Тиск (фізика): визначення, одиниці виміру, формула та приклади

Тиск - одне з найважливіших понять у фізиці. Хоча ви, безсумнівно, будете мати уявлення про те, що таке тиск від таких речей, як показання атмосферного тиску, подані в погодні звіти або тиск води в опалювальній системі вашого будинку, коли ви вивчаєте фізику, подробиці насправді матерія. Вивчення точного визначення тиску допомагає зрозуміти ключові поняття, пов’язані з газами, термодинамікою, плавучістю та багатьма іншими.

Тиск просто визначається яккількість сили на одиницю площі. Ключовим моментом, коли ви намагаєтеся зрозуміти тиск, є думка про те, що відбувається на атомному рівні в рідині чи газі під високим тиском. Складові молекули постійно рухаються, і це означає, що вони постійно врізаються в стінки контейнера. Чим більше вони рухаються (через більш високі температури), тим більше вони врізаються в стінки контейнера і тим вищий тиск.

Тоді визначення просто перетворює цю загальну картину на чітке, фізичне визначення. Кожного разу, коли молекула вдаряється об бік контейнера, вона надає на нього сили, і сума цих сил для невеликої ділянки всередині є загальним тиском. Найзручніший спосіб зробити це - вибрати площу, яка дорівнює одній “одиниці” у квадраті у вибраній вами системі вимірювання, що означає „на одиницю площі” у визначенні.

Математично ти можеш визначити тиск як:

ДеPце тиск,F- сила на поверхню іA- це площа.

Одиницею тиску SI єПаскаль (Па), де 1 Па = 1 Н / м², тобто один Ньютон на квадратний метр. Ньютон - це одиниця сили, тому легко зрозуміти, що Паскаль відповідає вимогам щодо одиниці тиску. Однак Паскаль є досить малою одиницею для таких речей, як атмосферний тиск, тому існує досить велика кількість альтернатив, які також використовуються. Один з найпростіших способів це зробити - просто використовувати кПа (тобто кілопаскаль або тисячі паскалів), але є й інші варіанти.

Найвідомішою альтернативною одиницею єфунтів на квадратний дюйм (psi), який використовується в США для таких речей, як тиск води. Для атмосферного тиску часто використовують відповідну назву одиниці «атмосфери» (атм), оскільки 1 атм відповідає атмосферному тиску на рівні моря. Торр - це альтернативна одиниця виміру, що використовується для атмосферного тиску, яка визначається як 1/760 ан атмосфери, або 133,3 Па. У метеорології часто використовують мілібари, де 1 бар = 100 000 Па і 1 мілібар = 100 Па.

Нарешті, є ще більш незвичайні одиниці вимірювання тиску, включаючи міліметри ртутного стовпа (мм рт. Ст.), Які визначається на основі тиску, який чинить стовпчик ртуті заввишки 1 мм, і часто використовується для крові тиску.

Спочатку це було задумом торра, і тому не повинно бути настільки несподіваним, що це двоє по суті однаковий: 1 мм рт.ст. = 133,322 Па. Нарешті, в деяких випадках тиск вимірюється як величина в дині на квадрат сантиметр. Тут дин - це одиниця сили з 1 дином = 0,00001 ньютонів, і тому 1 дин на квадратний сантиметр дорівнює 0,1 Па.

Атмосферний тиск на рівні моря дорівнює 1 атмосфері, або близько 101 325 Па. Це aвеличезнийзначення - це більше сили тяжіння на 10000 кг речовини, що штовхає на васвесь час. Тиск - це, по суті, саме це, але справа насправді в повітрі: тиск буквально обумовлений вагою повітря, що штовхає вниз над поверхнею Землі.

Це може здатися дивним, бо ніколиповідомленняатмосферний тиск, хоч він і такий масивний, але ви еволюціонували в цьому середовищі, і тому ви цього не помічаєте. Існує міра тиску, яка враховує це, теж називаєтьсяманометричний тиск. Це різниця тисків між абсолютним тиском (тобто загальним тиском) та атмосферним тиском.

Наприклад, якщо на вашому автомобілі повністю спущена шина, при підключенні манометра він буде читати нуль. Однак єповітрявсередині шини з атмосферним тиском; просто ця інформація насправді не актуальна, коли вас цікавить, чи є щось на зразок автомобільної шини відповідним тиском. Все ще існує абсолютний тиск, але в цьому випадку (і багатьох інших) манометричний тиск - це справді те, що вам потрібно знати.

Тиск води - одна з найбільш звичних форм тиску в повсякденному житті, але в гідростатичній ситуації (такий, де вода не тече), тиск працює інакше, як у вашому нагріванні води система. Однак на цю цікаву ситуацію можна поглянути, коли ви вперше дізнаєтесь про тиск, оскільки тиск у такій ситуації залежить від глибини.

Тиск (P) на будь-якій глибині (d) задається рівнянням:

Деρ(“Rho”) - щільність рідини іg- прискорення завдяки силі тяжіння (на Землі,g= 9,81 м / с²). Щільність води при 20 ° С становитьρ= 998 кг / м³, але загалом обчислення значно спрощуються, якщо припустити температуру 4 ° C, деρ= 1000 кг / м³ або 1 г / см³. Отже, якщо ви розраховуєте тиск води на глибині 25 м, рівняння показує:

Барометр - це прилад для вимірювання атмосферного тиску (який іноді називають барометричним тиском), який працює за допомогою колонки ртуті. Трубка, що містить ртуть - відкрита на одному кінці - перевертається і поміщається у резервуар, який також містить ртуть. Коли він встановлений, резервуар відкритий для атмосфери, але ртуть у трубці контактує лише з резервуаром, і процес перевертання трубки створює вакуум у верхній частині.

Барометр вимірює тиск, оскільки сила, зумовлена ​​атмосферним тиском (в основному вага повітря) штовхає ртуть у резервуарі і тим самим штовхає ртуть у трубці вгору.

Якщо стовп ртуті створює однаково велику силу, спрямовану вниз (рівняння тиску води з попереднього розділу описує походження цього сили), змін не буде, але якщо тиск повітря буде вищим, рівень ртуті в трубці доведеться збільшити на відповідну величину, щоб збалансувати сили. Після калібрування шкали цю просту систему можна використовувати для вимірювання тиску повітря.

Є й інші приклади тиску, з якими ви також будете знайомі з повсякденного життя, зокрема кров’яний тиск. Це (манометричний) тиск, створюваний вашим серцем, що накачує кров навколо вашого тіла, і це вимірюється в мм рт. Ст. (Міліметри ртуті), і у вас є два показники: систолічний для тиску, коли серце виштовхується, та діастолічний для тиску між ударів. Звичайно, тиск під час ударів є більшим числом двох, і ідеальним вважається між 90/60 мм рт.ст. та 120/80 мм рт.ст.

Тиск повітря також є ключовим поняттям у метеорології, яке відображає положення та рухи систем високого тиску та низького тиску для прогнозування змін погоди. Через взаємозв'язок між атмосферним тиском і температурою і тим, що відбувається, коли система низького тиску відповідає системі високого тиску, метеорологи прогнозують температуру та такі речі, як вітер у різних регіонах.