Манометры. Поршневой жидкостный насос

Барометр помогает измерить атмосферное давление. Для давления газа или жидкости в системе используют манометры. Чтобы прочитать их показание, нужно знать не только число и единицу, но и точку отсчёта.

После урока вы сможете читать шкалу манометра, сравнивать давления по уровням жидкости и объяснять, почему вода проходит через клапаны поршневого насоса. Понадобятся знания о сообщающихся сосудах, атмосферном давлении и формуле p = ρgh.

Сначала предположение

К левому колену U-образной трубки подключили газ, правое оставили открытым. Давление газа стало больше атмосферного. Как изменятся уровни? Запишите свою мысль до чтения объяснения; после проверки её можно уточнить.

Сохраняем схему из исходного урока. Она показывает случай, когда давление газа больше атмосферного. Масштаб условный, это не запись опыта.

Что сравнивает манометр

Манометр измеряет давление жидкости или газа; конкретный прибор может показывать абсолютное давление или разность давлений. У открытого жидкостного манометра одно колено соединено с системой, другое — с атмосферой. Он позволяет сравнить давление в системе с атмосферным.

Абсолютное давление отсчитывают от вакуума. Избыточное давление — разность между давлением в системе и атмосферным: pизб = pсистемы − pатм. Поэтому pабс = pатм + pизб. Если манометр избыточного давления показывает ноль, давление в системе равно атмосферному: нулевое показание не означает вакуум. Если система имеет давление ниже атмосферного, эта разность отрицательна.

Не каждый манометр сравнивает именно с атмосферой: разностный прибор может сравнивать две системы. Прежде чем использовать число, читайте указанный тип отсчёта.

Жидкостный U-образный манометр

Два колена частично заполнены одной однородной жидкостью. Когда давления над поверхностями равны, уровни одинаковы. При большем давлении слева левый уровень ниже, правый выше. При меньшем давлении слева расположение обратное. В покоящейся сообщающейся жидкости давление на одной горизонтали одинаково, но её поверхности могут иметь разную высоту, если давления над ними различаются.

Схема из существующей презентации, слайд 5. Масштаб условный. h — расстояние между уровнями по вертикали, а не длина трубки и не глубина до дна.

Величина разности давлений: |p1 − p2| = ρgh, где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, h — вертикальная разность уровней. Это школьная модель покоящейся жидкости; малыми капиллярными эффектами пренебрегаем. Знак сравнения устанавливают по расположению поверхностей.

Учебный пример: в воде разность уровней 12 см = 0,12 м; ρ = 1000 кг/м³, g = 10 Н/кг. Тогда величина разности 1000 × 10 × 0,12 = 1200 Па = 1,2 кПа. Если газ слева, левый уровень ниже и pатм = 100 кПа, абсолютное давление газа 101,2 кПа. Если левый уровень выше на те же 12 см, абсолютное давление будет 98,8 кПа. Эти числа заданы для расчёта, а не получены в реальном опыте.

Металлический трубчатый манометр

Внутри прибора находится упругая изогнутая полая металлическая трубка. Один её конец соединён с системой, другой закрыт и связан с передаточным механизмом. При повышении давления трубка немного распрямляется; механизм передаёт движение стрелке. При уменьшении давления она стремится вернуться к прежней форме.

Условная схема из слайда 9. Показано изменение формы, а не вся конструкция прибора.

Такие приборы используют для контроля давления в шинах, водопроводных системах и технике. Здесь мы разбираем только изображения и учебные показания, не подключаем и не разбираем настоящие приборы. Манометр помогает контролировать давление; сама по себе стрелка не обеспечивает безопасность установки.

Фрагмент слайда 10 без строки ответа. Сначала определите цену деления и показание самостоятельно.

Между 0 и 6 кПа шесть равных промежутков: цена деления 1 кПа. Указатель показывает 4 кПа. Реальный манометр читают по его собственной шкале и единице. Если это избыточное давление, при атмосферном 100 кПа абсолютное составит 104 кПа.

Подъёмный поршневой жидкостный насос

Рассмотрим одну определённую конструкцию после заполнения водой. В цилиндре движется поршень. Нижний всасывающий клапан расположен у входа в цилиндр и неподвижен; второй, нагнетательный клапан, встроен в поршень и движется с ним. Оба пропускают воду только снизу вверх. Резервуар открыт атмосфере, а отвод находится над поршнем. У других насосов устройство может отличаться.

Ход поршня вверх

Давление под поршнем уменьшается. На открытую поверхность воды в резервуаре действует атмосфера; разность давлений позволяет воде подниматься через открытый нижний клапан в цилиндр. Клапан в поршне закрыт. Вода, которая уже находится над поршнем, поднимается и выходит через отвод.

Слайд 13 существующей презентации. Отдельная крупная стрелка слева от цилиндра — ход поршня; стрелки в канале, внутри цилиндра и у отвода — движение воды. Состояния подписаны словами. Схема, масштаб условный.

Ход поршня вниз

Нижний клапан закрывается и не выпускает воду обратно в резервуар. Клапан в поршне открывается: часть воды из-под поршня проходит через него в пространство над поршнем. При подъёмах клапан в поршне закрыт, нижний открыт; верхняя вода поднимается к отводу и выдаётся наружу. Так описан поток в установившемся цикле. Разберите цикл карандашом и словами; сборка настоящего насоса для урока не нужна.

Фрагмент схемы слайда 14. Клапан в поршне и боковой отвод — разные части. Показаны положения клапанов и направления потока в установившемся цикле; масштаб условный.

Фраза «вакуум тянет воду» не раскрывает причину. Важно назвать пониженное давление под поршнем, атмосферное действие на поверхность и направляющую роль клапанов. Для движения поршня требуется работа человека или привода; насос не создаёт энергию из ничего.

Почему есть предел всасывания

Когда цилиндр расположен выше свободной поверхности, атмосферное давление поддерживает столб воды на пути к нему. Даже если в идеальной модели давление под поршнем почти равно нулю, доступная разность не может превысить атмосферное давление. Оценка: hмакс ≈ pатм / (ρg). При нормальном атмосферном давлении и g ≈ 9,8 м/с² получается около 10,3 м, в реальной установке меньше из-за потерь и давления водяного пара.

Это ограничение вертикальной высоты всасывания от поверхности воды до цилиндра такого насоса, а не общий предел подачи воды для любого насоса. Погружной насос расположен внизу и выталкивает воду вверх, поэтому его нельзя оценивать как описанный всасывающий. Техническое проектирование глубокой скважины выходит за пределы урока.

Проверьте понимание

1. В открытом водяном U-манометре слева газ, справа атмосфера. Слева уровень на 4 см выше. Что можно сказать о давлении газа? Найдите величину разности при ρ = 1000 кг/м³ и g = 10 Н/кг.
2. Манометр избыточного давления показывает ноль. Почему абсолютное давление при этом обычно не нулевое?
3. Назовите состояния двух клапанов и путь воды при ходе поршня вниз. При каком направлении движения поршня вода над ним поднимается к отводу?
4. Исправьте утверждение: «Любой насос поднимает воду не выше 10 м».

Решите самопроверку после первой попытки. Бумажный вариант и отдельные модули доступны в материалах комплекта; учитель использует адресные пояснения после ответов.

Необязательный вопрос: самопишущий манометр

Чем самопишущий манометр отличается от стрелочного?

Стрелочный манометр показывает давление в данный момент. Самопишущий манометр ещё и регистрирует его изменение во времени, оставляя запись, которую можно рассмотреть позже. В одном из механических вариантов упругий чувствительный элемент реагирует на давление, передаточный механизм перемещает перо, а привод равномерно движет диаграммную бумагу: получается зависимость давления от времени. Это пример конструкции, а не единственный механизм всех регистрирующих приборов; применяются и другие чувствительные элементы и способы записи. Подробнее о принципе — G-Tek, о вариантах измерительных элементов — Palmer Wahl. Этот дополнительный вопрос не входит в обязательные задания и самопроверку урока.

Презентация и опоры урока

Существующая редактируемая презентация (PPTX) сохраняется. Её PDF, учительский DOCX и лаборатория «Атмосферное давление» остаются опорами. Лаборатория повторяет атмосферное давление и опыт Торричелли, а не моделирует цикл насоса. Работа с ртутью и сосудами под давлением здесь не проводится.

Основа содержания: ФРП физики 7–9, учебный §44 линии Перышкина/Иванова; уточнение отсчёта давления — OpenStax §11.6. Полная карта источников и ограничений находится в офлайн-комплекте.

Материалы для работы

Откройте отдельные рабочие листы, помощь, выходной билет и руководство с ключами в разделе «Материалы урока».

Самопроверка с объяснениями — после самостоятельной попытки.

Весь комплект: PDF, редактируемые исходники и автономная самопроверка (ZIP).