ความดัน (ฟิสิกส์): นิยาม หน่วย สูตร & ตัวอย่าง

ความกดดันเป็นหนึ่งในแนวคิดที่สำคัญที่สุดในวิชาฟิสิกส์ ในขณะที่คุณไม่ต้องสงสัยเลยว่าความกดดันมาจากสิ่งต่างๆ เช่น การอ่านค่าความดันบรรยากาศใน รายงานสภาพอากาศหรือแรงดันน้ำในระบบทำความร้อนในบ้านของคุณ เมื่อคุณเรียนฟิสิกส์ รายละเอียดจริงๆ เรื่อง. การเรียนรู้คำจำกัดความที่แม่นยำของความดันจะช่วยให้คุณเข้าใจแนวคิดหลักที่เกี่ยวข้องกับก๊าซ อุณหพลศาสตร์ การลอยตัว และอื่นๆ อีกมากมาย

ความดันถูกกำหนดอย่างง่าย ๆ ว่าปริมาณแรงต่อหน่วยพื้นที่. จุดสำคัญเมื่อคุณพยายามทำความเข้าใจแรงกดดันคือการคิดถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับอะตอมในของเหลวหรือก๊าซที่ความดันสูง โมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบจะเคลื่อนที่ไปรอบๆ ตลอดเวลา ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะชนเข้ากับผนังของภาชนะตลอดเวลา ยิ่งพวกมันเคลื่อนที่มากขึ้น (เนื่องจากอุณหภูมิที่สูงขึ้น) พวกมันก็จะยิ่งชนเข้ากับผนังของภาชนะและแรงดันยิ่งสูงขึ้น

คำจำกัดความเพียงแค่เปลี่ยนภาพทั่วไปนี้เป็นคำจำกัดความทางกายภาพที่ชัดเจน ทุกครั้งที่โมเลกุลกระทบด้านข้างของภาชนะ มันจะส่งแรงไปใส่โมเลกุลนั้น และผลรวมของแรงเหล่านี้สำหรับส่วนเล็กๆ ภายในคือแรงดันรวม วิธีที่สะดวกที่สุดในการทำเช่นนี้คือการเลือกพื้นที่ที่มี "หน่วย" กำลังสองในระบบการวัดที่คุณเลือก ซึ่งหมายถึง "ต่อหน่วยพื้นที่" ในคำจำกัดความ

ในทางคณิตศาสตร์ คุณสามารถกำหนดความดันได้ดังนี้:

ที่ไหนพีคือความกดดันFคือแรงบนพื้นผิวและอาเป็นพื้นที่

หน่วยความดัน SI คือปาสกาล (ปาสกาล)โดยที่ 1 Pa = 1 N/m²คือ 1 นิวตันต่อตารางเมตร นิวตันเป็นหน่วยของแรง ดังนั้นจึงง่ายที่จะเห็นว่า Pascal ตรงตามข้อกำหนดสำหรับหน่วยของแรงกด อย่างไรก็ตาม Pascal นั้นค่อนข้างเล็กสำหรับสิ่งต่าง ๆ เช่นความดันบรรยากาศ ดังนั้นจึงมีทางเลือกจำนวนมากเช่นกัน วิธีที่ง่ายที่สุดวิธีหนึ่งคือใช้ kPa (เช่น กิโลปาสกาลหรือปาสกาลนับพัน) แต่มีตัวเลือกอื่นด้วย

หน่วยทางเลือกที่รู้จักกันดีที่สุดคือปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi)ซึ่งใช้ในอเมริกา เช่น แรงดันน้ำ สำหรับความดันบรรยากาศ มักใช้หน่วยที่มีชื่อเหมาะสมว่า "บรรยากาศ" (atm) เนื่องจาก 1 atm สอดคล้องกับความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเล ทอร์เป็นหน่วยทางเลือกที่ใช้สำหรับความกดอากาศซึ่งถูกกำหนดเป็น 1/760 ของ an บรรยากาศ หรือ 133.3 Pa ในอุตุนิยมวิทยา มักใช้มิลลิบาร์ โดย 1 bar = 100,000 Pa และ 1 millibar = 100 ป.

สุดท้าย มีหน่วยความดันที่ผิดปกติมากกว่านั้น รวมทั้งมิลลิเมตรปรอท (mmHg) ซึ่ง ถูกกำหนดตามความดันที่เกิดจากคอลัมน์ปรอทสูง 1 มม. และมักใช้สำหรับเลือด ความดัน.

เดิมเป็นความตั้งใจของทอร์ ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่ทั้งสองจะเป็น โดยพื้นฐานแล้วเหมือนกัน: 1 mmHg = 133.322 Pa ในที่สุด ในบางกรณีความดันถูกวัดเป็นค่าในไดน์ต่อตาราง เซนติเมตร. ในที่นี้ ไดน์เป็นหน่วยของแรงที่มี 1 ไดน์ = 0.00001 นิวตัน ดังนั้น 1 ไดน์ต่อตารางเซนติเมตรจึงเท่ากับ 0.1 Pa

ความกดอากาศที่ระดับน้ำทะเลเท่ากับ 1 บรรยากาศ หรือประมาณ 101,325 Pa ได้ค่า aใหญ่โตค่า – มากกว่าแรงโน้มถ่วงของสสาร 10,000 กก. ดันลงมาที่คุณ onตลอดเวลา. ความดันเป็นเพียงสิ่งนี้ แต่ความจริงแล้วคืออากาศ ความดันนั้นแท้จริงแล้วเกิดจากน้ำหนักของอากาศที่ผลักลงมาเหนือพื้นผิวโลก

นี่อาจดูแปลกเพราะเธอไม่เคยประกาศความดันบรรยากาศแม้ว่าจะมีมวลมาก แต่คุณก็มีวิวัฒนาการในสภาพแวดล้อมนี้ ดังนั้นคุณจึงไม่สังเกตเห็น มีการวัดความดันที่คำนึงถึงสิ่งนี้ด้วยเรียกว่าเกจวัดความดัน. นี่คือความแตกต่างของความดันระหว่างความดันสัมบูรณ์ (เช่น ความดันรวม) กับความดันบรรยากาศ

ตัวอย่างเช่น หากคุณมียางรถยนต์ที่แบนราบโดยสมบูรณ์ เมื่อคุณต่อเกจ มันจะอ่านค่าศูนย์ อย่างไรก็ตาม มีอากาศภายในยางที่มีความดันบรรยากาศ เป็นเพียงว่าข้อมูลนี้ไม่เกี่ยวข้องจริงๆ เมื่อคุณสนใจว่าบางอย่างเช่นยางรถยนต์ได้รับแรงดันอย่างเหมาะสมหรือไม่ ยังมีแรงกดดันอยู่จริง แต่ในกรณีนี้ (และอื่น ๆ อีกมากมาย) ความดันเกจเป็นสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้จริงๆ

แรงดันน้ำเป็นรูปแบบหนึ่งที่คุ้นเคยมากที่สุดในชีวิตประจำวัน แต่ในสถานการณ์ที่หยุดนิ่ง (บริเวณที่น้ำไม่ไหล) แรงดันจะทำงานแตกต่างไปจากการทำน้ำร้อนของคุณ ระบบ. อย่างไรก็ตาม นี่เป็นสถานการณ์ที่น่าสนใจเมื่อคุณเรียนรู้เกี่ยวกับแรงกดดันเป็นครั้งแรก เนื่องจากความกดดันในสถานการณ์เช่นนี้ขึ้นอยู่กับความลึก

ความดัน (พี) ที่ความลึกใดๆ (d) ถูกกำหนดโดยสมการ:

ที่ไหนρ(“rho”) คือความหนาแน่นของของเหลวและgคือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (บนโลกg= 9.81 ม./วินาที²). ความหนาแน่นของน้ำที่ 20 °C คือρ= 998 กก./ม.³แต่โดยทั่วไปแล้ว การคำนวณจะง่ายขึ้นอย่างมากหากคุณตั้งอุณหภูมิไว้ที่ 4 °C โดยที่ρ= 1,000 กก./ลบ.ม³ หรือ 1 กรัม/ซม.³. ดังนั้น หากคุณกำลังคำนวณแรงดันน้ำที่ความลึก 25 ม. สมการจะแสดงดังนี้:

บารอมิเตอร์เป็นอุปกรณ์สำหรับวัดความดันบรรยากาศ (บางครั้งเรียกว่าความดันบรรยากาศ) ที่ทำงานโดยใช้คอลัมน์ปรอท หลอดที่มีปรอทซึ่งเปิดอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งจะกลับด้านและวางไว้ในอ่างเก็บน้ำที่มีปรอทอยู่ด้วย เมื่อติดตั้งแล้ว อ่างเก็บน้ำจะเปิดออกสู่บรรยากาศ แต่ปรอทในท่อจะสัมผัสกับอ่างเก็บน้ำเท่านั้น และกระบวนการพลิกกลับท่อจะสร้างสุญญากาศที่ด้านบน

บารอมิเตอร์วัดความดันเนื่องจากแรงที่เกิดจากความดันบรรยากาศ (โดยทั่วไปคือน้ำหนัก ของอากาศ) ดันปรอทในอ่างเก็บน้ำลงแล้วจึงดันปรอทลงในท่อ ขึ้น

หากคอลัมน์ปรอทสร้างแรงขนาดใหญ่เท่ากันที่พุ่งลงด้านล่าง (สมการแรงดันน้ำจากส่วนก่อนหน้าจะอธิบายที่มาของสิ่งนี้ แรง) จะไม่มีการเปลี่ยนแปลง แต่ถ้าความกดอากาศสูงขึ้น ระดับปรอทในท่อจะต้องเพิ่มขึ้นตามปริมาณที่เท่ากันเพื่อให้สมดุล กองกำลัง. หลังจากปรับเทียบมาตราส่วนแล้ว สามารถใช้ระบบง่ายๆ นี้เพื่อวัดความดันอากาศได้

มีตัวอย่างอื่นๆ ของแรงกดดันที่คุณคุ้นเคยจากชีวิตประจำวันด้วย เช่น ความดันโลหิต นี่คือความดัน (เกจ) ที่สร้างขึ้นโดยหัวใจของคุณสูบฉีดเลือดไปทั่วร่างกาย และนี่คือหน่วยวัดในหน่วย mmHg (มิลลิเมตร ปรอท) และคุณมีการอ่านสองค่า: systolic สำหรับความดันเมื่อหัวใจของคุณดันออกและ diastolic สำหรับความดันระหว่าง เต้น แน่นอน ความกดดันระหว่างจังหวะคือจำนวนที่สูงกว่าของทั้งสอง และระหว่าง 90/60 mmHg และ 120/80 mmHg ถือว่าเหมาะสมที่สุด

ความกดอากาศยังเป็นแนวคิดที่สำคัญในอุตุนิยมวิทยา ซึ่งจะทำแผนที่ตำแหน่งและการเคลื่อนที่ของระบบความกดอากาศสูงและความดันต่ำเพื่อคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศ ผ่านความสัมพันธ์ระหว่างความกดอากาศกับอุณหภูมิ และเกิดอะไรขึ้นเมื่อระบบความกดอากาศต่ำ เป็นไปตามระบบความกดอากาศสูง นักอุตุนิยมวิทยาทำนายอุณหภูมิและสิ่งต่างๆ เช่น ลมในบริเวณต่างๆ