この記事では、静水圧に関連するアプリケーションと例について詳しく説明します。
液体中の圧力の記事では、静水圧の形成とその計算について詳しく説明されました。静水圧 ph は、液体の密度 ϱ と重力加速度 g のほかに、液体表面下の深さ h にのみ依存することが示されました。
\begin{整列}
\label{h}
&\boxed{p_h =\rho \cdot g \cdot h} \\[5px]
\end{整列}
次のセクションでは、日常生活における静水圧の重要性について詳しく説明します。
ブレーズ パスカルのバレル実験
17 世紀のブレーズ パスカルの実験に基づく次の実験は、静水圧が深さに依存するだけであることを示しています。この目的のために、大きなガラス容器に水を完全に満たします。ボトルの底の（静水圧）水圧は、式 (\ref{h}) で計算できます。高さが 0.5 メートルであると仮定すると、底部の静水圧は約 0.05 バールになります。ガラス瓶はこの比較的低い水圧にも問題なく耐えることができます。
図:パスカルの樽 しかし、小さな垂直の管をボトルの首に取り付けて水で満たすと、水位が上昇するにつれて静水圧が増加します。たとえば、チューブが建物の数階建てを通過すると、圧力が大幅に上昇する可能性があります。高さ30メートルでは水圧が3気圧以上に上昇します。結局のところ、水圧が最終的に非常に高くなり、ガラス瓶は巨大な力に耐えられなくなり、破損してしまいます。
この実験の印象的な点は、毛細管効果を無視できる限り、チューブの内径は問題ではないということです。理論的には、内径 4 mm のチューブで十分です。このチューブを水で満たすには、わずか約 380 ml の水が必要です。したがって、容器の容量に関係なく、ガラス容器内の水圧を 60 倍以上に高めるには、380 ml の水で十分です。
海洋の水圧
静水圧により、水中の圧力は深さが増すにつれてますます増加します。水密度が約 1000 kg/m3、重力加速度が約 10 N/kg の場合、水圧は水深 10 メートルごとに約 1 bar 増加します。以下の図の圧力値は静水圧 (水圧) のみを指すことに注意してください。 ）。特定の深さの絶対圧力には、水面の周囲圧力 1 bar (大気圧) を追加する必要があります。
図:海面下の水深の関数としての水圧 水圧は水深 10 メートルごとに約 1 バールずつ増加します。
たとえば、ダイビング中に水圧が上昇すると、深さが増すにつれてスキューバ タンクからより多くの空気を吸入する必要があります。周囲の水圧のバランスをとるために、肺は吸入した空気を通して同じ圧力を生成する必要があります。そうしないと、肺はより大きな水圧によって圧縮されてしまいます。より高い肺圧力は、より多くの空気を吸い込むことによってのみ達成できます。これは、圧力を上げるためにより多くの空気を送り込む必要がある自転車のタイヤと同様です。そのため、ダイビングタンク内の空気供給は、深く潜るほど早くなくなります。
じょうろ
静水圧が深さにのみ依存するという事実は、日常生活の多くの場所で明らかです。パイプでつながった船（ いわゆる連絡船内）ではどこでも同じ水位が見られるのもこのためです。 ）。これは、たとえば水が入ったジョウロで見ることができます。時間の経過とともに、注水パイプ (注ぎ口とも呼ばれます) 内で同じ水位が設定されます。 ) 缶そのものと同じです。
図:じょうろ 連絡容器とは、液体が満たされた容器であり、パイプで互いに接続されており、共通の液面を持っています。
これは数学的に次のように説明できます。缶内の水は、ノズルが溶接されている深さ hc で特定の静水圧 pc をもたらします。
\begin{整列}
&p_{c} =\rho \cdot g \cdot h_{c} ~~~\text{缶内の静水圧} \\[5px]
\end{整列}
同様に、水面下の深さ hs における注ぎ口内の静水圧 ps を決定できます。
\begin{整列}
&p_{s} =\rho \cdot g \cdot h_{s} ~~~\text{注ぎ口内の静水圧} \\[5px]
\end{整列}
缶の充填中、缶と注入パイプの間の水位の違いが観察されます。結局のところ、注ぎ口の水は缶内のより大きな水圧によって上に押し上げられます。
図:水位の計算 ただし、充填後は平衡状態に達し、水はパイプ内を強制的に通過しなくなります。この場合、注ぎ口内の水柱によって生じる静水圧は、缶内の水柱によって生じる静水圧と同じくらい高くなければならないことは明らかです。これが当てはまらない場合、2 つの静水圧のうち大きい方の圧力により、缶または注ぎ口内の水がさらに上方に押し上げられることになります。平衡状態では、静水圧は必然的に同じでなければなりません。これは最終的には共通の水位の場合にのみ当てはまります。
\begin{整列}
\require{キャンセル}
p_{c} &\overset{!}{=} p_{s} \\[5px]
\bcancel {\rho \cdot g} \cdot h_{c} &=\bcancel{\rho \cdot g} \cdot h_{s} \\[5px]
h_{c} &=h_{s} \\[5px]
\end{整列}
平衡状態では同一の静水圧が形成されるという事実は、液体内の圧力が全方向に等しく作用するという事実によっても示されています。したがって、特定の深さに 2 つの異なる静水圧が存在することはできません。この場合、流れが形成され、平衡は存在しません。
水位
互いに接続された容器内で同じ水位が形成されるという事実は、 いわゆる水位装置で技術的に使用されています。 。 2 つの容器にはそれぞれ目盛りが付いており、水を満たしたフレキシブルチューブで互いに接続されています。水位は目盛から読み取ることができます。
図:水位計のコンポーネント 両方の容器で同じ水位に達するため、簡易水準器が使用できない長距離でも簡単に同じ水位に設定できます。たとえば、水位は建設技術で使用されますが、現在では主に電子センサーが使用されています。
図：水位計 給水塔
静水圧を使用したり、連絡容器内で共通の液面を目指したりするもう 1 つの技術的実装は給水塔です。 .
図:給水塔 原則として、給水塔はポンプによって水を充填する高架タンクです。結果として生じる静水圧により、追加のポンプなしで水を低層階の世帯に送り込むことができます。塔には通常数百万リットルの大きな貯水池があるため、水位は比較的ゆっくりとしか下がりません。これにより、水位が一定の制限を下回ったときに再び水が汲み上げられるまで、ほぼ一定の水圧が確保されます。
しかし、現在では給水塔の使用は少なくなっています。現代の給水システムでは、水を消費者に直接輸送するためにポンプが主に使用されています。
