Vloeistofdrukmateriaal
In fisika word druk gedefinieer as krag per eenheidsoppervlakte, waar die rigting van die krag loodreg op die oppervlakte is. Wiskundig word druk uitgedruk deur die vergelyking P = F/A, waar P = druk, F = krag en A = oppervlakte. Die eenheid van krag (F) is Newton (N), die eenheid van oppervlakte is vierkante meter (m² ) . Aangesien druk krag per eenheidsoppervlakte is, is die eenheid van druk N/m² . 'n Ander naam vir N/m² is pascal (Pa). Pascal word as 'n eenheid van druk gebruik ter ere van Blaise Pascal.
Wanneer 'n vloeistof in rus is, oefen dit 'n krag loodreg uit op die hele oppervlak waarmee dit in kontak is. Beskou byvoorbeeld water in 'n glas; elke gedeelte van die water oefen 'n krag loodreg uit op die glaswand. Daarom oefen elke gedeelte van die water 'n krag loodreg uit op elke eenheidsoppervlakte van die houer wat dit beset. Dit is 'n belangrike eienskap van 'n statiese vloeistof, 'n vloeistof in rus. Wanneer 'n vloeistof 'n krag op 'n oppervlak uitoefen, waar die krag nie loodreg is nie, sal die oppervlak 'n reaksiekrag uitoefen, ook nie loodreg nie. Dit sal veroorsaak dat die vloeistof vloei. In werklikheid bly die vloeistof egter in rus. Daarom, in 'n vloeistof in rus, is die krag altyd loodreg op die oppervlak van die houer wat dit beset.
Nog 'n belangrike eienskap van 'n vloeistof in rus is dat dit altyd druk in alle rigtings uitoefen. Om dit beter te verstaan, plaas 'n drywende voorwerp in 'n houer water. As die water heeltemal stilstaan, sal die voorwerp stilstaan omdat die druk wat op sy hele oppervlak uitgeoefen word, gelyk is. As die waterdruk ongelyk is, sal daar 'n netto krag wees wat die voorwerp sal laat beweeg.
Effek van diepte op druk
Hoe beïnvloed diepte of hoogte vloeistofdruk? Is die druk van seewater op 'n diepte van 10 meter dieselfde as die druk van seewater op 'n diepte van 100 meter? Kom ons kyk na die waterdruk in 'n houer soos in die figuur getoon. Die hoogte van die vloeistofkolom is h en die deursnee-area is A. Wat is die waterdruk aan die onderkant van die houer?
w = gewig van water, h = hoogte van die waterkolom in 'n silindriese houer, A = oppervlakarea en P is druk.
Inligting:
w = swaartekrag
ρ = digtheid
m = massa
g = versnelling as gevolg van swaartekrag
V = hA = volume van vloeistofkolom (h = hoogte, A = oppervlakte)
As ons dit in die drukvergelyking inpas, kry ons:
p = ρ gh → Vergelyking 1 (geslote houer)
p = pa + ρ gh → Vergelyking 2 (oop houer)
Inligting:
pa = Atmosferiese druk
ρ gh = Hidrostatiese druk
In die prentjie hierbo word atmosferiese druk nie uitgebeeld nie, maar in werklikheid, as die houer wat water bevat oop is, sal atmosferiese druk ook op die oppervlak van die water inwerk, wat afwaarts gerig is.
Gebaseer op die bostaande vergelyking, blyk dit dat druk direk eweredig is aan die digtheid en diepte van die vloeistof (gravitasieversnelling bly konstant). Soos die diepte van die vloeistof toeneem, neem die druk ook toe. Vloeistowwe is byna onsaampersbaar as gevolg van die gewig van die vloeistof bo hulle, dus bly die digtheid van die vloeistof konstant. As die hoogteverskil baie groot is (byvoorbeeld in baie diep seewater), wissel die digtheid effens. As die hoogteverskil egter nie te groot is nie, is die digtheid van die vloeistof in wese dieselfde of is die verskil so klein dat dit geïgnoreer kan word.
Ons kan ook die bogenoemde vergelyking gebruik om die drukverskil op verskillende dieptes te bereken. Die bogenoemde vergelyking kan herskryf word as:
Atmosferiese Druk
Wanneer ons onder water duik, word ons hele liggaam deur water omhul. Hoe dieper ons duik, hoe groter is die druk wat ons voel. Trouens, elke dag word ons ook deur die atmosfeer omhul, wat voortdurend op alle dele van ons liggaam druk, net soos wanneer ons onder water is. Net soos in seewater, kan die aarde se oppervlak vergelyk word met die "seebodem" van die atmosfeer. As dit waar is dat die atmosfeer ook te alle tye op alle dele van ons liggaam druk, waarom voel ons dit nie, asof ons op die bodem van die see is nie? Ons liggaam se selle handhaaf 'n interne druk wat amper dieselfde is as die eksterne druk. Dit is hoekom ons nie die gevolge van hierdie drukverskil voel nie.
Die aarde se atmosferiese druk verander ook met hoogte. Atmosferiese druk wissel egter effens van dié van vloeistowwe. Die verandering in digtheid van vloeistowwe is baie klein vir klein verskille in diepte, dus word aanvaar dat die digtheid van vloeistowwe dieselfde is. Dit verskil van die digtheid van die aarde se atmosfeer. Die digtheid van die aarde se atmosfeer wissel aansienlik met hoogte. Die digtheid van lug op verskillende hoogtes verskil, dus ons kan nie atmosferiese druk bereken met behulp van die vergelyking wat hierbo afgelei is nie. Verder is daar geen duidelike atmosferiese grens vanwaar hoogte gemeet kan word nie. Atmosferiese druk wissel ook met die weer. Om atmosferiese druk te bepaal, neem ons metings.
Drukmeting
Evangelista Torricelli (1608–1647), 'n student van Galileo, het in 1643 'n metode ontwikkel om atmosferiese druk te meet met behulp van sy kwikbarometer. Die barometer het bestaan uit 'n lang glasbuis gevul met kwik. Die kwikgevulde glasbuis is omgekeer in 'n bakkie wat ook met kwik gevul was.
Wanneer 'n glasbuis wat kwik bevat onderstebo gedraai word, is die punt van die buis nie met kwik gevul nie, dit bevat slegs kwikdamp waarvan die druk so klein is dat dit geïgnoreer word (p2 = 0). Op die oppervlak van die kwik in die plaat is daar atmosferiese druk wat afwaarts gerig is (die atmosfeer druk op die kwik in die plaat). Hierdie atmosferiese druk ondersteun die kolom kwik in die glasbuis. In die prentjie word atmosferiese druk gesimboliseer deur po Die grootte van atmosferiese druk kan bereken word deur die vergelyking te gebruik:
po = ρ gh
Gebaseer op die meetresultate, is die gemiddelde atmosferiese druk op seevlak 1,013 x 10 5 N/m 2 . Die grootte van die atmosferiese druk op seevlak word gebruik om 'n ander eenheid van druk te definieer, naamlik atm (atmosfeer). Dus 1 atm = 1,013 x 10 5 N/m 2 = 101,3 kPa (kPa = kilopascal). Nog 'n eenheid van druk is die bar (dikwels in meteorologie gebruik). 1 bar = 1,00 x 10 5 N/m 2 = 100 kPa.
Hoe word die atmosferiese drukwaarde hierbo verkry?
Die meting gebruik die beginsel wat Torricelli hierbo gedemonstreer het. Die hoogte van die kwikkolom wat gebruik word, is 76 cm (atmosferiese druk kan slegs 'n kwikkolom ondersteun wat slegs 76,0 cm hoog is), waar die temperatuur van die kwik wat gebruik word presies 0 is. oC en die grootte van die gravitasieversnelling is 9,8 m/s2Die digtheid van kwik in hierdie toestand is 13,6 x 103 kg / m3Atmosferiese druk:
Drukmeter
Daar is baie gereedskap wat gebruik word om druk te meet, insluitend die oopbuismanometer.
In 'n oopbuismanometer, waar die buis U-vormig is, is die buis gedeeltelik gevul met vloeistof (kwik of water). Die gemete druk hou verband met die verskil in die twee hoogtes van die vloeistowwe wat in die buis geplaas word. Die druk word bereken met behulp van die vergelyking:
Oor die algemeen word nie die produk van ρ gh bereken nie, maar die hoogte van die vloeistof (h), want druk word soms uitgedruk in millimeter kwik (mm hg) of millimeter water (mm H2O ) . Nog 'n naam vir mm hg is torr (ter nagedagtenis aan Evangelista Torricelli).
Behalwe manometers, is daar ook ander meetinstrumente, naamlik aneroïde barometers, beide meganies en elektries, insluitend banddrukmeters, ens. Die instrument wat deur Torricelli gebruik word om atmosferiese druk te meet, word ook 'n kwikbarometer genoem, waar 'n glasbuis met kwik gevul word en dan omgekeer word in 'n plaat wat ook kwik bevat.
Gegradeerde Druk, Meterdruk en Absolute Druk
Wanneer voertuigbande met lug gevul word, word 'n lugdrukmeter tipies gebruik. Dit verseker dat die banddruk nie te laag of te hoog is nie. Wanneer bande met lug gevul word, word slegs die lugdruk binne-in die band gemeet. Atmosferiese druk word nie in ag geneem nie. Nie net wanneer banddruk gemeet word nie, maar ook in die meeste ander drukmetings, word atmosferiese druk nie gemeet nie. Hierdie gemete druk word gemete druk genoem. So, wat is die verskil tussen hierdie en absolute druk?
Absolute druk = atmosferiese druk + gemete druk. Om absolute druk te kry, tel ons die gemete druk by die atmosferiese druk. Met ander woorde, absolute druk = totale druk. Wiskundig kan dit geskryf word as:
p = pa + p maatstaf
Byvoorbeeld, as die banddruk wat ons meet = 100 kPa is, dan is die absolute druk:
p = pa + p maatstaf
p = 101 kPa + 100 kPa
p = 201 kPa
Die absolute druk = 201 kPa.
Daar is nog 'n term: meterdruk, ook bekend as maatdruk. Maatdruk is die oortollige druk bo atmosferiese druk. Beskou byvoorbeeld motorfietsbanddruk. Wanneer 'n motorfietsband afgeblaas word, is die druk binne-in die band gelyk aan atmosferiese druk (Atmosferiese druk = 1,01 x 105 Pa = 101 kPa). Wanneer die band met lug gevul is, neem die banddruk natuurlik toe. Wanneer die banddruk 101 kPa oorskry, word die oortollige druk ook maatdruk genoem.
Voorbeeldvrae vir vloeistofdruk
Voorbeeldvraag 1:
'n Duikboot duik tot 'n diepte van 200 meter. Wat is die druk wat die duikboot ervaar?
die duik? g = 10 m/s2
Bespreking
Dit is bekend dat:
Diepte (h) = 200 m
Digtheid van seewater (ρ) = 1,03 x 103 kg / m3 = 1030 kg / m3 (sien digtheidstabel)
Atmosferiese druk (pa) = 1 atm = 1 x 105 N / m2 = 1 x 105 (Kg m/s2)/m2 = 1 x 105 kg/ms2
Versnelling as gevolg van swaartekrag (g) = 10 m/s2
Gevra: Druk
Antwoord:
Die houer is oop, dus word atmosferiese druk nie in die berekeninge ingesluit nie.
Voorbeeldvraag 2:
'n Waterreservoir van 10 meter hoog is gevul met water. As die oppervlak van die waterreservoir is
Gesluit, wat is die waterdruk onderaan die houer? g = 10 m/s2
Bespreking
Dit is bekend dat:
Hoogte (h) = 10 m
Digtheid van water (ρ) = 1,00 x 103 kg / m3 = 1000 kg / m3
Atmosferiese druk (pa) = 1 atm = 1 x 105 N / m2 = 1 x 105 (kg m/s2) / m2 = 1 x 105 kg/ms2
Versnelling as gevolg van swaartekrag (g) = 10 m/s2
Gevra: Druk
Antwoord:
Die houer is toe, dus word atmosferiese druk nie in die berekeninge ingesluit nie.
Voorbeeldvraag 3:
Die hoogte van die waterkolom (regs) = 50 cm, terwyl die hoogte van die ander vloeistofkolom (links) = 30 cm is. Wat is die digtheid van die ander vloeistof?
Bespreking
Dit is bekend dat:
Versnelling as gevolg van swaartekrag (g) = 10 m/s2
Watervlak (h1) = 50cm
Digtheid van water (ρ1) = 1,00 x 103 kg / m3 = 1000 kg / m3
Ander vloeistofhoogte (h2) = 30cm
Digtheid van ander vloeistowwe (ρ)2) =?
pa + ρ 1 gh 1 = pa + ρ 2 gh 2
Atmosferiese druk (Pa) en gravitasieversnelling (g) is dieselfde, dus kanselleer hulle mekaar.
Voorbeeldvraag 4:
Binne-in 'n glasbuis is daar 'n vloeistof van 10 cm hoog. Die waterdruk aan die onderkant van die buis is 1200 N/m².2As g = 10 m/s2Ignoreer lugdruk. Wat is die digtheid van die vloeistof?
A. 800 kg/m²3
B. 900 kg/m²3
C. 7 900 kg/m²3
D. 15 800 kg/m²3
E. 1300 kg/m²3
Bespreking:
Is bekend :
Ketinggian vloeistof (h) = 10 cm = 0,1 meter
Waterdruk (P) aan die basis van die buis = 1200 N/m2
Versnelling van Swaartekrag (g) = 10 m/s2
Gevra :
Digtheid vloeistof?
Jawab :
Digtheid die vloeistof is 1200 kg/m³3.
Die korrekte antwoord is D.
Voorbeeldvraag 5:
Kwik in gekoppelde vate het 'n oppervlakverskil van 3 cm. Die digtheid van kwik = 13,6 gr/cm3Die hoogte van die vloeistof in die buis aan die linkerkant is 10 cm. Wat is die digtheid van die vloeistof?
A. 800 kg/m²3
B. 1030 kg/m²3
C. 7 900 kg/m²3
D. 15 800 kg/m²3
E. 1360 kg/m²3
Bespreking:
Is bekend :
Hoogte (h) van Mercurius = 3 cm = 0,03 m
Digtheid van kwik = 13,6 gr/cm3 = 13600 kg / m3
Hoogte (h) van vloeistof = 10 cm = 0,1 m
Gevra :
Digtheid vloeistof?
Antwoord:
Die stelsel is in 'n toestand van statiese ewewig, daarom is die druk van die vloeistof (linkerbuis) = druk van die kwik (regterbuis)
Plug + Blvloeistof = Plug + Blkwik
Die lugdruk is dieselfde, daarom word dit uit die vergelyking uitgeskakel.
P vloeistof = P lug
Die korrekte antwoord is C.
