La pressione è uno dei concetti più importanti in fisica. Mentre avrai senza dubbio un'idea di quale sia la pressione da cose come le letture della pressione atmosferica fornite in bollettini meteorologici o pressione dell'acqua nel sistema di riscaldamento di casa, quando studi fisica, i dettagli davvero importa. Imparare la definizione precisa di pressione ti aiuta a comprendere i concetti chiave relativi a gas, termodinamica, galleggiabilità e molto altro.
Definizione di pressione
La pressione è semplicemente definita comequantità di forza per unità di superficie. Il punto chiave quando stai cercando di capire la pressione è pensare a cosa succede a livello atomico in un liquido o gas ad alta pressione. Le molecole costituenti si muovono costantemente, e questo significa che urtano continuamente contro le pareti del contenitore. Più si muovono (a causa delle temperature più alte), più urtano contro le pareti del contenitore e maggiore è la pressione.
La definizione, quindi, trasforma semplicemente questo quadro generale in una chiara definizione fisica. Ogni volta che una molecola colpisce il lato di un contenitore, gli conferisce una forza e la somma di queste forze per una piccola sezione dell'interno è la pressione totale. Il modo più conveniente per farlo è scegliere un'area che sia una "unità" al quadrato nel sistema di misurazione scelto, che è ciò che significa "per unità di area" nella definizione.
Matematicamente, puoi definire la pressione come:
P = \frac{F}{A}
DovePè la pressione,Fè la forza sulla superficie eUNè zona.
Unità di pressione
L'unità SI della pressione è ilPasquale (Pa), dove 1 Pa = 1 N/m2, ovvero un Newton per metro quadrato. Il Newton è l'unità di forza, quindi è facile vedere che il Pascal soddisfa i requisiti per un'unità di pressione. Tuttavia, il Pascal è un'unità piuttosto piccola per cose come la pressione atmosferica, quindi ci sono anche un gran numero di alternative in uso. Uno dei modi più semplici per farlo è usare semplicemente kPa (cioè kilopascal o migliaia di pascal), ma ci sono anche altre opzioni.
L'unità alternativa più conosciuta èlibbre per pollice quadrato (psi), che viene utilizzato negli Stati Uniti per cose come la pressione dell'acqua. Per la pressione atmosferica viene spesso utilizzata l'unità di misura appropriatamente denominata “atmosfere” (atm), poiché 1 atm corrisponde alla pressione atmosferica a livello del mare. Il torr è un'unità alternativa utilizzata per le pressioni atmosferiche, definita come 1/760 di an atmosfera, o 133,3 Pa. In meteorologia, i millibar sono spesso usati, dove 1 bar = 100.000 Pa e 1 millibar = 100 Pa.
Infine, ci sono alcune unità di pressione ancora più insolite, inclusi i millimetri di mercurio (mmHg), che è definita in base alla pressione esercitata da una colonna di mercurio alta 1 mm ed è spesso usata per il sangue pressione.
Questa era originariamente l'intenzione del Torr, quindi non dovrebbe essere una sorpresa che i due lo siano sostanzialmente lo stesso: 1 mmHg = 133.322 Pa. Infine, in alcuni casi la pressione viene misurata come valore in dyne per quadrato centimetro. Qui, il dyne è un'unità di forza con 1 dyne = 0,00001 Newton, quindi 1 dyne per centimetro quadrato equivale a 0,1 Pa.
Pressione atmosferica
La pressione atmosferica a livello del mare è pari a 1 atmosfera, ovvero circa 101.325 Pa. Questo è unenormevalore: è più della forza di gravità su 10.000 kg di materia, che ti spinge verso il bassotutto il tempo. La pressione è essenzialmente solo questa, ma la questione è in realtà l'aria: la pressione è letteralmente causata dal peso dell'aria che spinge verso il basso sulla superficie della Terra.
Questo potrebbe sembrare strano perché non hai maiAvvisopressione atmosferica, anche se è così massiccia, ma ti sei evoluto in questo ambiente, e quindi non te ne accorgi. Esiste una misura di pressione che tiene conto anche di questo, chiamatamanometro. Questa è la differenza di pressione tra la pressione assoluta (cioè la pressione totale) e la pressione atmosferica.
Ad esempio, se hai una gomma completamente bucata sulla tua auto, quando colleghi un manometro, leggerà zero. Tuttavia, c'èariaall'interno del pneumatico che è a pressione atmosferica; è solo che queste informazioni non sono davvero rilevanti quando sei interessato a sapere se qualcosa come un pneumatico per auto è adeguatamente pressurizzato. C'è ancora la pressione assoluta, ma in questo caso (e in molti altri) la pressione relativa è davvero ciò che devi sapere.
Pressione dell'acqua
La pressione dell'acqua è una delle forme di pressione più familiari nella vita quotidiana, ma in una situazione idrostatica (uno in cui l'acqua non scorre), la pressione funziona in modo diverso da come funziona nel riscaldamento dell'acqua sistema. Tuttavia, questa è una situazione interessante da considerare quando impari per la prima volta sulla pressione perché la pressione in una situazione come questa dipende dalla profondità.
La pressione (P) a qualsiasi profondità (d) è data dall'equazione:
P = gd
Doveρ("rho") è la densità del liquido egè l'accelerazione di gravità (sulla Terra,g= 9,81 m/s2). La densità dell'acqua a 20 °C èρ= 998 kg/m3, ma in genere i calcoli sono notevolmente semplificati se si assume una temperatura di 4 °C, doveρ= 1000 kg/m3 o 1 g/cm3. Quindi, se stai calcolando la pressione dell'acqua a una profondità di 25 m, l'equazione mostra:
\begin{allineato} P &= ρgd \\ &= 1000 \text{ kg/m}^3 × 9,81 \text{ m/s}^2 × 25 \text{ m} \\ &=245250 \text{ Pa } = 245.3 \text{ kPa} \\ \end{allineato}
Come funziona un barometro
Un barometro è un dispositivo per misurare la pressione atmosferica (a volte chiamata pressione barometrica) che funziona utilizzando una colonna di mercurio. Un tubo contenente mercurio – aperto ad un'estremità – viene capovolto e posto in un serbatoio che contiene anche mercurio. Quando è impostato, il serbatoio è aperto all'atmosfera, ma il mercurio nel tubo è solo in contatto con il serbatoio e il processo di inversione del tubo crea un vuoto nella parte superiore.
Il barometro misura la pressione perché la forza dovuta alla pressione atmosferica (in pratica il peso dell'aria) spinge verso il basso il mercurio nel serbatoio e quindi spinge il mercurio nel tubo su.
Se la colonna di mercurio crea una forza altrettanto grande diretta verso il basso (l'equazione della pressione dell'acqua della sezione precedente descrive l'origine di questo forza), non vi sarà alcun cambiamento, ma se la pressione dell'aria è maggiore, il livello di mercurio nel tubo dovrà aumentare di una quantità corrispondente per bilanciare il forze. Dopo aver calibrato la bilancia, questo semplice sistema può essere utilizzato per misurare la pressione dell'aria.
Altri esempi
Ci sono altri esempi di pressione con cui avrai familiarità anche nella vita di tutti i giorni, inclusa la pressione sanguigna. Questa è la pressione (manometrica) creata dal tuo cuore che pompa il sangue intorno al tuo corpo, e questa è misurata in mmHg (millimetri di mercurio), e hai due letture: sistolica per la pressione quando il tuo cuore spinge fuori e diastolica per la pressione tra batte. Naturalmente, la pressione durante i battiti è il numero più alto dei due, e tra 90/60 mmHg e 120/80 mmHg è considerata ideale.
La pressione dell'aria è anche un concetto cruciale in meteorologia, che mappa le posizioni e i movimenti dei sistemi ad alta e bassa pressione per prevedere i cambiamenti del tempo. Attraverso la relazione tra pressione atmosferica e temperatura, e cosa succede quando un sistema a bassa pressione incontra un sistema ad alta pressione, i meteorologi prevedono le temperature e cose come il vento in diverse regioni.