לחץ (פיזיקה): הגדרה, יחידות, נוסחה ודוגמאות

לחץ הוא אחד המושגים החשובים בפיזיקה. אמנם ללא ספק יהיה לך מושג מהו הלחץ מדברים כמו קריאות לחץ אטמוספרי שניתנו דיווחי מזג אוויר או לחץ מים במערכת החימום בביתכם, כשאתם לומדים פיזיקה, הפרטים באמת חוֹמֶר. לימוד ההגדרה המדויקת של לחץ עוזר לך להבין מושגי מפתח הקשורים לגזים, תרמודינמיקה, ציפה ועוד.

לחץ מוגדר פשוט כ-כמות כוח ליחידת שטח. נקודת המפתח כשאתה מנסה להבין לחץ היא לחשוב מה קורה ברמה האטומית בנוזל או בגז בלחץ גבוה. המולקולות המרכיבות מסתובבות כל הזמן, וזה אומר שהן נתקעות בקירות המיכל כל הזמן. ככל שהם נעים יותר (בגלל טמפרטורות גבוהות יותר), הם נתקלים יותר בדפנות המכולה והלחץ גבוה יותר.

ההגדרה, אם כן, פשוט הופכת תמונה כללית זו להגדרה פיזית ברורה. בכל פעם שמולקולה פוגעת בצד של מיכל, היא מעבירה אליו כוח, וסכום הכוחות הללו עבור חלק קטן מהפנים הוא הלחץ הכולל. הדרך הנוחה ביותר לעשות זאת היא לבחור אזור שהוא "יחידה" בריבוע אחד במערכת המדידה שבחרת, כלומר המשמעות של "ליחידת שטח" בהגדרה.

מתמטית, אתה יכול להגדיר לחץ כ:

איפהפזה לחץ,Fהוא הכוח על פני השטח ואהוא אזור.

יחידת הלחץ SI היא ה-

היחידה החלופית הידועה ביותר היאפאונד לאינץ 'מרובע (psi), המשמש בארה"ב לדברים כמו לחץ מים. עבור לחץ אטמוספרי, היחידה הנקראת כראוי "אטמוספרות" (אטמוספירה) משמשת לעיתים קרובות, מכיוון ש -1 אטמוספר מתאים לתחום האטמוספרי בגובה פני הים. הטור הוא יחידה חלופית המשמשת ללחצים אטמוספריים, המוגדרת כ 1/760 של אווירה, או 133.3 אבא. במטאורולוגיה משתמשים לעתים קרובות במיליבר, כאשר 1 בר = 100,000 אבא ומיליבר אחד = 100 אב.

לבסוף, ישנם כמה יחידות יוצאות דופן אפילו יותר ללחץ, כולל מילימטר כספית (mmHg), אשר מוגדר על סמך הלחץ המופעל על ידי עמוד כספית בגובה 1 מ"מ ומשמש לעיתים קרובות לדם לַחַץ.

זו הייתה במקור כוונת הטור, ולכן זה לא צריך להיות כל כך מפתיע שהשניים הם זהה למעשה: 1 מ"מ כספית = 133.322 אבא. לבסוף, במקרים מסוימים הלחץ נמדד כערך בצבוע לכל מרובע סַנטִימֶטֶר. כאן, הצבע הוא יחידת כוח עם 1 דיון = 0.00001 ניוטון, וכך 1 צבע לסנטימטר מרובע שווה 0.1 אבא.

לחץ האטמוספירה בגובה פני הים שווה לאטמוספירה אחת, או בסביבות 101,325 אבא. זהו אעָצוּםערך - זה יותר מכוח הכבידה על 10,000 ק"ג חומר, הדוחף עליך מטהכל הזמן. הלחץ הוא בעצם בדיוק זה, אך העניין הוא למעשה האוויר: לחץ נגרם פשוטו כמשמעו בגלל משקל האוויר שדוחף מטה על פני כדור הארץ.

זה אולי נראה מוזר כי אתה אף פעם לאהודעהלחץ אטמוספרי, למרות שהוא כל כך מאסיבי, אבל התפתחת בסביבה הזו, ולכן אתה לא שם לב לזה. יש מדד של לחץ שלוקח את זה בחשבון גם נקראלחץ מד. זהו הפרש הלחץ בין הלחץ המוחלט (כלומר הלחץ הכולל) ללחץ האטמוספרי.

לדוגמא, אם יש לך צמיג שטוח לחלוטין ברכב שלך, כאשר חיברת מד זה היה קורא אפס. עם זאת, ישאווירבתוך הצמיג שנמצא בלחץ אטמוספרי; רק שהמידע הזה לא ממש רלוונטי כשאתה מעוניין אם לחץ כמו צמיג לרכב הוא לחץ מתאים. עדיין יש לחץ מוחלט, אך במקרה זה (ורבים אחרים) לחץ המידה הוא באמת מה שאתה צריך לדעת.

לחץ מים הוא אחת מצורות הלחץ המוכרות ביותר בחיי היום יום, אך במצב הידרוסטטי (אחד שבו המים לא זורמים), הלחץ עובד באופן שונה מהדרך שהוא עושה בחימום המים שלך מערכת. עם זאת, זהו סיטואציה מעניינת לבחון כשאתה לומד לראשונה על לחץ מכיוון שהלחץ במצב כזה תלוי בעומק.

הלחץ (פבכל עומק (ד) ניתן על ידי המשוואה:

איפהρ("Rho") הוא צפיפות הנוזל ו-זהיא התאוצה בגלל כוח המשיכה (על כדור הארץ,ז= 9.81 מ 'לשנייה²). צפיפות המים ב -20 מעלות צלזיוס היאρ= 998 ק"ג / מ '³, אך בדרך כלל החישובים פשוטים מאוד אם אתה מניח טמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס, היכןρ= 1000 ק"ג / מ '³ או 1 גרם / ס"מ³. אז אם אתה מחשב את לחץ המים בעומק של 25 מ ', המשוואה מראה:

ברומטר הוא מכשיר למדידת לחץ אטמוספרי (המכונה לפעמים לחץ ברומטרי) הפועל באמצעות עמוד כספית. צינור המכיל כספית - פתוח בקצה אחד - הופך ומונח במאגר המכיל גם כספית. כאשר הוא מוצב, המאגר פתוח לאטמוספרה, אך הכספית בצינור נמצאת רק במגע עם המאגר, ותהליך היפוך הצינור יוצר ואקום בחלקו העליון.

הברומטר מודד לחץ מכיוון שהכוח הנובע מלחץ אטמוספרי (בעצם המשקל של האוויר) דוחף מטה את הכספית במאגר ובכך דוחף את הכספית בצינור לְמַעלָה.

אם עמוד הכספית יוצר כוח גדול באותה מידה המכוון כלפי מטה (משוואת לחץ המים מהסעיף הקודם מתארת ​​את מקורו של זה. לא יהיה שינוי, אך אם לחץ האוויר גבוה יותר, רמת הכספית בצינור תצטרך לעלות בכמות מתאימה כדי לאזן את כוחות. לאחר כיול האבנית, ניתן להשתמש במערכת פשוטה זו למדידת לחץ האוויר.

ישנן דוגמאות נוספות ללחץ שתכירו גם מחיי היום יום, כולל לחץ דם. זהו הלחץ (מד) שנוצר על ידי הלב שלך שואב דם סביב גופך, וזה מדד במ"מ כספית (מילימטרים של כספית), ויש לך שתי קריאות: סיסטולי ללחץ כאשר ליבך נדחק החוצה ודיאסטולי ללחץ שבין פעימות. כמובן שהלחץ במהלך פעימות הוא המספר הגבוה יותר מבין השניים, ובין 90/60 מ"מ כספית ל -120 / 80 מ"מ כספית נחשב לאידיאלי.

לחץ אוויר הוא גם מושג מכריע במטאורולוגיה, אשר ממפה את המיקומים והתנועות של מערכות לחץ גבוה ולחץ נמוך כדי לחזות שינויים במזג האוויר. דרך הקשר בין לחץ אטמוספרי לטמפרטורה, ומה קורה כשמערכת לחץ נמוך פוגש מערכת בלחץ גבוה, מטאורולוגים חוזים את הטמפרטורות ודברים כמו רוח באזורים שונים.