Druck ist in der Physik die Kraft geteilt durch die Flächeneinheit. Kraft wiederum ist Masse mal Beschleunigung. Dies erklärt, warum ein Winterabenteurer auf fragwürdigem Eis sicherer ist, wenn er sich auf die Oberfläche legt, anstatt aufrecht zu stehen; die Kraft, die er auf das Eis ausübt (seine Masse mal der Beschleunigung nach unten aufgrund der Schwerkraft) ist in beiden Fällen gleich, aber flach liegend anstatt auf zwei Füßen zu stehen, verteilt sich diese Kraft auf eine größere Fläche und verringert so den Druck auf die Eis.
Das obige Beispiel befasst sich mit statischem Druck – das heißt, es bewegt sich nichts in diesem "Problem" (und hoffentlich bleibt es so!). Anders der dynamische Druck, der die Bewegung von Objekten durch Flüssigkeiten – also Flüssigkeiten oder Gase – oder die Strömung von Flüssigkeiten selbst umfasst.
Die allgemeine Druckgleichung
Wie bereits erwähnt, ist der Druck die Kraft geteilt durch die Fläche, und die Kraft ist die Masse mal die Beschleunigung. Masse (ich
), kann aber auch als Dichteprodukt geschrieben werden (ρ) und Lautstärke (V), da die Dichte nur Masse dividiert durch Volumen ist. Das heißt, seit:\rho=\frac{m}{V}\text{ dann } = m=\rho V
Außerdem ergibt bei regelmäßigen geometrischen Figuren das Volumen geteilt durch die Fläche einfach die Höhe.
Dies bedeutet, dass für beispielsweise eine in einem Zylinder stehende Flüssigkeitssäule der Druck (P) kann in den folgenden Standardeinheiten ausgedrückt werden:
P = {mg \above{1pt}A} = {ρVg \above{1pt}A}= ρg{V \above{1pt}A} = ρgh
Hier,haist die Tiefe unter der Oberfläche der Flüssigkeit. Dies zeigt, dass der Druck in jeder Flüssigkeitstiefe nicht wirklich davon abhängt, wie viel Flüssigkeit vorhanden ist; Sie könnten sich in einem kleinen Tank oder im Ozean befinden, und der Druck hängt nur von der Tiefe ab.
Dynamischer Druck
Flüssigkeiten sitzen offensichtlich nicht nur in Tanks; sie bewegen sich und werden oft durch Rohre gepumpt, um von Ort zu Ort zu gelangen. Bewegte Flüssigkeiten üben ebenso wie stehende Flüssigkeiten Druck auf darin befindliche Objekte aus, aber die Variablen ändern sich.
Sie haben vielleicht gehört, dass die Gesamtenergie eines Objekts die Summe seiner kinetischen Energie (der Energie seiner Bewegung) und seines Potenzials ist Energie (die Energie, die es bei Federbelastung oder weit über dem Boden "speichert") und dass diese Summe im geschlossenen Zustand konstant bleibt Systeme. In ähnlicher Weise ist der Gesamtdruck einer Flüssigkeit ihr statischer Druck, gegeben durch den Ausdruckghoben abgeleitet, addiert zu seinem dynamischen Druck, gegeben durch den Ausdruck (1/2)v2.
Die Bernoulli-Gleichung
Der obige Abschnitt ist eine Ableitung einer kritischen Gleichung in der Physik mit Implikationen für alles, was sich durch eine Flüssigkeit bewegt oder selbst eine Strömung erfährt, einschließlich Flugzeugen, Wasser in einem Rohrleitungssystem oder Baseball. Formal ist es
P_{total} = ρgh + {1 \above{1pt}2} ρv^2
Dies bedeutet, dass, wenn eine Flüssigkeit durch ein Rohr mit einer bestimmten Breite und einer bestimmten Höhe in ein System eindringt und das System verlässt durch ein Rohr mit anderer Breite und Höhe kann der Gesamtdruck der Anlage trotzdem bestehen bleiben Konstante.
Diese Gleichung beruht auf einer Reihe von Annahmen: Dass die Dichte der Flüssigkeitρsich nicht ändert, dass der Flüssigkeitsfluss stetig ist und dass Reibung kein Faktor ist. Selbst mit diesen Einschränkungen ist die Gleichung außerordentlich nützlich. Aus der Bernoulli-Gleichung können Sie beispielsweise bestimmen, dass wenn Wasser einen Kanal verlässt, der a kleinerer Durchmesser als sein Eintrittspunkt, das Wasser fließt schneller (was wahrscheinlich so ist) intuitiv; Flüsse zeigen eine größere Geschwindigkeit, wenn sie durch enge Kanäle fließen) und ihr Druck bei der höheren Geschwindigkeit wird niedriger sein (was wahrscheinlich nicht intuitiv ist). Diese Ergebnisse folgen aus der Variation der Gleichung
P_1 - P_2 = {1 \above{1pt}2}ρ({v_2}^2 - {v_1}^2)
Wenn also die Terme positiv sind und die Austrittsgeschwindigkeit größer als die Eintrittsgeschwindigkeit ist (d. h.v2 > v1), muss der Austrittsdruck niedriger sein als der Eintrittsdruck (d. h.P2 < P1).