Η πίεση είναι μία από τις πιο σημαντικές έννοιες της φυσικής. Ενώ θα έχετε αναμφίβολα κάποια ιδέα για το τι είναι η πίεση από πράγματα όπως οι μετρήσεις ατμοσφαιρικής πίεσης αναφορές καιρού ή πίεση νερού στο σύστημα θέρμανσης του σπιτιού σας, όταν μελετάτε τη φυσική, οι λεπτομέρειες πραγματικά ύλη. Η εκμάθηση του ακριβούς ορισμού της πίεσης σάς βοηθά να κατανοήσετε βασικές έννοιες που σχετίζονται με αέρια, θερμοδυναμική, πλευστότητα και πολλά άλλα.
Ορισμός της πίεσης
Η πίεση ορίζεται απλώς ωςποσότητα δύναμης ανά μονάδα επιφάνειας. Το βασικό σημείο όταν προσπαθείτε να κατανοήσετε την πίεση είναι να σκεφτείτε τι συμβαίνει στο ατομικό επίπεδο σε υγρό ή αέριο σε υψηλή πίεση. Τα συστατικά μόρια κινούνται συνεχώς και αυτό σημαίνει ότι χτυπούν συνεχώς τα τοιχώματα του δοχείου. Όσο περισσότερο κινούνται (λόγω υψηλότερων θερμοκρασιών), τόσο περισσότερο προσκρούουν στα τοιχώματα του δοχείου και τόσο υψηλότερη είναι η πίεση.
Ο ορισμός, λοιπόν, απλώς μετατρέπει αυτήν τη γενική εικόνα σε έναν σαφή, φυσικό ορισμό. Κάθε φορά που ένα μόριο χτυπά την πλευρά ενός δοχείου, προσδίδει μια δύναμη πάνω του και το άθροισμα αυτών των δυνάμεων για ένα μικρό τμήμα του εσωτερικού είναι η συνολική πίεση. Ο πιο βολικός τρόπος για να γίνει αυτό είναι να επιλέξετε μια περιοχή που είναι μία «μονάδα» τετραγωνική στο επιλεγμένο σύστημα μέτρησης, που σημαίνει τι σημαίνει «ανά μονάδα περιοχής» στον ορισμό.
Μαθηματικά, μπορείτε να ορίσετε την πίεση ως:
P = \ frac {F} {Α}
ΟπουΠείναι πίεση,φάείναι η δύναμη στην επιφάνεια καιΕΝΑείναι περιοχή.
Μονάδες πίεσης
Η μονάδα πίεσης SI είναι ηPascal (Pa), όπου 1 Pa = 1 N / m2, δηλαδή ένα Newton ανά τετραγωνικό μέτρο. Το Newton είναι η μονάδα δύναμης, επομένως είναι εύκολο να δούμε ότι το Pascal πληροί τις απαιτήσεις για μια μονάδα πίεσης. Ωστόσο, το Pascal είναι μια πολύ μικρή μονάδα για πράγματα όπως η ατμοσφαιρική πίεση, οπότε υπάρχει αρκετά μεγάλος αριθμός εναλλακτικών λύσεων. Ένας από τους απλούστερους τρόπους για να το κάνετε αυτό είναι να χρησιμοποιήσετε απλώς το kPa (δηλαδή kilopascals ή χιλιάδες pascals), αλλά υπάρχουν και άλλες επιλογές.
Η πιο γνωστή εναλλακτική μονάδα είναιλίβρες ανά τετραγωνική ίντσα (psi), το οποίο χρησιμοποιείται στις ΗΠΑ για πράγματα όπως η πίεση του νερού. Για ατμοσφαιρική πίεση, χρησιμοποιείται συχνά η κατάλληλα ονομαζόμενη μονάδα "atmospheres" (atm), επειδή 1 atm αντιστοιχεί στην ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας. Το torr είναι μια εναλλακτική μονάδα που χρησιμοποιείται για ατμοσφαιρικές πιέσεις, η οποία ορίζεται ως 1/760 του ατμόσφαιρα, ή 133,3 Pa. Στη μετεωρολογία, χρησιμοποιούνται χιλιοστόλιτρα, όπου 1 bar = 100.000 Pa και 1 millibar = 100 Pa.
Τέλος, υπάρχουν μερικές ακόμη ασυνήθιστες μονάδες πίεσης, συμπεριλαμβανομένων χιλιοστών υδραργύρου (mmHg), οι οποίες ορίζεται με βάση την πίεση που ασκείται από στήλη υδραργύρου ύψους 1 mm και χρησιμοποιείται συχνά για αίμα πίεση.
Αυτή ήταν αρχικά η πρόθεση του torr, και έτσι δεν πρέπει να προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι είναι και τα δύο ουσιαστικά το ίδιο: 1 mmHg = 133.322 Pa. Τέλος, σε ορισμένες περιπτώσεις η πίεση μετριέται ως τιμή σε dyne ανά τετράγωνο εκατοστόμετρο. Εδώ, το dyne είναι μια μονάδα δύναμης με 1 dyne = 0,00001 Newtons, και έτσι 1 dyne ανά τετραγωνικό εκατοστό ισούται με 0,1 Pa.
Ατμοσφαιρική πίεση
Η ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας είναι ίση με 1 ατμόσφαιρα, ή περίπου 101.325 Pa. Αυτό είναιτεράστιοςτιμή - είναι κάτι περισσότερο από τη δύναμη της βαρύτητας στα 10.000 κιλά ύλης, πιέζοντας προς τα κάτωόλη την ώρα. Η πίεση είναι ουσιαστικά ακριβώς αυτό, αλλά το θέμα είναι στην πραγματικότητα ο αέρας: Η πίεση προκαλείται κυριολεκτικά από το βάρος του αέρα που ωθεί κάτω από την επιφάνεια της Γης.
Αυτό μπορεί να φαίνεται περίεργο γιατί ποτέ δενειδοποίησηατμοσφαιρική πίεση, παρόλο που είναι τόσο τεράστια, αλλά έχετε εξελιχθεί σε αυτό το περιβάλλον και έτσι δεν το παρατηρείτε. Υπάρχει ένα μέτρο πίεσης που το λαμβάνει επίσης υπόψημανομετρική πίεση. Αυτή είναι η διαφορά πίεσης μεταξύ της απόλυτης πίεσης (δηλαδή της συνολικής πίεσης) και της ατμοσφαιρικής πίεσης.
Για παράδειγμα, εάν έχετε ένα εντελώς ελαστικό στο αυτοκίνητό σας, όταν συνδέσατε ένα μετρητή, θα ήταν μηδέν. Ωστόσο, υπάρχειαέραςμέσα στο ελαστικό που βρίσκεται σε ατμοσφαιρική πίεση. είναι απλώς ότι αυτές οι πληροφορίες δεν είναι πραγματικά σχετικές όταν σας ενδιαφέρει εάν κάτι σαν ελαστικό αυτοκινήτου υπό κατάλληλη πίεση. Υπάρχει ακόμη απόλυτη πίεση, αλλά σε αυτήν την περίπτωση (και πολλές άλλες) η πίεση του μετρητή είναι πραγματικά αυτό που πρέπει να γνωρίζετε.
Πίεση νερού
Η πίεση του νερού είναι μια από τις πιο γνωστές μορφές πίεσης στην καθημερινή ζωή, αλλά σε μια υδροστατική κατάσταση (ένα όπου το νερό δεν ρέει), η πίεση λειτουργεί διαφορετικά με τον τρόπο που λειτουργεί στη θέρμανση του νερού σας Σύστημα. Ωστόσο, αυτή είναι μια ενδιαφέρουσα κατάσταση που πρέπει να εξετάσετε όταν μαθαίνετε για πρώτη φορά την πίεση, επειδή η πίεση σε μια τέτοια κατάσταση εξαρτάται από το βάθος.
Η πίεση (Π) σε οποιοδήποτε βάθος (ρεδίνεται από την εξίσωση:
P = ρgd
Οπουρ("Rho") είναι η πυκνότητα του υγρού καισολείναι η επιτάχυνση που οφείλεται στη βαρύτητα (στη Γη,σολ= 9,81 m / s2). Η πυκνότητα του νερού στους 20 ° C είναιρ= 998 kg / m3, αλλά γενικά οι υπολογισμοί απλοποιούνται πολύ εάν υποθέσετε μια θερμοκρασία 4 ° C, όπουρ= 1000 kg / m3 ή 1 g / cm3. Αν λοιπόν υπολογίζετε την πίεση του νερού σε βάθος 25 m, η εξίσωση δείχνει:
\ begin {aligned} P & = ρgd \\ & = 1000 \ text {kg / m} ^ 3 × 9,81 \ κείμενο {m / s} ^ 2 × 25 \ κείμενο {m} \\ & = 245250 \ κείμενο {Pa } = 245.3 \ κείμενο {kPa} \\ \ end {στοίχιση}
Πώς λειτουργεί ένα βαρόμετρο
Ένα βαρόμετρο είναι μια συσκευή για τη μέτρηση της ατμοσφαιρικής πίεσης (μερικές φορές ονομάζεται βαρομετρική πίεση) που λειτουργεί χρησιμοποιώντας μια στήλη υδραργύρου. Ένας σωλήνας που περιέχει υδράργυρο - ανοιχτός στο ένα άκρο - αναστρέφεται και τοποθετείται σε δεξαμενή που περιέχει επίσης υδράργυρο. Όταν έχει ρυθμιστεί, η δεξαμενή είναι ανοιχτή στην ατμόσφαιρα, αλλά ο υδράργυρος στο σωλήνα έρχεται σε επαφή μόνο με τη δεξαμενή και η διαδικασία αναστροφής του σωλήνα δημιουργεί κενό στην κορυφή.
Το βαρόμετρο μετρά την πίεση επειδή η δύναμη που οφείλεται στην ατμοσφαιρική πίεση (βασικά το βάρος του αέρα) πιέζει προς τα κάτω τον υδράργυρο στη δεξαμενή και ωθεί έτσι τον υδράργυρο στο σωλήνα πάνω.
Εάν η στήλη υδραργύρου δημιουργεί μια εξίσου μεγάλη δύναμη που κατευθύνεται προς τα κάτω (η εξίσωση πίεσης νερού από την προηγούμενη ενότητα περιγράφει την προέλευση αυτού δύναμη), δεν θα υπάρξει αλλαγή, αλλά εάν η πίεση του αέρα είναι υψηλότερη, το επίπεδο του υδραργύρου στο σωλήνα θα πρέπει να αυξηθεί κατά αντίστοιχη ποσότητα για να εξισορροπήσει το δυνάμεις. Μετά τη βαθμονόμηση της κλίμακας, αυτό το απλό σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της πίεσης του αέρα.
Άλλα παραδείγματα
Υπάρχουν και άλλα παραδείγματα πίεσης που θα γνωρίζετε και από την καθημερινή ζωή, συμπεριλαμβανομένης της αρτηριακής πίεσης. Αυτή είναι η πίεση (μετρητής) που δημιουργείται από την καρδιά σας που αντλεί αίμα γύρω από το σώμα σας και αυτό μετράται σε mmHg (χιλιοστά υδράργυρος), και έχετε δύο αναγνώσεις: συστολική για την πίεση όταν η καρδιά σας σπρώχνει και διαστολική για την πίεση μεταξύ κτυπά. Φυσικά, η πίεση κατά τη διάρκεια των παλμών είναι ο υψηλότερος αριθμός των δύο, και μεταξύ 90/60 mmHg και 120/80 mmHg θεωρείται ιδανική.
Η πίεση του αέρα είναι επίσης μια κρίσιμη έννοια στη μετεωρολογία, η οποία χαρτογραφεί τις θέσεις και τις κινήσεις των συστημάτων υψηλής πίεσης και χαμηλής πίεσης για την πρόβλεψη αλλαγών στον καιρό. Μέσα από τη σχέση μεταξύ ατμοσφαιρικής πίεσης και θερμοκρασίας, και τι συμβαίνει όταν ένα σύστημα χαμηλής πίεσης συναντά ένα σύστημα υψηλής πίεσης, οι μετεωρολόγοι προβλέπουν τις θερμοκρασίες και πράγματα όπως ο άνεμος σε διαφορετικές περιοχές.