Я учитель, использующий пластиковый шприц (без иглы), чтобы продемонстрировать сжимаемость воздуха и несжимаемость воды. Отлично работает, они могут вдавить поршень, блокируя конец шприца, когда в шприце есть воздух, но не когда шприц наполнен водой. Мы отмечаем, что шприц возвращается в исходное положение, когда воздух под высоким давлением в шприце выталкивает поршень против атмосферного давления. Движется довольно медленно, но возвращается в исходное положение. Но затем один ученик блокирует конец и вытаскивает поршень. На этот раз, когда он отпускает, плунжер вылетает обратно. Теперь я не могу объяснить, почему скорость плунжера намного выше. Так что дома я пытаюсь рассчитать силы. Я использую правило, согласно которому давление обратно пропорционально объему при той же температуре. Если объем шприца уменьшить в 4 раза, то давление внутри шприца будет в четыре раза больше атмосферного давления. Таким образом, сила, действующая на поршень, будет равна 4 Па наружу и Па внутрь (где Р — атмосферное давление, а А — площадь поршня). Это даст результирующую силу 3 Па, выталкивающую поршень. Теперь рассмотрим противоположный случай, когда объем шприца увеличился в 4 раза. Теперь давление внутри шприца равно P/4, а снаружи по-прежнему равно P. Таким образом, силы равны PA/4 наружу и PA внутрь. Это дает результирующую силу 3/4 Па. Это гораздо меньшая результирующая сила, когда плунжер вытягивается, чем когда плунжер вдавливается. Так почему же плунжер движется намного быстрее, когда его отпускают после того, как его вытащили? тогда давление внутри шприца будет в четыре раза больше атмосферного давления. Таким образом, сила, действующая на поршень, будет равна 4 Па наружу и Па внутрь (где Р — атмосферное давление, а А — площадь поршня). Это даст результирующую силу 3 Па, выталкивающую поршень. Теперь рассмотрим противоположный случай, когда объем шприца увеличился в 4 раза. Теперь давление внутри шприца равно P/4, а снаружи по-прежнему равно P. Таким образом, силы равны PA/4 наружу и PA внутрь. Это дает результирующую силу 3/4 Па. Это гораздо меньшая результирующая сила, когда плунжер вытягивается, чем когда плунжер вдавливается. Так почему же плунжер движется намного быстрее, когда его отпускают после того, как его вытащили? тогда давление внутри шприца будет в четыре раза больше атмосферного давления. Таким образом, сила, действующая на поршень, будет равна 4 Па наружу и Па внутрь (где Р — атмосферное давление, а А — площадь поршня). Это даст результирующую силу 3 Па, выталкивающую поршень. Теперь рассмотрим противоположный случай, когда объем шприца увеличился в 4 раза. Теперь давление внутри шприца равно P/4, а снаружи по-прежнему равно P. Таким образом, силы равны PA/4 наружу и PA внутрь. Это дает результирующую силу 3/4 Па. Это гораздо меньшая результирующая сила, когда плунжер вытягивается, чем когда плунжер вдавливается. Так почему же плунжер движется намного быстрее, когда его отпускают после того, как его вытащили? Таким образом, сила, действующая на поршень, будет равна 4 Па наружу и Па внутрь (где Р — атмосферное давление, а А — площадь поршня). Это даст результирующую силу 3 Па, выталкивающую поршень. Теперь рассмотрим противоположный случай, когда объем шприца увеличился в 4 раза. Теперь давление внутри шприца равно P/4, а снаружи по-прежнему равно P. Таким образом, силы равны PA/4 наружу и PA внутрь. Это дает результирующую силу 3/4 Па. Это гораздо меньшая результирующая сила, когда плунжер вытягивается, чем когда плунжер вдавливается. Так почему же плунжер движется намного быстрее, когда его отпускают после того, как его вытащили? Таким образом, сила, действующая на поршень, будет равна 4 Па наружу и Па внутрь (где Р — атмосферное давление, а А — площадь поршня). Это даст результирующую силу 3 Па, выталкивающую поршень. Теперь рассмотрим противоположный случай, когда объем шприца увеличился в 4 раза. Теперь давление внутри шприца равно P/4, а снаружи по-прежнему равно P. Таким образом, силы равны PA/4 наружу и PA внутрь. Это дает результирующую силу 3/4 Па. Это гораздо меньшая результирующая сила, когда плунжер вытягивается, чем когда плунжер вдавливается. Так почему же плунжер движется намного быстрее, когда его отпускают после того, как его вытащили? Теперь рассмотрим противоположный случай, когда объем шприца увеличился в 4 раза. Теперь давление внутри шприца равно P/4, а снаружи по-прежнему равно P. Таким образом, силы равны PA/4 наружу и PA внутрь. Это дает результирующую силу 3/4 Па. Это гораздо меньшая результирующая сила, когда плунжер вытягивается, чем когда плунжер вдавливается. Так почему же плунжер движется намного быстрее, когда его отпускают после того, как его вытащили? Теперь рассмотрим противоположный случай, когда объем шприца увеличился в 4 раза. Теперь давление внутри шприца равно P/4, а снаружи по-прежнему равно P. Таким образом, силы равны PA/4 наружу и PA внутрь. Это дает результирующую силу 3/4 Па. Это гораздо меньшая результирующая сила, когда плунжер вытягивается, чем когда плунжер вдавливается. Так почему же плунжер движется намного быстрее, когда его отпускают после того, как его вытащили?
Что я делаю неправильно? Пожалуйста помоги. Моя репутация как учителя естественных наук поставлена на карту.
Могут быть задействованы несколько различных факторов, но я подозреваю, что основной фактор связан с конструкцией шприца.
Хотя я ничего не знаю о конструкции шприцев, возможно, они сконструированы таким образом, что на поршень легче нажимать, чем вытягивать его.
Вытягивание поршня загружает шприц. Чтобы точно загрузить дозу, вы не хотели бы делать это слишком быстро. Так что, возможно, шприц предназначен для медленного извлечения.
С другой стороны, как только доза загружена, вы хотели бы облегчить ее доставку. Так что, возможно, шприц предназначен для более быстрого введения.
Я предлагаю вам проверить, как трудно нажимать и тянуть поршень, не блокируя конец.
Хотя это само по себе не объясняет ваше наблюдение, вы также должны знать, что, возможно, переоцениваете давление в шприце, когда студент вытащил поршень и отпустил его.
Если студент быстро вытащил поршень, а затем сразу же отпустил его, вместо того, чтобы позволить шприцу сесть и прийти в тепловое равновесие с комнатным воздухом, давление в шприце непосредственно перед его отпусканием будет меньше Р/4. Быстрое вытягивание поршня было бы эквивалентно адиабатическому процессу (отсутствию теплопередачи), потому что для передачи тепла недостаточно времени.
Хотя быстрое вытягивание плунжера не является обратимым процессом, можно сравнить конечное давление для обратимого адиабатического процесса с обратимым изотермическим процессом. Для обратимого адиабатического расширения начальное и конечное давление и объемы связаны уравнением:
Для воздуха, =1,4
Тогда для
Для обратимого изотермического расширения уравнение имеет вид
что значит
Однако опять же это не объясняет причину быстрого движения плунжера внутрь. Поэтому я подозреваю, что основная причина может быть связана с конструкцией шприца.
Надеюсь это поможет.
Единственное, что я могу себе представить, это сила трения другая.
Возможно, поршень немного скручивается, когда вы нажимаете на него, но не когда вы его вытаскиваете. Если это так, он будет сильнее давить на сторону цилиндра и двигаться медленнее. Это звучит маловероятно, но именно в этом направлении я бы искал проблемы.
Возможно, внутри цилиндра есть грязь с одного конца, но не с другого. Грязь может вызвать трение.
Вы можете попробовать почистить или смазать шприц, чтобы увидеть разницу.
Возможно цилиндр не одного диаметра. Там, где есть небольшое сужение, он будет двигаться медленнее.
Возможно поршень имеет несимметричные уплотнительные кольца или другие уплотнения. Они могут копать в одном направлении, но не в другом.
Дальнейшая мысль - вы можете попробовать без поршня, чтобы увидеть, сохраняется ли проблема.
Получите бастер для индейки и аквариум. Выньте лампочку из насадки.
Заткните наконечник пальцем и погрузите открытый конец глубоко в воду. Трубка наполнена воздухом. Отпустите палец и посмотрите, как быстро поднимется вода в трубке.
Не закрывая наконечник, погрузите открытый конец глубоко в воду. Трубка полна воды. Потяните трубку вверх, оставив основание под водой. Отпустите палец и посмотрите, как быстро капает вода в трубке.
Если проблема сохраняется с новым шприцем, попробуйте смазать его каплей масла.
В игре участвуют три силы:
Расширение сжатого шприца
Таким образом, расширение сжатого шприца не является, строго говоря, изотермическим: сжатый воздух работает против внешнего давления, а также против силы трения:
Таким образом, расширение контролируется скоростью теплообмена между воздухом внутри шприца и окружающей средой. Поскольку они сделаны из пластика, это довольно медленно. Я предлагаю провести тот же эксперимент со старомодным стеклянным шприцем — наблюдения, вероятно, будут другими. Отметим также, что цилиндры в двигателе внутреннего сгорания металлические, т. е. хорошо проводящие тепло.
Сжатие вытянутого шприца.
В этом случае работа против трения совершается наружным воздухом, а потери энергии за счет работы против трения восполняются за счет конвекции.
Примечание. В других ответах указано, что сила трения в шприце, вероятно, не одинакова в двух направлениях по своей конструкции. Я думаю, что это тоже немаловажный фактор.
Я смотрел на это и с помощью шприца и пришел к такому выводу.
Когда вы сжимаете воздух и отпускаете, сжатый воздух по сравнению с наружным воздухом падает, когда шприц движется назад, поэтому он замедляется до тех пор, пока он не станет ровным.
Однако «вакуум» по сравнению с наружным воздухом постоянен, поэтому он будет продолжать ускоряться, пока не достигнет конца.
Дж. Мюррей