Spiediens ir viens no vissvarīgākajiem fizikas jēdzieniem. Lai gan jums neapšaubāmi ir kāda ideja par to, kāds ir spiediens no tādām lietām kā atmosfēras spiediena rādījumi laika ziņas vai ūdens spiediens jūsu mājas apkures sistēmā, kad jūs studējat fiziku, informācija patiešām ir jautājums. Apgūstot precīzu spiediena definīciju, varat saprast galvenos jēdzienus, kas saistīti ar gāzēm, termodinamiku, peldspēju un daudz ko citu.
Spiediena definīcija
Spiedienu vienkārši definē kāspēka daudzums uz laukuma vienību. Galvenais punkts, mēģinot izprast spiedienu, ir domāt par to, kas notiek atomu līmenī šķidrumā vai gāzē ar augstu spiedienu. Sastāvdaļas molekulas nepārtraukti pārvietojas, un tas nozīmē, ka tās visu laiku ietriecas konteinera sienās. Jo vairāk viņi pārvietojas (augstākas temperatūras dēļ), jo vairāk viņi ietriecas konteinera sienās un jo lielāks spiediens.
Tad definīcija vienkārši pārvērš šo vispārējo ainu skaidrā, fiziskā definīcijā. Katru reizi, kad molekula ietriecas konteinera malā, tā tam piešķir spēku, un šo spēku summa nelielai interjera daļai ir kopējais spiediens. Ērtākais veids, kā to izdarīt, ir izvēlēties laukumu, kas ir viena “vienība” kvadrātā jūsu izvēlētajā mērījumu sistēmā, ko definīcijā nozīmē “uz laukuma vienību”.
Matemātiski spiedienu var definēt kā:
P = \ frac {F} {A}
KurPir spiediens,Fir spēks uz virsmas unAir platība.
Spiediena vienības
SI spiediena vienība irPaskāls (Pa)kur 1 Pa = 1 N / m2, t.i., viens ņūtons uz kvadrātmetru. Ņūtons ir spēka mērvienība, tāpēc ir viegli redzēt, ka Paskāls atbilst spiediena vienības prasībām. Tomēr Pascal ir diezgan maza vienība tādām lietām kā atmosfēras spiediens, tāpēc arī tiek izmantotas diezgan daudzas alternatīvas. Viens no vienkāršākajiem veidiem, kā to izdarīt, ir vienkārši izmantot kPa (t.i., kilopaskālus vai tūkstošiem pasku), taču ir arī citas iespējas.
Vispazīstamākā alternatīvā vienība irmārciņas uz kvadrātcollu (psi), ko ASV izmanto tādām lietām kā ūdens spiediens. Atmosfēras spiedienam bieži izmanto attiecīgi nosauktās vienības “atmosfēras” (atm), jo 1 atm atbilst atmosfēras spiedienam jūras līmenī. Torrs ir alternatīva vienība, ko izmanto atmosfēras spiedienam, un to definē kā 1/760 no atmosfēras spiediena atmosfērā jeb 133,3 Pa. Meteoroloģijā bieži izmanto milibārus, kur 1 bārs = 100 000 Pa un 1 milibārs = 100 Pa.
Visbeidzot, ir vēl dažas neparastākas spiediena vienības, tostarp dzīvsudraba staba milimetri (mmHg), kas definē, pamatojoties uz spiedienu, ko rada 1 mm augsts dzīvsudraba stabs, un to bieži lieto asinīm spiediens.
Sākotnēji tas bija torr nolūks, un tāpēc nevajadzētu pārsteigt, ka abi ir būtībā tas pats: 1 mmHg = 133,322 Pa. Visbeidzot, dažos gadījumos spiedienu mēra kā vērtību dynā uz kvadrātu centimetrs. Šeit dyna ir spēka vienība ar 1 dyna = 0,00001 ņūtoniem, un tātad 1 dyna uz kvadrātcentimetru ir vienāda ar 0,1 Pa.
Atmosfēras spiediens
Atmosfēras spiediens jūras līmenī ir vienāds ar 1 atmosfēru vai aptuveni 101 325 Pa. Tas ir amilzīgsvērtība - tas ir vairāk nekā smaguma spēks uz 10 000 kg vielas, kas nospiež jūsvisu laiku. Spiediens būtībā ir tikai šis, bet patiesībā jautājums ir gaiss: spiedienu burtiski rada gaisa svars, kas virzās uz leju virs Zemes virsmas.
Tas var šķist dīvaini, jo jūs nekadpaziņojumsatmosfēras spiediens, kaut arī tas ir tik milzīgs, bet jūs esat attīstījies šajā vidē, un tāpēc to nemanāt. Ir spiediena mērs, kas to ņem vērā arī, saucmanometra spiediens. Šī ir spiediena starpība starp absolūto spiedienu (t.i., kopējo spiedienu) un atmosfēras spiedienu.
Piemēram, ja jūsu automašīnai ir pilnīgi noplīsusi riepa, pieslēdzot mērierīci, tā rādīs nulle. Tomēr irgaissriepas iekšpusē, kas atrodas atmosfēras spiedienā; vienkārši šī informācija nav īsti aktuāla, ja jūs interesē, vai kaut kas līdzīgs automašīnas riepai ir atbilstoši saspiests. Joprojām pastāv absolūtais spiediens, taču šajā gadījumā (un daudzos citos) manometrs ir patiešām tas, kas jums jāzina.
Ūdens spiediens
Ūdens spiediens ir viens no pazīstamākajiem spiediena veidiem ikdienas dzīvē, bet hidrostatiskā situācijā (tāds, kur ūdens neplūst), spiediens darbojas atšķirīgi no tā, kā tas notiek jūsu ūdens sildīšanā sistēmā. Tomēr šī ir interesanta situācija, kas jāaplūko, kad pirmo reizi uzzināt par spiedienu, jo spiediens šādā situācijā ir atkarīgs no dziļuma.
Spiediens (P) jebkurā dziļumā (d) izsaka ar vienādojumu:
P = ρgd
Kurρ(“Rho”) ir šķidruma blīvums ungir paātrinājums gravitācijas dēļ (uz Zemes,g= 9,81 m / s2). Ūdens blīvums 20 ° C temperatūrā irρ= 998 kg / m3, bet parasti aprēķini ir ievērojami vienkāršoti, ja pieņemat, ka temperatūra ir 4 ° C, kurρ= 1000 kg / m3 vai 1 g / cm3. Tātad, ja jūs aprēķināt ūdens spiedienu 25 m dziļumā, vienādojums parāda:
\ begin {izlīdzināts} P & = ρgd \\ & = 1000 \ text {kg / m} ^ 3 × 9.81 \ text {m / s} ^ 2 × 25 \ text {m} \\ & = 245250 \ text {Pa } = 245,3 \ text {kPa} \\ \ end {aligned}
Kā darbojas barometrs
Barometrs ir ierīce atmosfēras spiediena (dažreiz to sauc arī par barometrisko spiedienu) mērīšanai, kas darbojas, izmantojot dzīvsudraba kolonnu. Caurule, kas satur dzīvsudrabu - ir atvērta vienā galā, tiek apgriezta un ievietota rezervuārā, kas satur arī dzīvsudrabu. Kad tas ir uzstādīts, rezervuārs ir atvērts atmosfērai, bet caurulē esošais dzīvsudrabs saskaras tikai ar rezervuāru, un caurules apgriešanas process augšpusē rada vakuumu.
Barometrs mēra spiedienu, jo atmosfēras spiediena radītais spēks (galvenokārt svars gaisa) nospiež uz dzīvsudraba rezervuārā un tādējādi nospiež dzīvsudrabu mēģenē uz augšu.
Ja dzīvsudraba kolonna rada tikpat lielu spēku, kas vērsts uz leju (iepriekšējās sadaļas ūdens spiediena vienādojums apraksta šīs spēks), izmaiņas nenotiks, bet, ja gaisa spiediens ir lielāks, dzīvsudraba līmenim mēģenē būs jāpalielinās par atbilstošu daudzumu, lai līdzsvarotu spēki. Pēc skalas kalibrēšanas šo vienkāršo sistēmu var izmantot gaisa spiediena mērīšanai.
Citi piemēri
Ir arī citi spiediena piemēri, kas jums būs pazīstami arī no ikdienas, tostarp asinsspiediens. Tas ir (manometriskais) spiediens, ko jūsu sirds rada pumpējot asinis ap ķermeni, un tas ir mērāms mmHg (milimetros dzīvsudrabs), un jums ir divi rādījumi: sistoliskais spiedienam, kad sirds izspiež, un diastoliskais spiedienam starp sitieni. Protams, spiediens sitienu laikā ir lielāks skaitlis no abiem, un starp 90/60 mmHg un 120/80 mmHg tiek uzskatīts par ideālu.
Gaisa spiediens ir arī izšķirošs jēdziens meteoroloģijā, kas kartē augstspiediena un zema spiediena sistēmu pozīcijas un kustības, lai prognozētu laika apstākļu izmaiņas. Caur atmosfēras spiediena un temperatūras saistību ar to, kas notiek, kad zema spiediena sistēma atbilst augsta spiediena sistēmai, meteorologi prognozē temperatūru un tādas lietas kā vējš dažādos reģionos.