл первым делом подвешивают за ноги, так как избыточный воздух в крови поднимается вверх, т. е. в голову. В полевых условиях могут сделать небольшой надрез в мягких тканях на ногах, чтобы "помочь" избыточному воздуху выйти в атмосферу. Если пловец вдохнув воздуха на глубине из баллона при резком всплытии задержит дыхание, то воздух расширится в легких больше объема самих легких и возникнет баротравма. Причина одна и та же - расширение воздуха, только применительно к легким говорят "баротравма", а применительно к воздуху растворенному в крови говорят "декомпрессионная болезнь", "кессонная болезнь" или просто ДКБ. Чтобы устранить ДКБ человека помещают в барокамеру, где искусственно повышают давление до уровня давления глубины с которой всплыл человек. В результате пузыри воздуха в крови опять сжимаются до "нормального" состояния, далее имитируют медленное всплытие, понижая давление, при котором размер пузырей уменьшается сообразно безопасной скорости всплытия. Когда говорят "время нужное для выхода избыточного азота из крови" подразумевается время, в течении которого размер пузырей воздуха в крови примет размер альвеол.  

Проведем простой эксперимент: 

Накачаем шарик простым воздухом и начнем погружать его в пресную воду

На глубине 10 метров объем воздуха в шарике и сам шарик уменьшится в 2 раза.

На глубине 20 метров объем воздуха в шарике и сам шарик уменьшится в 3 раза.

На глубине 30 метров объем воздуха в шарике и сам шарик уменьшится в 4 раза.

Тоже самое происходит с воздухом в крови человека и в его легких при погружении. Вдох который Вы делаете на глубине 30 метров по объему в 4 раза больше вдоха который Вы сделали бы на поверхности при нормальном атмосферном давлении. Поэтому на глубинах 30 метров и более, при вдохе воздухом из баллона возникает кислородное отравление или как его называют в научных кругах "гипероксия". Потому что подводный пловец на глубине 30 метров вдыхает сконцентрированный сжатый 4 кратный объем воздуха. Именно поэтому на глубинах более 30 метров используют смеси Trimix, гелиокс, нормоксический Trimix и другие, газовые смеси которые в намного меньшей мере сжимаются на больших глубинах. По сути эти смеси очень сильно сопротивляются сжатию и поэтому становятся пригодными для дыхания на больших глубинах. 

Второе дыхание 

Суть термина "второе дыхание" заключается в том, что в обычном ритме дыхания в легких человека всегда находится 100% резерв одного полного вдоха. Проведите простой эксперимент. Дышите ровно, спокойно, сделайте выдох. Через пару секунд начните продолжать выдыхать воздух который не принимал участия в процессе спокойного дыхания, это и есть резерв. Данный резерв активно используется подводными пловцами для получения "второго дыхания" или "второго вдоха". Когда у подводного пловца "заканчивается воздух", он делает еще один вдох из этого самого резерва. Поэтому перед погружением данный резерв обновляют, делая глубокие выдохи и вдохи. Это позволяет увеличить время прибывания под водой на задержке дыхания в 1,7 раза. 

20. Вакуум в плевральной области. Пневмотаракс

Воздух из атмосферы входит через носовое или ротовое отверстие и входит в трубки которые подобно ветвям дерева разветвляются уменьшаясь в диаметре и называются бронхи, трахеи, бронхиолы и все эти трубки заканчиваются легочными альвеолами - шариками диаметр которых 0,1-0,4 мм. Альвеолы окутаны очень тонкими кровеносными сосудами и именно там происходит основной процесс снятия статического заряда с атмосферного воздуха, процесса который в науке называется "поглощение кислорода". 

Человек получает 70% всей энергии из воздуха, 20% из воды и только 10% из пищи. Обратите внимание что трубки оканчиваются этими шариками, сам воздух из атмосферы не попадает внутрь легочных мешков. В самих легочных мешках давление ниже атмосферного или отрицательное давление или просто очень слабый вакуум. Вакуум который находится в легочном мешке это как потенциальная энергия вдоха. Если мы "подключим" вакуумметр к легочной полости мы увидим в среднем значения в пределах от -500 до -1000 Паскалей (венозное давление). Термин "плевральная щель" не совсем правильный, потому что вакуум может быть создан в герметичной емкости обладающей некоторой жесткостью, этой емкостью является легочный мешок который находится внутри грудной клетки. Легочный мешок в котором создан вакуум находится в состоянии потенциального сжатия и когда человек делает вдох грудная клетка расширяется а легочный мешок наоборот в той же мере сжимается "выдавливая" отработанный воздух в атмосферу.