§ 29. Манометрлер. Сорғылар

Физика, 7 сынып. Оқулық: Кронгарт Б.А. және т.б. (Мектеп, 2025). 6 тарау: Қысым. 143–147-беттер.

Нені үйренесің

• Манометр қандай шаманы өлшейтінін және барометрден немен ерекшеленетінін түсіндіруді.
• Сұйық манометрдің көрсеткішін оқуды: ыдыстағы қысым атмосфералық қысымнан артық па, кем бе.
• Түтікті металл манометрдің құрылысы мен жұмысын түсіндіруді.
• Қақпақшасы бар айдау сорғысының қалай жұмыс істейтінін және неге суды 10 м-ден биік көтере алмайтынын айтып беруді.
• Атмосфералық қысым сұйықты қандай биіктікке көтеретініне есептер шығаруды.

Ой қозғау

• Барометр манометрден немен ерекшеленеді? Барометр атмосфералық қысымның өзін өлшейді, ал манометр ыдыстағы қысымның атмосфералық қысымнан қаншалықты артық немесе кем екенін көрсетеді.
• Шинадағы қысым қайдан пайда болады? Сорғы оған ауа айдайды, ауа ішінен қабырғаға сырттағыдан қатты қысады.
• Сұйық бағанының қысымы деген не? $p=\rho g h$: баған неғұрлым биік және сұйық неғұрлым тығыз болса, қысым соғұрлым көп.
• Түтікпен жалғанған ыдыстарда бір сұйық құйылса, оның деңгейлері қалай орналасады? Бірдей биіктікте. Мұны біз жалғасқан ыдыстар туралы білеміз.

💡 Шинадағы, баллондағы, су құбырларындағы ауа қысымы көбіне атмосфералық қысымнан өзгеше болады. Мұны қалай өлшеуге болады? Дәл осы үшін манометрлер қажет.

Тақырыпты талдаймыз

Манометр: «қысым айырымын» өлшейміз

«Манометр» сөзі грек тілінен алынған: манос — «тығыз емес», метрео — «өлшеймін». Бұл — ыдыстағы қысымның атмосфералық қысымнан қаншалықты өзгеше екенін көрсететін аспаптар. Біз олардың екеуін қарастырамыз.

🌟 Қаладағы су құбыры жүйесінде бірінші қабат деңгейінде суық су қысымы атмосфералық қысымнан 5 есе, ал ыстық су қысымы 10 есе артық болуы мүмкін.

Сұйық манометр: U пішінді түтік

Алғашқы сұйық манометрді 1643 жылы итальяндық ғалым Торричелли жасаған. Оның құрылысы өте қарапайым (29.1-сурет):

• вертикаль жазық панельге сұйық (су немесе сынап) толтырылған U пішінді түтік бекітіледі;
• екі тармағы да ашық, сондықтан сұйық оларда бірдей деңгейде орналасады;
• түтіктің бір тармағын резеңке түтікше көмегімен қысымы өлшенетін ыдыспен жалғайды, екіншісі ашық қалады.

Егер ыдыстағы қысым атмосфералық қысыммен тең болса, екі тармақтағы деңгейлер бірдей. Қысым артық болса, сұйық ашық тармаққа қарай итеріліп, сонда көтеріледі. Қысым кем болса, атмосфера сұйықты түтікшесі бар тармаққа қарай итереді.

📌 Сұйық манометр абсолют қысымды емес, ыдыстағы қысым мен атмосфералық қысымның айырымын көрсетеді.

⚠️ Жиі кететін қате. Қысым көп тармақта сұйық көтеріледі деп ойлайды. Керісінше: сұйық қысым көп тармақтан итеріліп шығады да, қысым аз тармақта көтеріледі.

Түтікті металл манометр: «түзулене» беретін түтік

Оны 1848 жылы француз ғалымы Э. Бурдон ойлап тапқан (29.2-сурет). Циферблаттың ішінде мыналар бар (29.3-сурет):

• доға тәрізді иілген қуыс түтікше, оның бір жағы бітеу;
• кран: түтіктің екінші жағын осы кран арқылы ыдыспен жалғайды;
• иінтірек, тісті доңғелек және тіл.

Қысым артқанда түтік түзулене бастайды (той кезінде үрлейтін «ысқырық» түтікше үрленгенде түзулене беретіні сияқты), иінтіректі тартады, ал тісті доңғелек арқылы тіл бұрылады. Қысым азайғанда түтік қайтадан иіліп, тіл кері қайтады. Мұндай манометрлер баллондарда, қазандықтарда, шина сорғыларында тұрады.

Айдау сорғысы: су айдағыш мұнара

Елді мекендерде үйлерге су су айдағыш мұнарадан келеді. Мұнараны сумен толтыру үшін суды айдайтын (қарай айдайтын) сорғы қажет. Оның құрылысын жеңілдетіп көрсетсек, мынадай (29.4-сурет).

💡 Шприц те осыған ұқсас жұмыс істейді. Поршеньді кері тартқанда ішіндегі қысым азаяды да, атмосфералық қысым дәріні ішке енгізеді. Поршеньді басқанда сұйық қысылып, тар инеден ығысып шығады.

Неге 10 метр: судың шегі

Сорғы атмосфералық қысымның арқасында жұмыс істейді: ол суды астынан тіреп тұрады. Су бағанының қысымы атмосфералық қысымға теңескенде, су одан әрі көтеріле алмайды.

$h=\frac{p_{\text{атм}}}{\rho g}=\frac{101,300,\text{Па}}{1000,\text{кг/м}^3\cdot 9{,}8,\text{м/с}^2}\approx 10{,}3,\text{м}$

Су бағанының қысымы биіктікке байланысты түзу сызықпен өседі. Түзу атмосфералық қысым сызығымен қиылысқан жерде шек орналасады.

Түзулер 10 м-ден сәл оңда қиылысады: шамамен 10,3 м-де.

⚠️ Жиі кететін қате. Сорғы суды «сорады» деп ойлайды. Шын мәнінде суды атмосфера итеріп шығарады, ал сорғы тек сиретілу жасайды.

👨‍👩‍👧 Ата-анаға. Үйде қақпақшаның жұмысын көрсетуге болады: инесіз шприц алып, поршеньді кері тартыңыз, содан кейін шығатын жерді саусағыңызбен жауып, басыңыз. Бала ауаның қалай қысылатынын өзі сезеді.

Түсінгеніңді тексер

Өзіңді тексер

• Сұйық манометрдің құрылысы мен жұмыс істеу принципі қандай? Сұйығы бар U пішінді түтік, екі тармағы да ашық. Бір тармағын түтікше арқылы ыдыспен жалғайды. Деңгейлер айырымы ыдыстағы қысымның атмосфералық қысымнан қаншалықты артық немесе кем екенін көрсетеді.
• Металл манометр қалай жұмыс істейді? Иілген қуыс түтіктің бір жағы бітеу, екіншісі ыдыспен жалғанады. Қысым артқанда түтік түзуленіп, иінтіректі тартады да, тісті доңғелек арқылы тілді бұрады; қысым азайғанда түтік иіліп, тіл кері қайтады.
• Сорғының құрылысы қандай және ол қалай жұмыс істейді? Поршені бар цилиндр, поршеньде саңылау бар; екі қақпақша суды тек бір бағытта жібереді. Поршень төмен қозғалғанда суды жоғарғы резервуарға айдайды, ал жоғарыдан цилиндрге жаңа су құйылады; жоғары қозғалғанда су поршеньнің астына өтеді де, цикл қайталанады.
• Неліктен су сорғысы суды 10 м-ден биік көтере алмайды? Суды атмосфералық қысым көтереді, ал ол биіктігі шамамен 10 м су бағанын ғана теңгереді.

Жаттығуларды шығарамыз

Тәжірибе жасаңдар

№ 1

«Тәжірибе жасаңдар», 1-тапсырма. Жерасты суын көтеруге арналған қол сорғысының жобасын жасаңдар. Осындай сорғы көмегімен суды қандай максимал тереңдіктен көтеруге болатынын есептеңдер.

Қалай ойлаймыз. Цилиндр, қақпақшасы бар поршень, төменде тағы бір қақпақша, тұтқа қажет. Тереңдіктің шегін атмосфералық қысым белгілейді.

Шешуі. Сызба (қарындашпен сыз, ештеңе кеспе, қыздырма):

1. Тік түтік (цилиндр) құдыққа түсірілген.
2. Ішінде сапқа бекітілген поршень жүреді, саптың ұшында тұтқа бар.
3. Поршеньде тек жоғары қарай ашылатын қақпақшасы бар саңылау бар.
4. Цилиндрдің төменгі жағында екінші қақпақша тұр, ол да суды тек жоғары қарай жібереді.
5. Цилиндрдің үстінде су ағатын тұмсық бар.

Жұмысы: поршень жоғары қозғалады, төменде сиретілу пайда болады, төменгі қақпақша ашылады, атмосфера құдықтағы суды қысып, оны цилиндрге итереді. Поршень төмен қозғалады, төменгі қақпақша жабылады, су поршеньнің қақпақшасы арқылы жоғарыға өтеді. Келесі жоғары қозғалыс сол суды тұмсыққа дейін көтереді.

Тереңдікті есептейміз: $h=\frac{p_{\text{атм}}}{\rho g}=\frac{101,300,\text{Па}}{1000,\text{кг/м}^3\cdot 10,\text{м/с}^2}\approx 10,\text{м}$. Шығындарға байланысты іс жүзінде шамамен 8 м шығады.

Үйде пластик бөтелкеден, сабаннан және пластилиннен модель жасауға болады: пластикті пышақпен кессең, үлкен адам керек. Ешқандай от жоқ.

Жауабы: максимал тереңдік шамамен 10 м (іс жүзінде 8 м-ге дейін), себебі одан әрі атмосфералық қысым су бағанын «тіреп» тұра алмайды.

Талдаңдар

№ 2

«Талдаңдар», тапсырма. Ашық сұйық манометрлер $A$, $B$ және $C$ ыдыстарымен жалғастырылған (29.5-сурет). Қай ыдыстағы қысым атмосфералық қысымға тең, қайсысында атмосфералық қысымнан артық, қайсысында кем?

Суретте мм сын. бағ. шкаласы бар (−100-ден +100-ге дейін) үш бірдей U пішінді манометр көрсетілген. $A$-да ыдыспен жалғанған тармақтағы деңгей нөлден жоғары, ал ашық тармақта төмен. $B$-да екі тармақтағы деңгейлер бірдей. $C$-да керісінше: ыдыспен жалғанған тармақта деңгей төмен, ашық тармақта жоғары.

Қалай ойлаймыз. Сұйық қысым аз жерде көтеріледі.

Шешуі.

• $A$ ыдысы: түтікшесі бар тармақта сұйық жоғары. Демек, ыдыстағы қысым атмосфералық қысымнан кем (шамамен 100 мм сын. бағ.-на).
• $B$ ыдысы: деңгейлер тең, қысым атмосфералық қысымға тең.
• $C$ ыдысы: сұйық ашық тармақта жоғары. Ыдыстағы қысым атмосфералық қысымнан артық (шамамен 100 мм сын. бағ.-на).

Жауабы: $A$ — атмосфералық қысымнан кем, $B$ — атмосфералық қысымға тең, $C$ — атмосфералық қысымнан артық.

Зерттеңдер

№ 3

«Зерттеңдер», тапсырма. 29.6, $а$, $ә$-суреттерде газдалған суға арналған сифон және велосипед камераларына ауа айдауға арналған сорғы көрсетілген. Олардың сұлбаларын өз беттеріңмен салып, жұмыс істеу принципін түсіндіріңдер.

Қалай ойлаймыз. Екі аспапта да қысым артатын орын және ауаны немесе суды қажетті бағытқа жіберетін қақпақша бар.

Шешуі.

Газдалған суға арналған сифон. Бөтелкенің ішінде судың үстінде атмосфералық қысымнан жоғары қысыммен көмірқышқыл газы бар. Ішке түтік дерлік түбіне дейін түсірілген. Тұтқаны басамыз, қақпақша ашылады, газ судың бетін қысады. Су түтік арқылы жоғары итеріліп, сыртқа атылып шығады. Бөтелке ішіндегі қысым сыртқыдан жоғары болғандықтан, су сыртқа ағады.

Велосипед сорғысы. Поршені мен қақпақшасы (манжета) бар цилиндр. Поршень жоғары қозғалғанда ауа манжета арқылы цилиндрге кіреді. Төмен қозғалғанда ауа сығылып, цилиндрдегі қысым камерадағыдан артады, камера қақпақшасы ашылып, ауа шинаға өтеді. Шинадағы қақпақша ауаның кері қайтуына жол бермейді.

Жауабы: екі аспапта да қысым артады (сифонда — қысыммен берілген газ, сорғыда — поршеньмен сығу), ал қақпақшалар суды немесе ауаны бір бағытта жібереді: қысымы жоғары аймақтан қысымы төмен аймаққа қарай.

Шығарыңдар

№ 4

«Шығарыңдар», 1-есеп. Қалыпты атмосфералық қысымды биіктігі 8 м керосин бағанының қысымымен теңестіруге бола ма?

Қалай ойлаймыз. Биіктігі 8 м керосин бағанының қысымын тауып, қалыпты атмосфералық қысыммен $101,300,\text{Па}$ салыстыр.

Шешуі. Берілгені: $h=8,\text{м}$, $\rho=800,\text{кг/м}^3$, $g=10,\text{м/с}^2$, $p_{\text{атм}}=101,300,\text{Па}$. Табу керек: $p$ және $p_{\text{атм}}$-пен салыстыру. $p=\rho g h=800,\text{кг/м}^3\cdot 10,\text{м/с}^2\cdot 8,\text{м}=64,000,\text{Па}=64,\text{кПа}$. $64,\text{кПа}<101{,}3,\text{кПа}$, қысымдар тең емес. Керосин атмосфераны баған биіктігі $h=\frac{101,300}{800\cdot10}\approx12{,}7,\text{м}$ болғанда теңестірер еді.

Жауабы: жоқ, болмайды: 8 м керосин бағаны $64,\text{кПа}$ жасайды, ал шамамен $101,\text{кПа}$ керек (шамамен $12{,}7,\text{м}$ қажет).

№ 5

«Шығарыңдар», 2-есеп. Атмосфералық қысым сынапты 760 мм биіктікке көтереді, ал су сынаптан 13,6 есе жеңіл. Су сорғысының көмегімен су қоймасындағы суды қандай биіктікке көтеруге болады?

Қалай ойлаймыз. Қысым бірдей болғанда баған биіктігі тығыздыққа кері пропорционал: су 13,6 есе жеңіл, сондықтан баған 13,6 есе биік.

Шешуі. Берілгені: $h_{\text{сын}}=760,\text{мм}=0{,}76,\text{м}$, $\rho_{\text{сын}}:\rho_{\text{су}}=13{,}6$. Табу керек: $h_{\text{су}}$. $h_{\text{су}}=h_{\text{сын}}\cdot 13{,}6=0{,}76,\text{м}\cdot13{,}6\approx 10{,}3,\text{м}\approx 10,\text{м}$.

Жауабы: шамамен $10,\text{м}$.

№ 6

«Шығарыңдар», 3-есеп. ⭐ күрделілігі жоғары есеп. Сорғының көмегімен спиртті қандай биіктікке көтеруге болады? Ал мұнайды ше? Спирттің тығыздығы $0{,}78,\text{г/см}^3$, мұнайдікі $0{,}82,\text{г/см}^3$.

Күрделі ме? Онша емес: формулалар сол. Байқап көргенің жақсы.

Қалай ойлаймыз. Алдыңғы есептегідей: сұйық неғұрлым жеңіл болса, баған соғұрлым биік. Тығыздығы $1,\text{г/см}^3$ және бағаны 10 м су мен салыстырамыз.

Шешуі. Берілгені: $\rho_{\text{спирт}}=0{,}78,\text{г/см}^3=780,\text{кг/м}^3$; $\rho_{\text{мұнай}}=0{,}82,\text{г/см}^3=820,\text{кг/м}^3$; $\rho_{\text{су}}=1000,\text{кг/м}^3$, $h_{\text{су}}=10,\text{м}$. Табу керек: $h_{\text{спирт}}$, $h_{\text{мұнай}}$. Биіктік тығыздыққа кері пропорционал: $h=h_{\text{су}}\cdot\frac{\rho_{\text{су}}}{\rho}$. Спирт: $h_{\text{спирт}}=10,\text{м}\cdot\frac{1000}{780}\approx12{,}82,\text{м}$. Мұнай: $h_{\text{мұнай}}=10,\text{м}\cdot\frac{1000}{820}\approx12{,}2,\text{м}$.

Жауабы: спиртті шамамен $12{,}82,\text{м}$, мұнайды шамамен $12{,}2,\text{м}$ биіктікке.

Жадынама

• Барометр атмосфералық қысымды өлшейді, манометр онымен айырымды өлшейді.
• Сұйық манометрде сұйық қысым аз жерде көтеріледі.
• Атмосфера биіктігі шамамен 10 м су бағанын, спирттің шамамен 12,8 м бағанын, сынаптың 0,76 м бағанын ұстап тұрады.
• Есептерде көтерілу биіктігі сұйық тығыздығына кері пропорционал.

Шағын тест