[科普中国]-液体压强

在液体容器底、内壁、内部中，由液体本身的重力而形成的压强称为液体压强，简称液压。

帕斯卡“桶裂”实验可以很好地证明液体压强与液体的深度有关，因为液体的压强等于密度、深度和重力常数之积1。在这个实验中，水的密度不变，但深度一再增加，则下部的压强越来越大，其液压终于超过木桶能够承受的上限，木桶随之裂开。

帕斯卡帕斯卡定律帕斯卡发现了液体传递压强的基本规律，这就是著名的帕斯卡定律．所有的液压机械都是根据帕斯卡定律设计的，所以帕斯卡被称为“液压机之父”。

在几百年前，帕斯卡注意到一些生活现象，如没有灌水的水龙带是扁的．水龙带接到自来水龙头上，灌进水，就变成圆柱形了．如果水龙带上有几个眼，就会有水从小眼里喷出来，喷射的方向是向四面八方的．水是往前流的，为什么能把水龙带撑圆？

通过观察，帕斯卡设计了“帕斯卡球”实验，帕斯卡球是一个壁上有许多小孔的空心球，球上连接一个圆筒，筒里有可以移动的活塞．把水灌进球和筒里，向里压活塞，水便从各个小孔里喷射出来了，成了一支“多孔水枪”

帕斯卡球的实验证明，液体能够把它所受到的压强向各个方向传递．通过观察发现每个孔喷出去水的距离差不多，这说明，每个孔所受到的压强都相同2。

帕斯卡通过“帕斯卡球”实验，得出著名的帕斯卡定律：加在密闭液体任一部分的压强，必然按其原来的大小，由液体向各个方向传递。这就是历史上有名的帕斯卡桶裂实验。 一个容器里的液体，对容器底部(或侧壁)产生的压力远大于液体自身的重量，这对许多人来说是不可思议的。我们知道，物体受到力的作用产生压力，而只要某物体对另一物体表面有压力，就存在压强，同理，水由于受到重力作用对容器底部有压力，因此水对容器底部存在压强。液体具有流动性，对容器壁有压力，因此液体对容器壁也存在压强。

在初中阶段，液体压强原理可表述为：“液体内部向各个方向都有压强，压强随液体深度的增加而增大，同种液体在同一深度的各处，各个方向的压强大小相等；不同的液体，在同一深度产生的压强大小与液体的密度有关，密度越大，液体的压强越大。”

特点：加在封闭液体上的压强能够大小不变地被液体向各个方向传递。

同种液体在同一深度液体向各个方向的压强都相等。

公式液体压强的公式为：

固体压强也可用P=ρgh计算，但只参考密度均匀的几何直柱体，其上下底面积相等。

其表达式可以转化为：

由于液体内部同一深度处向各个方向的压强都相等，所以我们只要算出液体竖直向下的压强，也就同时知道了在这一深度处液体向各个方向的压强。这个公式定量地给出了液体内部压强地规律。

深度是指点到自由液面的高度，液体的压强与深度和液体的密度有关，与液体的质量无关.

液体压强产生原因：受重力、且有流动性。

影响因素1.由于液体具有流动性，它所产生的压强具有如下几个特点3：

(1)液体除了对容器底部产生压强外，还对“限制”它流动的侧壁产生压强。固体则只对其支承面产生压强，方向总是与支承面垂直。

(2)在液体内部向各个方向都有压强，在同一深度向各个方向的压强都相等。同种液体，深度越深，压强越大。

(3)计算液体压强的公式是p=ρgh。可见，液体压强的大小只取决于液体的种类(即密度ρ)和深度h，而和液体的质量、体积没有直接的关系。

(4)密闭容器内的液体能把它受到的压强按原来的大小向各个方向传递。与重力无关。

2.容器底部受到液体的压力跟液体的重力不一定相等。容器底部受到液体的压力F=pS=ρghS,其中“h”底面积为S，“hS”为高度为h的液柱的体积，“ρghS”是这一液柱的重力。因为液体有可能倾斜放置。 所以，容器底部受到的压力其大小可能等于，也可能大于或小于液体本身的重力。若杯为上小下大，则液体对杯底的压力大于液体本身的重力。若杯为上大下小，则液体对杯底的压力小于液体本身的重力。若杯上下部分大小相等，则液体对杯底的压力等于液体本身的重力。

在U型玻璃管内盛了有色的水，玻璃管一端用橡皮管连接一个开有小孔的金属盒，金属盒上蒙有一层橡皮膜。未对橡皮膜加压时，U型两管中的水面在同一高度上，用力压橡皮膜时，跟盒相连的管中压强变大，水面就下降，另一管中水面上升。加在橡皮模上的压强越大，两管中水面的高度差就越大。

把压强计的金属盒放入水中时，根据两管中水面的高度差就可以反应橡皮膜受到水的压强的大小了。

压强测量液体压强的测量仪器叫“U形管压强计”，利用液体压强公式p=ρhg，h为液体的深度，计算液面差产生的压强就等于液体内部压强。

公式：F1/S1=F2/S2

非直立柱体时液体对容器底部的压强,可用P=ρgh计算，不能用P=F/S计算；非直立柱体时液体对容器底部的压力，可用F=PS=ρghS计算。因为同学对这个问题疑问较多，对P=F/S和P=ρgh两个公式简单说明如下：由P=F/S是可以推导出液体压强公式 P=ρgh，但这是在液体容器为规则均匀的柱体容器的前提下推导出来的，所以公式P=F/S的使用条件仅适用于这种柱体容器（这一点与固体不同，固体间的压强总是可以用P=F/S来计算）。但 P=ρgh这个公式根据液体本身的特性（易流性，连通器原理、帕斯卡定律等）可以推广到任意形状的容器，只要是连通的密度均匀的液体都可以用。其实液体内部压强公式的推导完全可以不用公式P=F/S来推导，而是用更加普遍、更加一般的方法——质量力的势函数的积分来推导，只是这已超出中学的教学大纲了。由于液体的易流性和不可拉性，静止的液体内部没有拉应力和切应力，只能有压应力（即压强），在静止的液体内部任意取出微小一个六面体，这个六面体在六个面的支持力和本身的重力共同作用下处于平衡状态，设想这个六面体无限缩小时，其重力可以忽略不计，就得出作用在同一点上的各个方向的压强相等，即压强仅仅与位置坐标有关，而与方位无关。即 P=f(x,y,z)。再设想坐标x-O-y处在水平面上，z为竖直向下的坐标。液体的压强是由液体的质量力引起的，当液体对地球来说是静止时，就是由重力引起的，液体质量m=1的液体单位质量力在各坐标的分量为X=0、Y=0、Z=g，液体内部的压强与质量力的微分关系为dP=ρ(XdxYdy+Zdz)=ρ(0*dx+0*dy+gdz)=ρgdz (从本方程看出在同一水平面上没有压强差，水平面是等压面，即前后左右压强都相等，压强仅在重力方向上有变化）。从水面z=0到水深z=h积分上式得 P=ρgh。

影响液体压强的因素：深度，液体的密度（与容器的形状，液体的质量体积无关）4。

裂桶实验帕斯卡在1648年表演了一个著名的实验：他用一个密闭的装满水的桶，在桶盖上插入一根细长的管子，从楼房的阳台上向细管子里灌水。结果只倒了几杯水，桶就裂了，桶里的水就从裂缝中流了出来。原来由于细管子的容积较小，几杯水灌进去，其深度(h)很大。压强也随之变大，最终导致水桶破裂5。

本词条内容贡献者为:

郎奠波 - 副教授 - 黑龙江财经学院