Physics For Scientists And Engineers 6E - part 107

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 107

 

 

S E C T I O N   1 4 . 2 •  Variation of Pressure with Depth

425

Quick Quiz 14.2

The pressure at the bottom of a filled glass of water ($ !

1 000 kg/m

3

)  is  P.  The  water  is  poured  out  and  the  glass  is  filled  with  ethyl  alcohol

($ ! 806 kg/m

3

).  The  pressure  at  the  bottom  of  the  glass  is  (a)  smaller  than  P

(b) equal to (c) larger than (d) indeterminate.

Example 14.2 The Car Lift

The air pressure that produces this force is

This  pressure  is  approximately  twice  atmospheric  pressure.

1.88 " 10

5

 Pa

!

!

F

1

A

1

!

1.48 " 10

3

 N

#

(5.00 " 10

&

2

 m)

2

 

1.48 " 10

3

 N

!

In a car lift used in a service station, compressed air exerts a
force on a small piston that has a circular cross section and a
radius of 5.00 cm. This pressure is transmitted by a liquid to
a  piston  that  has  a  radius  of  15.0 cm.  What  force  must  the
compressed air exert to lift a car weighing 13 300 N? What
air pressure produces this force?

Solution Because the pressure exerted by the compressed air
is transmitted undiminished throughout the liquid, we have

F

1

!

"

A

1

A

2

#

 F

2

!

#

(5.00 " 10

&

2

 m)

2

#

(15.0 " 10

&

2

 m)

2

 (1.33 " 10

4

 N)

Example 14.3 A Pain in Your Ear

We estimate the surface area of the eardrum to be approxi-
mately 1 cm

2

!

1 " 10

&

4

m

2

. This means that the force on

it is ! (P

bot

&

P

0

)A

% 5 N. Because a force on the eardrum

of this magnitude is extremely uncomfortable, swimmers of-
ten “pop their ears” while under water, an action that pushes
air from the lungs into the middle ear. Using this technique
equalizes the pressure on the two sides of the eardrum and
relieves the discomfort.

 ! 4.9 " 10

4

 Pa

 ! (1.00 " 10

3

 kg/m

3

)(9.80 m/s

2

)(5.0 m)

P

bot

&

P

0

!

$

gh

Estimate the force exerted on your eardrum due to the wa-
ter  above  when  you  are  swimming  at  the  bottom  of  a  pool
that is 5.0 m deep.

Solution First,  we  must  find  the  unbalanced  pressure
on the eardrum; then, after estimating the eardrum’s sur-
face area, we can determine the force that the water exerts
on it.

The air inside the middle ear is normally at atmospheric

pressure P

0

. Therefore, to find the net force on the eardrum,

we  must  consider  the  difference  between  the  total  pressure
at the bottom of the pool and atmospheric pressure:

Example 14.4 The Force on a Dam

Water is filled to a height behind a dam of width (Fig.
14.5). Determine the resultant force exerted by the water on
the dam.

Solution Because  pressure  varies  with  depth,  we  cannot
calculate  the  force  simply  by  multiplying  the  area  by  the
pressure.  We  can  solve  the  problem  by  using  Equation
14.2  to  find  the  force  dF exerted  on  a  narrow  horizontal
strip  at  depth  and  then  integrating  the  expression  to
find  the  total  force.  Let  us  imagine  a  vertical  axis,  with
! 0 at the bottom of the dam and our strip a distance y
above the bottom.

We  can  use  Equation  14.4  to  calculate  the  pressure  at

the  depth  h;  we  omit  atmospheric  pressure  because  it  acts
on both sides of the dam:

! $gh ! $g(y)

H

dy

O

h

y

w

Figure 14.5 (Example 14.4)

Interactive

You can adjust the weight of the truck in Figure 14.4a at the Interactive Worked Example link at http://www.pse6.com.

14.3 Pressure Measurements

During  the  weather  report  on  a  television  news  program,  the  barometric  pressure is
often  provided.  This  is  the  current  pressure  of  the  atmosphere,  which  varies  over
a small  range  from  the  standard  value  provided  earlier.  How  is  this  pressure
measured?

One instrument used to measure atmospheric pressure is the common barometer,

invented by Evangelista Torricelli (1608–1647). A long tube closed at one end is filled
with mercury and then inverted into a dish of mercury (Fig. 14.6a). The closed end of
the tube is nearly a vacuum, so the pressure at the top of the mercury column can be
taken as zero. In Figure 14.6a, the pressure at point A, due to the column of mercury,
must equal the pressure at point B, due to the atmosphere. If this were not the case,
there would be a net force that would move mercury from one point to the other until
equilibrium is established. Therefore, it follows that P

0

!

$

Hg

gh, where $

Hg 

is the den-

sity of the mercury and is the height of the mercury column. As atmospheric pressure
varies, the height of the mercury column varies, so the height can be calibrated to mea-
sure atmospheric pressure. Let us determine the height of a mercury column for one
atmosphere of pressure, P

0

!

1 atm ! 1.013 " 10

5

Pa:

Based on a calculation such as this, one atmosphere of pressure is defined to be the
pressure  equivalent  of  a  column  of  mercury  that  is  exactly  0.760 0 m  in  height
at 0°C.

A device for measuring the pressure of a gas contained in a vessel is the open-tube

manometer illustrated in Figure 14.6b. One end of a U-shaped tube containing a liq-
uid is open to the atmosphere, and the other end is connected to a system of unknown
pressure P. The pressures at points and must be the same (otherwise, the curved
portion  of  the  liquid  would  experience  a  net  force  and  would  accelerate),  and  the
pressure  at  is  the  unknown  pressure  of  the  gas.  Therefore,  equating  the  unknown
pressure to the pressure at point B, we see that P

0

%

$

gh. The difference in pres-

sure P

0

is equal to $gh. The pressure is called the 

absolute pressure, while the

difference P

0

is called the 

gauge pressure. For example, the pressure you mea-

sure in your bicycle tire is gauge pressure.

P

0

!

$

Hg

gh

  9:   !

P

0

$

Hg

g

!

1.013 " 10

5

 Pa

(13.6 " 10

3

 kg/m

3

)(9.80 m/s

2

)

!

0.760 m

426

C H A P T E R   1 4 •  Fluid Mechanics

P = 0

P

0

h

(a)

P

0

(b)

P

A

B

h

A B

Figure 14.6 Two devices for mea-

suring pressure: (a) a mercury

barometer and (b) an open-tube

manometer.

Answer We  know  from  Equation  14.4  that  the  pressure
varies linearly with depth. Thus, the average pressure due to
the water over the face of the dam is the average of the pres-
sure at the top and the pressure at the bottom:

Now,  the  total  force  is  equal  to  the  average  pressure  times
the area of the face of the dam:

which is the same result we obtained using calculus.

P

av

! (

1

2

$

gH )(Hw) !

1

2

$

gwH

2

P

av

!

P

top

%

P

bottom

2

!

0 % $gH

2

!

1

2

$

gH

Using Equation 14.2, we find that the force exerted on the
shaded strip of area dA w dy is

Therefore, the total force on the dam is

Note that the thickness of the dam shown in Figure 14.5 in-
creases with depth. This design accounts for the greater and
greater pressure that the water exerts on the dam at greater
depths.

What  If?

What if you were asked to find this force without

using calculus? How could you determine its value?

1

2

$

gwH

2

!

&

 P dA !

&

H

0

 

$

g(y)w dy !

dF P dA ! $g(y)w dy

14.4 Buoyant Forces and Archimedes’s Principle

Have you ever tried to push a beach ball under water (Fig. 14.7a)? This is extremely
difficult to do because of the large upward force exerted by the water on the ball. The
upward force exerted by a fluid on any immersed object is called a 

buoyant force. We

can  determine  the  magnitude  of  a  buoyant  force  by  applying  some  logic.  Imagine  a
beach ball&sized parcel of water beneath the water surface, as in Figure 14.7b. Because
this parcel is in equilibrium, there must be an upward force that balances the down-
ward gravitational force on the parcel. This upward force is the buoyant force, and its
magnitude is equal to the weight of the water in the parcel. The buoyant force is the
resultant force due to all forces applied by the fluid surrounding the parcel.

Now imagine replacing the beach ball&sized parcel of water with a beach ball of the

same size. The resultant force applied by the fluid surrounding the beach ball is the same,
regardless of whether it is applied to a beach ball or to a parcel of water. Consequently, we
can claim that 

the magnitude of the buoyant force always equals the weight of the

fluid displaced by the object. This statement is known as Archimedes’s principle.

With the beach ball under water, the buoyant force, equal to the weight of a beach

ball-sized parcel of water, is much larger than the weight of the beach ball. Thus, there
is a net upward force of large magnitude—this is why it is so hard to hold the beach ball
under the water. Note that Archimedes’s principle does not refer to the makeup of the
object experiencing the buoyant force. The object’s composition is not a factor in the
buoyant force because the buoyant force is exerted by the fluid.

S E C T I O N   1 4 . 4 •  Buoyant Forces and Archimedes’s Principle

427

Quick  Quiz  14.3

Several  common  barometers  are  built,  with  a  variety  of

fluids. For which of the following fluids will the column of fluid in the barometer be
the highest? (a) mercury (b) water (c) ethyl alcohol (d) benzene

Quick Quiz 14.4

You have invented a spacesuit with a straw passing through

the faceplate so that you can drink from a glass while on the surface of a planet. Out
on the surface of the Moon, you attempt to drink through the straw from an open glass
of water. The value of on the Moon is about one sixth of that on Earth. Compared to
the difficulty in drinking through a straw on Earth, you find drinking through a straw
on the Moon to be (a) easier (b) equally difficult (c) harder (d) impossible.

(a)

B

F

g

(b)

Figure 14.7. (a) A swimmer attempts to push a beach ball underwater. (b) The forces

on a beach ball–sized parcel of water. The buoyant force 

B on a beach ball that replaces

this parcel is exactly the same as the buoyant force on the parcel.

Archimedes

Greek Mathematician, 
Physicist, and Engineer
(287–212 

B

.

C

.) 

Archimedes was perhaps the

greatest scientist of antiquity. He

was the first to compute

accurately the ratio of a circle’s

circumference to its diameter,

and he also showed how to

calculate the volume and surface

area of spheres, cylinders, and

other geometric shapes. He is

well known for discovering the

nature of the buoyant force and

was also a gifted inventor. One

of his practical inventions, still in

use today, is Archimedes’s

screw, an inclined, rotating,

coiled tube used originally to lift

water from the holds of ships. He

also invented the catapult and

devised systems of levers,

pulleys, and weights for raising

heavy loads. Such inventions

were successfully used to

defend his native city, Syracuse,

during a two-year siege by

Romans.

To understand the origin of the buoyant force, consider a cube immersed in a liquid

as in Figure 14.8. The pressure P

b

at the bottom of the cube is greater than the pressure

P

t

at the top by an amount $

fluid

gh, where is the height of the cube and $

fluid

is the den-

sity of the fluid. The pressure at the bottom of the cube causes an upward force equal to
P

b

A, where is the area of the bottom face. The pressure at the top of the cube causes a

downward force equal to P

t

A. The resultant of these two forces is the buoyant force 

B:

(14.5)

where is the volume of the fluid displaced by the cube. Because the product $

fluid

is

equal to the mass of fluid displaced by the object, we see that

where Mg is the weight of the fluid displaced by the cube. This is consistent with our
initial  statement  about  Archimedes’s  principle  above,  based  on  the  discussion  of  the
beach ball.

Before we proceed with a few examples, it is instructive for us to discuss two com-

mon situations—a totally submerged object and a floating (partly submerged) object.

Case 1: Totally Submerged Object

When an object is totally submerged in a fluid of den-

sity  $

fluid

,  the  magnitude  of  the  upward  buoyant  force  is  ! $

fluid

gV ! $

fluid

gV

obj

,

where  V

obj

is  the  volume  of  the  object.  If  the  object  has  a  mass  and  density  $

obj

,

its weight  is  equal  to  F

g

!

Mg ! $

obj

gV

obj

,  and  the  net  force  on  it  is  F

g

!

($

fluid

&

$

obj

)gV

obj

.  Hence,  if  the  density  of  the  object  is  less  than  the  density  of  the

fluid, then the downward gravitational force is less than the buoyant force, and the un-
supported object accelerates upward (Fig. 14.9a). If the density of the object is greater
than the density of the fluid, then the upward buoyant force is less than the downward
gravitational force, and the unsupported object sinks (Fig. 14.9b). If the density of the
submerged object equals the density of the fluid, the net force on the object is zero and
it remains in equilibrium. Thus, 

the direction of motion of an object submerged in

a fluid is determined only by the densities of the object and the fluid.

Case 2: Floating Object

Now consider an object of volume V

obj

and density $

obj

(

$

fluid

in

static equilibrium floating on the surface of a fluid—that is, an object that is only partially
submerged (Fig. 14.10). In this case, the upward buoyant force is balanced by the down-
ward gravitational force acting on the object. If V

fluid

is the volume of the fluid displaced

by  the  object  (this  volume  is  the  same  as  the  volume  of  that  part  of  the  object  that  is
beneath  the  surface  of  the  fluid),  the  buoyant  force  has  a  magnitude  ! $

fluid

gV

fluid

.

Because the weight of the object is F

g

!

Mg ! $

obj

gV

obj

, and because F

g

!

B, we see that

$

fluid

gV

fluid

!

$

obj

gV

obj

, or

(14.6)

V

fluid

V

obj

!

$

obj

$

 

fluid

Mg

! (P

b

&

P

t

)! ($

 

fluid

gh)! $

 

fluid

gV

428

C H A P T E R   1 4 •  Fluid Mechanics

B

F

g

(a)

B

(b)

F

g

a

a

Active Figure 14.9 (a) A totally submerged object that is less dense than the fluid in

which it is submerged experiences a net upward force. (b) A totally submerged object

that is denser than the fluid experiences a net downward force and sinks. 

PITFALL PREVENTION

14.2 Buoyant Force is

Exerted by the Fluid

Remember  that 

the  buoyant

force is exerted by the fluid. It
is  not  determined  by  properties
of  the  object,  except  for  the
amount of fluid displaced by the
object. Thus, if several objects of
different  densities  but  the  same
volume  are  immersed  in  a  fluid,
they will all experience the same
buoyant force. Whether they sink
or float will be determined by the
relationship between the buoyant
force and the weight.

F

g

B

h

Figure 14.8 The external forces

acting on the cube of liquid are the

gravitational force 

F

g

and the buoy-

ant force 

B. Under equilibrium

conditions, F

g

.

At the Active Figures link

at http://www.pse6.com, you

can move the object to new po-

sitions as well as change the

density of the object to see the

results.

 

 

 

 

 

 

 

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