Nyomás (fizika): Definíció, mértékegységek, képlet és példák

A nyomás a fizika egyik legfontosabb fogalma. Bár kétségtelenül van némi elképzelése arról, hogy mi a nyomás olyan dolgokból, mint a légköri nyomás leolvasása időjárási jelentések vagy víznyomás az otthoni fűtési rendszerben, amikor fizikát tanul, a részletek valóban ügy. A nyomás pontos meghatározásának elsajátítása segít megérteni a gázokkal, a termodinamikával, a felhajtóerővel és még sok mással kapcsolatos kulcsfontosságú fogalmakat.

A nyomás egyszerűen aaz egységnyi területre eső erő mértéke. A nyomás megértésének legfontosabb pontja az, hogy elgondolkodjon azon, hogy mi történik atom szinten egy folyadékban vagy gázban nagy nyomáson. Az alkotó molekulák folyamatosan mozognak, és ez azt jelenti, hogy állandóan a konténer falainak ütköznek. Minél többet mozognak (a magasabb hőmérséklet miatt), annál jobban ütköznek a tartály falaiba, és annál nagyobb a nyomás.

A meghatározás tehát ezt az általános képet egyszerűen világos, fizikai definícióvá alakítja. Valahányszor egy molekula a tartály oldalába ütközik, erőt fejt ki rá, és ezeknek az erőknek az összege a belső tér egy kis részén a teljes nyomás. Ennek legkényelmesebb módja az, ha olyan területet választ, amely egy „egység” négyzet a kiválasztott mérési rendszerben, amit a „területenként” jelent a meghatározásban.

Matematikailag meghatározhatja a nyomást:

HolPa nyomás,Fa felszínre ható erő ésAterülete.

Az SI nyomásegység aPascal (Pa)ahol 1 Pa = 1 N / m², azaz egy Newton négyzetméterenként. A Newton az erő mértékegysége, így könnyen belátható, hogy a Pascal megfelel a nyomásegységre vonatkozó követelményeknek. A Pascal azonban meglehetősen kicsi egység olyan dolgokra, mint a légköri nyomás, ezért elég sok alternatívát is használnak. Ennek egyik legegyszerűbb módja az, ha egyszerűen használja a kPa-t (azaz kilopascalokat vagy pascák ezreit), de vannak más lehetőségek is.

A legismertebb alternatív egység azfont / négyzet hüvelyk (psi), amelyet az Egyesült Államokban olyan dolgokra használnak, mint a víznyomás. A légköri nyomáshoz gyakran használják a megfelelő elnevezésű „atmoszférák” (atm) egységet, mert 1 atm megfelel a tengerszint légköri nyomásának. A torr egy alternatív egység, amelyet a légköri nyomásokhoz használnak, és amelyet 1/760-nak definiálnak atmoszféra vagy 133,3 Pa. A meteorológiában gyakran millibárokat használnak, ahol 1 bar = 100 000 Pa és 1 millibár = 100 Pa.

Végül van még néhány szokatlanabb nyomásegység, köztük milliméter higany (Hgmm), amely az 1 mm magas higanyoszlop által kifejtett nyomás alapján határozzák meg, és gyakran vérhez használják nyomás.

Eredetileg ez volt a torr szándéka, és ezért nem szabad akkora meglepetést okozni, hogy a kettő az lényegében ugyanaz: 1 Hgmm = 133,322 Pa. Végül bizonyos esetekben a nyomást dyne / négyzet értékként mérik centiméter. Itt a dyne egy erőegység, amelynek 1 dyne = 0,00001 newton, és így 1 dyne négyzetcentiméterenként 0,1 Pa.

A tengerszint légköri nyomása 1 légkörrel, azaz 101 325 Pa körül vanhatalmasérték - ez több, mint a 10 000 kg anyagra ható gravitációs erő, amely lenyomja Öntmindig. A nyomás lényegében csak ez, de a lényeg tulajdonképpen a levegő: A nyomást szó szerint a Föld felszínére tolódó levegő súlya okozza.

Ez furcsának tűnhet, mert sohaértesítésa légköri nyomás, bár olyan hatalmas, de fejlődtél ebben a környezetben, és így nem veszed észre. Van egy olyan mértékű nyomás, amely ezt is figyelembe veszi, az úgynevezetttúlnyomás. Ez az abszolút nyomás (azaz a teljes nyomás) és a légköri nyomás közötti nyomáskülönbség.

Például, ha teljesen lemerült gumiabroncs van az autóján, a nyomtáv csatlakoztatásakor ez nulla értéket mutat. Van azonbanlevegőa gumiabroncs belsejében, amely légköri nyomáson van; csak az, hogy ezek az információk nem igazán relevánsak, ha érdekli, hogy az autógumihoz hasonló dolgok megfelelő nyomás alatt vannak-e. Még mindig van abszolút nyomás, de ebben az esetben (és még sokan mások) a nyomtatónyomás valóban az, amit tudnia kell.

A víznyomás a mindennapi élet egyik legismertebb nyomásformája, de hidrosztatikus helyzetben (ahol a víz nem folyik), a nyomás másképp működik, mint a vízmelegítésnél rendszer. Ez azonban érdekes helyzet, amikor először megismerjük a nyomást, mert az ilyen helyzetben a nyomás a mélységtől függ.

A nyomás (P) bármilyen mélységben (d) az alábbi egyenlet adja:

Holρ(„Rho”) a folyadék sűrűsége ésga gravitáció miatti gyorsulás (a Földön,g= 9,81 m / s²). A víz sűrűsége 20 ° C-onρ= 998 kg / m³, de általában a számítások jelentősen leegyszerűsödnek, ha 4 ° C hőmérsékletet feltételezünk, aholρ= 1000 kg / m³ vagy 1 g / cm³. Tehát, ha a víznyomást 25 m mélységben számítja, az egyenlet a következőket mutatja:

A barométer a légköri nyomás (néha barometrikus nyomásnak nevezett) mérésére szolgáló eszköz, amely higanyoszlop segítségével működik. Az egyik végén nyitott higanyt tartalmazó csövet megfordítjuk, és egy higanyt is tartalmazó tartályba helyezzük. Felállításakor a tározó nyitva áll az atmoszféra előtt, de a csőben lévő higany csak a tárolóval érintkezik, és a cső megfordításának folyamata vákuumot hoz létre a tetején.

A barométer azért méri a nyomást, mert a légköri nyomás miatti erő (alapvetően a súly levegő) lenyomja a higanyt a tartályban, és ezáltal a higany a csőben fel.

Ha a higanyoszlop ugyanolyan nagy lefelé irányított erőt hoz létre (az előző szakasz víznyomás-egyenlete leírja ennek eredetét) erő), nem lesz változás, de ha nagyobb a légnyomás, akkor a csőben lévő higany szintjének megfelelő mértékben meg kell növekednie a erők. A skála kalibrálása után ez az egyszerű rendszer használható a légnyomás mérésére.

Vannak más példák a nyomásra, amelyet a mindennapi életből is ismerhet, beleértve a vérnyomást. Ez az a (nyomtávos) nyomás, amelyet a szíve hoz létre, amely vért pumpál a testére, és ez mmHg-ban (milliméter higany), és két leolvasása van: szisztolés a nyomáshoz, amikor a szíved kinyúlik, és diasztolés a nyomáshoz, veri. Természetesen az ütemek alatt a nyomás a kettő nagyobb száma, és 90/60 Hgmm és 120/80 Hgmm között ideálisnak tekinthető.

A légnyomás a meteorológia szempontjából is kulcsfontosságú fogalom, amely feltérképezi a magas nyomású és alacsony nyomású rendszerek helyzetét és mozgását az időjárás változásainak előrejelzésére. A légköri nyomás és a hőmérséklet összefüggésein keresztül, és mi történik, ha egy alacsony nyomású rendszer magas nyomású rendszerrel találkozik, a meteorológusok megjósolják a hőmérsékleteket és az olyan dolgokat, mint a szél a különböző régiókban.