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.
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
- 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
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.
- 3Nước 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
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.
- 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
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
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.
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
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.