Druk (natuurkunde): definitie, eenheden, formule en voorbeelden

Druk is een van de belangrijkste begrippen in de natuurkunde. Hoewel je ongetwijfeld een idee zult hebben van wat druk is van zaken als atmosferische drukmetingen die worden gegeven in weerberichten of waterdruk in het verwarmingssysteem van je huis, als je natuurkunde studeert, de details echt er toe doen. Door de precieze definitie van druk te leren, begrijpt u de belangrijkste concepten met betrekking tot gassen, thermodynamica, drijfvermogen en nog veel meer.

Druk wordt eenvoudig gedefinieerd als dehoeveelheid kracht per oppervlakte-eenheid. Het belangrijkste punt wanneer u druk probeert te begrijpen, is na te denken over wat er op atomair niveau gebeurt in een vloeistof of gas onder hoge druk. De samenstellende moleculen zijn constant in beweging, en dit betekent dat ze de hele tijd tegen de wanden van de container stoten. Hoe meer ze bewegen (door hogere temperaturen), hoe meer ze tegen de wanden van de container botsen en hoe hoger de druk.

De definitie verandert dit algemene beeld eenvoudig in een duidelijke, fysieke definitie. Elke keer dat een molecuul de zijkant van een container raakt, oefent het er een kracht uit, en de som van deze krachten voor een klein deel van het inwendige is de totale druk. De handigste manier om dit te doen, is door een gebied te kiezen dat één "eenheid" in het kwadraat is in het door u gekozen meetsysteem, wat "per oppervlakte-eenheid" betekent in de definitie.

Wiskundig kun je druk definiëren als:

WaarPis druk,Fis de kracht op het oppervlak enEENis gebied.

De SI-eenheid van druk is dePascal (Pa), waarbij 1 Pa = 1 N/m², d.w.z. één Newton per vierkante meter. De Newton is de eenheid van kracht, dus het is gemakkelijk te zien dat de Pascal voldoet aan de eisen voor een eenheid van druk. De Pascal is echter een vrij kleine eenheid voor zaken als atmosferische druk, dus er zijn ook nogal wat alternatieven in gebruik. Een van de eenvoudigste manieren om dit te doen, is door simpelweg kPa (d.w.z. kilopascal of duizenden pascals) te gebruiken, maar er zijn ook andere opties.

De meest bekende alternatieve eenheid is:pond per vierkante inch (psi), die in de VS wordt gebruikt voor zaken als waterdruk. Voor atmosferische druk wordt vaak de toepasselijke naam "atmosferen" (atm) gebruikt, omdat 1 atm overeenkomt met atmosferische druk op zeeniveau. De torr is een alternatieve eenheid die wordt gebruikt voor atmosferische druk, die wordt gedefinieerd als 1/760 van een atmosfeer, ofwel 133,3 Pa. In de meteorologie worden vaak millibars gebruikt, waarbij 1 bar = 100.000 Pa en 1 millibar = 100Pa.

Ten slotte zijn er nog meer ongebruikelijke eenheden voor druk, waaronder millimeter kwik (mmHg), die wordt gedefinieerd op basis van de druk die wordt uitgeoefend door een 1 mm hoge kwikkolom en wordt vaak gebruikt voor bloed druk.

Dit was oorspronkelijk de bedoeling van de torr, en dus zou het niet zo'n verrassing moeten zijn dat de twee dat zijn in wezen hetzelfde: 1 mmHg = 133,322 Pa. Ten slotte wordt in sommige gevallen druk gemeten als een waarde in dyne per vierkant centimeter. Hier is de dyne een eenheid van kracht met 1 dyne = 0,00001 Newton, en dus is 1 dyne per vierkante centimeter gelijk aan 0,1 Pa.

Atmosferische druk op zeeniveau is gelijk aan 1 atmosfeer, of ongeveer 101.325 Pa. Dit is areusachtigwaarde - het is meer dan de zwaartekracht op 10.000 kg materie, die op je druktaltijd. De druk is in wezen precies dit, maar de zaak is eigenlijk de lucht: druk wordt letterlijk veroorzaakt door het gewicht van de lucht die over het aardoppervlak naar beneden drukt.

Dit lijkt misschien vreemd omdat je nooitmerk opatmosferische druk, ook al is het zo enorm, maar je bent in deze omgeving geëvolueerd, en dus merk je het niet. Er is een mate van druk die hier ook rekening mee houdt, genaamdoverdruk. Dit is het drukverschil tussen de absolute druk (d.w.z. de totale druk) en de atmosferische druk.

Als u bijvoorbeeld een volledig lekke band op uw auto heeft, zou deze nul aangeven wanneer u een meter aansluit. Er is echterluchtin de band die op atmosferische druk staat; het is alleen dat deze informatie niet echt relevant is als je geïnteresseerd bent in de vraag of iets als een autoband de juiste druk heeft. Er is nog steeds absolute druk, maar in dit geval (en vele andere) is de manometerdruk echt wat je moet weten.

Waterdruk is een van de meest bekende vormen van druk in het dagelijks leven, maar dan in een hydrostatische situatie (een waar het water niet stroomt), de druk werkt anders dan bij uw waterverwarming systeem. Dit is echter een interessante situatie om naar te kijken wanneer je voor het eerst over druk leert, omdat de druk in een situatie als deze afhangt van de diepte.

De druk (P) op elke diepte (d) wordt gegeven door de vergelijking:

Waarρ(“rho”) is de dichtheid van de vloeistof engis de versnelling als gevolg van de zwaartekracht (op aarde,g= 9,81 m/s²). De dichtheid van water bij 20 °C isρ= 998 kg/m³, maar over het algemeen zijn de berekeningen sterk vereenvoudigd als je uitgaat van een temperatuur van 4 °C, waarbijρ= 1000 kg/m³ of 1 g/cm³. Dus als u de waterdruk op een diepte van 25 m berekent, geeft de vergelijking het volgende weer:

Een barometer is een apparaat voor het meten van de atmosferische druk (soms barometrische druk genoemd) dat werkt met behulp van een kwikkolom. Een buis met kwik - aan één uiteinde open - wordt omgekeerd en in een reservoir geplaatst dat ook kwik bevat. Wanneer het is opgesteld, staat het reservoir open naar de atmosfeer, maar het kwik in de buis staat alleen in contact met het reservoir en het proces van het omkeren van de buis creëert een vacuüm in de bovenkant.

De barometer meet de druk omdat de kracht als gevolg van atmosferische druk (in feite het gewicht) van de lucht) duwt het kwik in het reservoir naar beneden en duwt daardoor het kwik in de buis omhoog.

Als de kwikkolom een ​​even grote naar beneden gerichte kracht creëert (de waterdrukvergelijking uit de vorige paragraaf beschrijft de oorsprong van deze kracht), zal er geen verandering zijn, maar als de luchtdruk hoger is, zal het kwikgehalte in de buis met een overeenkomstige hoeveelheid moeten toenemen om de krachten. Na het kalibreren van de weegschaal kan dit eenvoudige systeem gebruikt worden om de luchtdruk te meten.

Er zijn nog andere voorbeelden van druk die u uit het dagelijks leven kent, waaronder bloeddruk. Dit is de (meet)druk die wordt gecreëerd door uw hart dat bloed door uw lichaam pompt, en dit wordt gemeten in mmHg (millimeters van kwik), en u hebt twee waarden: systolisch voor de druk wanneer uw hart naar buiten duwt en diastolisch voor de druk tussen slaat. Natuurlijk is de druk tijdens beats het hoogste aantal van de twee, en tussen 90/60 mmHg en 120/80 mmHg wordt als ideaal beschouwd.

Luchtdruk is ook een cruciaal concept in de meteorologie, die de posities en bewegingen van hogedruk- en lagedruksystemen in kaart brengt om veranderingen in het weer te voorspellen. Door de relatie tussen atmosferische druk en temperatuur, en wat er gebeurt als een lagedruksysteem een hogedrukgebied ontmoet, voorspellen meteorologen de temperaturen en zaken als wind in verschillende regio's.