Начнём с того, как передаётся давление твёрдыми телами. Рассмотрим следующий опыт. Перед вами цилиндр с поршнем. Внутри него находится твёрдое тело. Наверх поршня поставим гирьку.
Изобразим всё это в виде группы молекул. Размер молекул, как обычно, сильно преувеличен, а их количество сильно преуменьшено.
Рассмотрим, что будет происходить с молекулами твёрдого тела. Молекулы твёрдого тела не могут свободно перемещаться друг относительно друга. Поэтому, когда поставили гирьку, под её давлением поршень стал давить на первый слой молекул твёрдого тела.
От этого давления первый слой смещается вниз и давит на второй слой. При этом в стороны эти слои не сместились. Второй слой под давлением первого слоя тоже сместился вниз. Затем сместился третий слой, 4-й и так далее. При уменьшении расстояния между слоями возникают силы отталкивания, которые направлены в сторону, противоположную их смещению. Молекулы сместились только по вертикали. А по горизонтали смещения не было. Значит, силы отталкивания направлены только вертикально. В итоге, нижний слой молекул воздействует на дно цилиндра. А на боковые стенки цилиндра давления не происходит.
Теперь в этом же цилиндре находится жидкость.
Ставим гирьку на поршень и смотрим, что происходит на молекулярном уровне. Молекулы жидкости расположены хаотично и могут свободно перемещаться друг относительно друга. Поршень передаёт давление гирьки, направленное вниз. Под этим давлением молекулы жидкости, отталкиваясь как от молекул поршня, так и друг от друга, стремятся разбежаться во все стороны. Из-за этого, давления поршня передаётся как в нижнюю стенку цилиндра, так и в его боковые части. Помимо этого, давление жидкости действует и на сам поршень.
Теперь в этом же цилиндре находится газ.
Ставим гирьку. В самом начале, уменьшится расстояние между молекулами, находящимися в верхней части цилиндра. То есть молекулы расположатся более плотно. Но так как молекулы постоянно перемещаются с большими скоростями, то через короткое время расстояние между всеми молекулами газа, находящимися в цилиндре, выровняется. Но в среднем уменьшится. А, как мы знаем, из предыдущего урока, если масса газа остаётся неизменной, а его объём уменьшается, то давление возрастает.
Молекулы газа будут сталкиваться со всеми стенками цилиндра и поршнем с одинаковой частотой и силой. А это значит, что возросшее давление во всех направлениях будет одинаково.
Чтобы убедиться, что давление передаётся во всех направлениях одинаково, проведём ещё один опыт.
Перед вами 2 шприца.
Они соединены гибкой трубкой. В одном из них находится жидкость. Надавим на его поршень. Сила, с которой поршень давит на жидкость, направлена вниз. Но под действием этой силы, поршень другого шприца поднимается вверх. Получается, давление передаётся через трубку, меняя направление силы давления. Если изменить углы наклона шприцов и надавить на поршень шприца с жидкостью, результат будет тот же.
Если жидкость заменить газом, то давление точно также будет передаваться во всех направлениях. Единственное отличие в том, что если зажать один поршень, а на второй надавить, то газ сожмётся, а жидкость нет.
Все вышеуказанные опыты показывают, что верно следующее утверждение. Давление, производимое на жидкость или газ, передаётся без изменения в каждую точку жидкости или газа.
Это утверждение называют законом Паскаля.