Давление (физика): определение, единицы, формулы и примеры

Давление - одно из важнейших понятий физики. Хотя вы, несомненно, получите некоторое представление о том, что такое давление, по показаниям атмосферного давления, приведенным в прогнозы погоды или давление воды в системе отопления вашего дома, когда вы изучаете физику, детали действительно иметь значение. Изучение точного определения давления поможет вам понять ключевые концепции, связанные с газами, термодинамикой, плавучестью и многим другим.

Давление просто определяется какколичество силы на единицу площади. Ключевой момент, когда вы пытаетесь понять давление, - это думать о том, что происходит на атомном уровне в жидкости или газе при высоком давлении. Составляющие молекулы постоянно перемещаются, а это означает, что они все время натыкаются на стенки контейнера. Чем больше они двигаются (из-за более высоких температур), тем сильнее они ударяются о стенки контейнера и тем выше давление.

Таким образом, определение просто превращает эту общую картину в четкое физическое определение. Каждый раз, когда молекула ударяется о стенку контейнера, она передает на него силу, и сумма этих сил для небольшого участка внутренней части является общим давлением. Самый удобный способ сделать это - выбрать площадь, которая равна одной «единице» в квадрате в выбранной вами системе измерения, что и означает «на единицу площади» в определении.

Математически вы можете определить давление как:

Гдепэто давление,Fсила на поверхности иАэто площадь.

Единицей давления в системе СИ являетсяПаскаль (Па), где 1 Па = 1 Н / м², то есть один Ньютон на квадратный метр. Ньютон - это единица силы, поэтому легко увидеть, что Паскаль соответствует требованиям к единице давления. Однако Паскаль - довольно маленький прибор для таких вещей, как атмосферное давление, поэтому существует довольно большое количество альтернатив. Один из самых простых способов сделать это - просто использовать кПа (то есть килопаскали или тысячи паскалей), но есть и другие варианты.

Самая известная альтернативная единица -фунтов на квадратный дюйм (psi), который используется в США для таких вещей, как давление воды. Для атмосферного давления часто используется единица с соответствующим названием «атмосферы» (атм), поскольку 1 атм соответствует атмосферному давлению на уровне моря. Торр - это альтернативная единица измерения атмосферного давления, которая определяется как 1/760 от атмосферы, или 133,3 Па. В метеорологии часто используются миллибары, где 1 бар = 100000 Па и 1 миллибар = 100 Па.

Наконец, есть еще более необычные единицы измерения давления, в том числе миллиметры ртутного столба (мм рт. определяется на основе давления, оказываемого столбом ртути высотой 1 мм и часто используется для крови давление.

Первоначально это было намерением torr, поэтому неудивительно, что они практически то же самое: 1 мм рт. ст. = 133,322 Па. Наконец, в некоторых случаях давление измеряется в динах на квадрат. сантиметр. Здесь дин - это единица силы с 1 дин = 0,00001 Ньютон, поэтому 1 дин на квадратный сантиметр равен 0,1 Па.

Атмосферное давление на уровне моря равно 1 атмосфере, или около 101325 Па.огромныйценность - это больше, чем сила тяжести на 10 000 кг материи, давящая на васвсе время. Давление, по сути, именно такое, но на самом деле дело в воздухе: давление буквально вызывается весом воздуха, толкающего вниз по поверхности Земли.

Это может показаться странным, потому что вы никогда неуведомлениеатмосферное давление, даже если оно такое огромное, но вы эволюционировали в этой среде, и поэтому не замечаете этого. Это также учитывается мера давления, называемаяманометрическое давление. Это разница между абсолютным давлением (т. Е. Полным давлением) и атмосферным давлением.

Например, если у вас полностью спустила шина вашего автомобиля, когда вы подключите датчик, он покажет ноль. Однако естьвоздухавнутри шины, находящейся под атмосферным давлением; просто эта информация не совсем актуальна, когда вас интересует, находится ли какое-нибудь изделие, например автомобильная шина, должным образом герметизировано. По-прежнему существует абсолютное давление, но в этом случае (и во многих других) манометрическое давление - это действительно то, что вам нужно знать.

Напор воды - одна из самых распространенных форм давления в повседневной жизни, но в гидростатической ситуации. (там, где вода не течет), давление работает иначе, чем в вашем водонагревателе. система. Однако это интересная ситуация, на которую стоит обратить внимание, когда вы впервые узнаете о давлении, потому что давление в такой ситуации зависит от глубины.

Давление (п) на любой глубине (d) задается уравнением:

Гдеρ(«Ро») - это плотность жидкости играммускорение свободного падения (на Земле,грамм= 9,81 м / с²). Плотность воды при 20 ° C составляетρ= 998 кг / м³, но в целом расчеты значительно упрощаются, если принять температуру 4 ° C, гдеρ= 1000 кг / м³ или 1 г / см³. Итак, если вы рассчитываете давление воды на глубине 25 м, уравнение показывает:

Барометр - это устройство для измерения атмосферного давления (иногда называемого барометрическим давлением), которое работает с использованием столбика ртути. Трубку со ртутью, открытую с одного конца, переворачивают и помещают в резервуар, который также содержит ртуть. Когда он установлен, резервуар открыт для атмосферы, но ртуть в трубке контактирует только с резервуаром, а процесс переворачивания трубки создает вакуум в верхней части.

Барометр измеряет давление, потому что сила атмосферного давления (в основном вес воздуха) давит на ртуть в резервуаре и тем самым выталкивает ртуть в трубку вверх.

Если столб ртути создает такую ​​же большую силу, направленную вниз (уравнение давления воды из предыдущего раздела описывает происхождение этого силы), изменений не произойдет, но если давление воздуха будет выше, уровень ртути в трубке должен будет увеличиться на соответствующую величину, чтобы сбалансировать силы. После калибровки шкалы эту простую систему можно использовать для измерения давления воздуха.

Есть и другие примеры давления, с которыми вы также будете знакомы из повседневной жизни, в том числе артериальное давление. Это (манометрическое) давление, создаваемое вашим сердцем, перекачивающим кровь по вашему телу, и измеряется в мм рт. ртути), и у вас есть два показания: систолическое для давления, когда ваше сердце выходит наружу, и диастолическое для давления между ударов. Конечно, давление во время сокращений - это большее число из двух, и идеальным считается значение от 90/60 мм рт. Ст. До 120/80 мм рт. Ст.

Атмосферное давление также является важным понятием в метеорологии, которая отображает положения и движения систем высокого и низкого давления для прогнозирования изменений погоды. Через взаимосвязь между атмосферным давлением и температурой и то, что происходит, когда система низкого давления соответствует системе высокого давления, метеорологи предсказывают температуру и такие явления, как ветер, в разных регионах.