Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.

Bài học

Ứng dụng bình thông nhau

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được hoạt động của tháp nước và ống thuỷ đo mực nước dựa trên nguyên lí bình thông nhau, và dự đoán được hiện tượng xảy ra khi hệ bình thông nhau bị hỏng hóc (tắc nhánh, có bọt khí).

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã chứng minh: bình thông nhau chứa cùng một chất lỏng, ở trạng thái nghỉ, luôn có mực chất lỏng ngang bằng nhau ở mọi nhánh, bất kể tiết diện.

Khởi động

Vì sao các vòi nước ở tầng 1 và tầng 4 của một chung cư đều có nước chảy ra, dù bể nước chỉ đặt trên nóc nhà (tầng thượng)?

Kiến thức trọng tâm

**Tháp nước (đài nước)**: hệ ống dẫn nước từ đài nước đặt trên cao tới các tầng của một toà nhà chính là một hệ bình thông nhau khổng lồ. Mực nước trong hệ ống "muốn" dâng lên ngang bằng mực nước trong đài — chính chênh lệch độ cao đó tạo ra áp suất đẩy nước tới từng vòi, dù vòi ở tầng thấp hay tầng cao, miễn vòi đó còn nằm dưới mực nước trong đài. Đài nước đặt càng cao thì áp suất nước tại các tầng dưới càng lớn — đó là lý do các đài nước luôn được xây trên nóc nhà hoặc trên tháp cao. **Ống thuỷ**: gắn bên hông ấm hoặc nồi hơi công nghiệp, là một ống trong suốt nối thông với đáy và phần trên của bình chứa. Vì nước trong ống thuỷ và nước trong bình là CÙNG một khối chất lỏng thông với nhau, mực nước trong ống thuỷ luôn ngang bằng mực nước thực trong bình — người vận hành đọc được mực nước từ bên ngoài mà không cần mở nắp kiểm tra trực tiếp. **Khi hệ bị hỏng**: nếu một nhánh bị TẮC (cặn bẩn bám nghẹt đường ống nối), chất lỏng không còn thể chảy qua để cân bằng áp suất — mực hai bên KHÔNG còn bằng nhau nữa, vì bình lúc này không còn thực sự "thông" theo đúng nghĩa của nguyên lí. Nếu có một bọt khí lớn bị kẹt trong đoạn ống nối, bọt khí đó chiếm chỗ và ngăn chất lỏng thông nhau hoàn toàn, khiến mực đọc được trong ống thuỷ lệch so với mực nước thật trong bình. Vì lý do này, người vận hành nồi hơi công nghiệp thường được huấn luyện định kỳ xả bớt một chút nước qua van dưới đáy ống thuỷ — thao tác này vừa kiểm tra ống có bị tắc hay không (nếu nước xả ra chảy mạnh và đều là bình thường), vừa đẩy bọt khí hoặc cặn bẩn còn sót lại ra khỏi đoạn ống nối, giữ cho chỉ số đọc luôn đáng tin cậy.
Sơ đồ bốn giai đoạn mô tả vì sao ống thuỷ đo mực nước bị đọc sai khi đoạn ống nối bị tắc cặn bẩn1Hoạt động bìnhthườngỐng nối không bị cảntrở, mực nước trongống thuỷ bằng đúngmực nước thật trongnồi2Cặn bẩn tích tụLớp cặn bám dần vàođoạn ống nối giữa ốngthuỷ và nồi3Ống nối bị tắcnghẽnNước không còn chảyqua tự do để cân bằngáp suất giữa hai bên4Chỉ số sai lệchMực nước trong ốngthuỷ không còn phảnánh đúng mực nướcthật trong nồi
Ví dụ
Giải thích hoạt động của hệ thống cấp nước từ đài nước
  1. 1

    Một chung cư có đài nước đặt trên nóc nhà, cao hơn vòi nước tầng 1 khoảng 15m và cao hơn vòi tầng 4 khoảng 6m. Giải thích vì sao cả hai vòi đều chảy được nước, và vòi nào có áp suất lớn hơn.

  2. 2

    Hệ ống dẫn nước nối từ đài xuống các tầng là một bình thông nhau: đài nước là một nhánh cao, hệ ống tới từng vòi là các nhánh nối thông.

  3. 3
    Nước trong ống "muốn" dâng ngang mực nước trong đài. Áp suất tại mỗi vòi xấp xỉ bằng $p = d \cdot h$, với $h$ là độ chênh cao giữa mực nước trong đài và vị trí vòi đó. Vòi tầng 1 có $h$ lớn hơn (khoảng 15m) so với vòi tầng 4 ($h$ khoảng 6m).
  4. 4

    Vậy cả hai vòi đều có nước chảy ra vì đều nằm dưới mực nước trong đài, nhưng vòi tầng 1 chịu áp suất nước lớn hơn vòi tầng 4 do chênh lệch độ cao lớn hơn — thực tế người ta thường phải điều tiết áp suất để các tầng dưới không bị chảy quá mạnh.

Ví dụ
Giải thích sai số của ống thuỷ khi có bọt khí
  1. 1

    Ống thuỷ của một nồi hơi chỉ báo mực nước 40cm trong khi mực nước thật trong nồi là 55cm, do có một bọt khí lớn kẹt trong đoạn ống nối giữa ống thuỷ và nồi. a) Giải thích vì sao chỉ số đọc bị sai lệch. b) Nêu một biện pháp khắc phục.

  2. 2

    Bọt khí kẹt trong đoạn ống nối chiếm mất một phần tiết diện ống, cản trở nước chảy qua lại tự do giữa nồi và ống thuỷ. Vì vậy nước trong ống thuỷ không còn thông hoàn toàn với nước trong nồi theo đúng nguyên lí bình thông nhau — hai mực nước không còn ràng buộc phải bằng nhau, dẫn tới ống thuỷ báo mực thấp hơn thực tế.

  3. 3

    Xả bọt khí ra khỏi đoạn ống nối bằng van xả khí gắn sẵn trên hệ thống, để đoạn ống nối chỉ còn chứa chất lỏng — khi đó hệ trở lại đúng là bình thông nhau và ống thuỷ đọc đúng mực nước thật.

Sai lầm thường gặp

Học sinh dễ nghĩ hai bình chỉ cần "nhìn có vẻ nối với nhau" là luôn có mực chất lỏng bằng nhau. Thực tế nếu đoạn nối bị TẮC hoàn toàn hoặc có bọt khí chiếm chỗ, hệ không còn thực sự thông với nhau — nguyên lí không còn áp dụng được cho đến khi khắc phục.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Đài nước và ống thuỷ là hai ứng dụng tiêu biểu của bình thông nhau; hệ chỉ hoạt động đúng khi thực sự thông với nhau — tắc nhánh hoặc bọt khí đều làm nguyên lí mất hiệu lực và số liệu đọc bị sai.

Chương tiếp theo mở rộng sang một ứng dụng khác của chất lỏng chịu áp suất: máy nén (ép) thuỷ lực — thiết bị giúp một lực nhỏ nâng được vật rất nặng.