Tekanan bendalir

Bahan Tekanan Bendalir

Dalam fizik, tekanan ditakrifkan sebagai daya per unit luas, di mana arah daya adalah serenjang dengan luas permukaan. Secara matematik, tekanan dinyatakan oleh persamaan P = F/A, di mana P = tekanan, F = daya dan A = luas permukaan. Unit daya (F) ialah Newton (N), unit luas ialah meter persegi (m² ⁾ . Oleh kerana tekanan ialah daya per unit luas, unit tekanan ialah N/m² ^. Nama lain untuk N/m² ^ialah pascal (Pa). Pascal digunakan sebagai unit tekanan untuk menghormati Blaise Pascal.

Apabila bendalir dalam keadaan diam, ia mengenakan daya yang berserenjang dengan seluruh permukaan yang bersentuhan dengannya. Contohnya, pertimbangkan air di dalam gelas; setiap bahagian air mengenakan daya yang berserenjang dengan dinding kaca. Oleh itu, setiap bahagian air mengenakan daya yang berserenjang dengan setiap unit luas bekas yang didudukinya. Ini adalah sifat penting bendalir statik, bendalir yang diam. Apabila bendalir mengenakan daya pada permukaan, di mana daya itu tidak berserenjang, permukaan itu akan mengenakan daya tindak balas, juga tidak berserenjang. Ini akan menyebabkan bendalir mengalir. Walau bagaimanapun, pada hakikatnya, bendalir kekal dalam keadaan diam. Oleh itu, dalam bendalir yang diam, daya sentiasa berserenjang dengan permukaan bekas yang didudukinya.

Satu lagi sifat penting bendalir yang diam ialah ia sentiasa mengenakan tekanan ke semua arah. Untuk lebih memahami perkara ini, letakkan objek terapung di dalam bekas air. Jika air itu diam sepenuhnya, objek itu akan kekal pegun kerana tekanan yang dikenakan pada seluruh permukaannya adalah sama. Jika tekanan air tidak sama, akan terdapat daya bersih, yang akan menyebabkan objek itu bergerak.

Kesan kedalaman terhadap tekanan

Bagaimanakah kedalaman atau ketinggian mempengaruhi tekanan bendalir? Adakah tekanan air laut pada kedalaman 10 meter sama dengan tekanan air laut pada kedalaman 100 meter? Mari kita pertimbangkan tekanan air dalam sebuah bekas seperti yang ditunjukkan dalam rajah. Ketinggian turus cecair ialah h dan luas keratan rentasnya ialah A. Apakah tekanan air di bahagian bawah bekas?

w = berat air, h = tinggi turus air dalam bekas silinder, A = luas permukaan dan P ialah tekanan.

Penerangan:
w = graviti
ρ = ketumpatan
m = jisim
g = pecutan akibat graviti
V = hA = isipadu turus cecair (h = tinggi, A = luas permukaan)

Jika kita masukkan ke dalam persamaan tekanan, kita dapat:

p = ρ gh → Persamaan 1 (bekas tertutup)
p = pa + ρ gh → Persamaan 2 (bekas terbuka)

Penerangan:
pa = Tekanan atmosfera
ρ gh = Tekanan hidrostatik

Dalam gambar di atas, tekanan atmosfera tidak digambarkan, tetapi pada hakikatnya, jika bekas yang mengandungi air terbuka, tekanan atmosfera juga akan bertindak pada permukaan air, yang diarahkan ke bawah.

Berdasarkan persamaan di atas, nampaknya tekanan adalah berkadar terus dengan ketumpatan dan kedalaman cecair (pecutan graviti kekal malar). Apabila kedalaman cecair meningkat, tekanan juga meningkat. Cecair hampir tidak boleh dimampatkan disebabkan oleh berat cecair di atasnya, jadi ketumpatan cecair kekal malar. Jika perbezaan ketinggian sangat besar (contohnya, dalam air laut yang sangat dalam), ketumpatannya sedikit berbeza. Walau bagaimanapun, jika perbezaan ketinggian tidak terlalu besar, ketumpatan cecair pada asasnya sama atau perbezaannya sangat kecil sehingga boleh diabaikan.

Kita juga boleh menggunakan persamaan di atas untuk mengira perbezaan tekanan pada kedalaman yang berbeza. Persamaan di atas boleh ditulis semula sebagai:

Tekanan Atmosfera

Apabila kita menyelam di bawah air, seluruh badan kita diselubungi oleh air. Semakin dalam kita menyelam, semakin besar tekanan yang kita rasai. Malah, setiap hari kita juga diselubungi oleh atmosfera, yang sentiasa menekan semua bahagian badan kita, sama seperti ketika kita berada di bawah air. Sama seperti di air laut, permukaan Bumi boleh diibaratkan seperti "dasar laut" atmosfera. Jika benar atmosfera juga menekan semua bahagian badan kita sepanjang masa, mengapa kita tidak merasakannya, seolah-olah kita berada di dasar laut? Sel-sel badan kita mengekalkan tekanan dalaman yang hampir sama dengan tekanan luaran. Inilah sebabnya mengapa kita tidak merasakan kesan perbezaan tekanan ini.

Tekanan atmosfera Bumi juga berubah mengikut altitud. Walau bagaimanapun, tekanan atmosfera sedikit berbeza daripada tekanan cecair. Perubahan ketumpatan cecair adalah sangat kecil untuk perbezaan kedalaman yang kecil, jadi ketumpatan cecair dianggap sama. Ini berbeza daripada ketumpatan atmosfera Bumi. Ketumpatan atmosfera Bumi berbeza dengan ketara mengikut altitud. Ketumpatan udara pada altitud yang berbeza adalah berbeza, jadi kita tidak boleh mengira tekanan atmosfera menggunakan persamaan yang diperoleh di atas. Tambahan pula, tiada sempadan atmosfera yang jelas dari mana altitud boleh diukur. Tekanan atmosfera juga berbeza mengikut cuaca. Untuk menentukan tekanan atmosfera, kita mengambil ukuran.

Pengukuran Tekanan

Evangelista Torricelli (1608–1647), seorang pelajar Galileo, telah membangunkan kaedah untuk mengukur tekanan atmosfera pada tahun 1643 menggunakan barometer merkuri beliau. Barometer tersebut terdiri daripada tiub kaca panjang yang diisi dengan merkuri. Tiub kaca yang diisi dengan merkuri itu diterbalikkan dalam piring yang juga diisi dengan merkuri.

Apabila tiub kaca yang mengandungi merkuri diterbalikkan, hujung tiub itu tidak diisi dengan merkuri, ia hanya mengandungi wap merkuri yang tekanannya sangat kecil sehingga diabaikan (p₂ = 0). Pada permukaan merkuri dalam plat, terdapat tekanan atmosfera yang diarahkan ke bawah (atmosfera menekan merkuri dalam plat). Tekanan atmosfera ini menyokong turus merkuri dalam tiub kaca. Dalam gambar, tekanan atmosfera dilambangkan oleh p_o Magnitud tekanan atmosfera boleh dikira menggunakan persamaan:

p _o = ρ gh

Berdasarkan keputusan pengukuran, tekanan atmosfera purata di paras laut ialah 1,013 x 105 ^N /m2 ^. Magnitud tekanan atmosfera di paras laut digunakan untuk menentukan unit tekanan lain, iaitu atm (atmosfera). Jadi 1 atm = 1,013 x 105 ^N /m2 ⁼ 101,3 kPa (kPa = kilo pascal). Unit tekanan lain ialah bar (sering digunakan dalam meteorologi). 1 bar = 1,00 x 105 ^N /m2 ⁼ 100 kPa.

Bagaimanakah nilai tekanan atmosfera di atas diperoleh?
Pengukuran menggunakan prinsip yang ditunjukkan oleh Torricelli di atas. Ketinggian turus merkuri yang digunakan ialah 76 cm (tekanan atmosfera hanya boleh menyokong turus merkuri yang hanya setinggi 76,0 cm), di mana suhu merkuri yang digunakan adalah tepat 0. ^oC dan magnitud pecutan graviti ialah 9,8 m/s²Ketumpatan merkuri dalam keadaan ini ialah 13,6 x 10³ kg / m³Tekanan atmosfera:

Tolok tekanan

Terdapat banyak alat yang digunakan untuk mengukur tekanan, termasuk manometer tiub terbuka.

Dalam manometer tiub terbuka, di mana tiub berbentuk U, tiub tersebut sebahagiannya diisi dengan cecair (merkuri atau air). Tekanan yang diukur berkaitan dengan perbezaan dua ketinggian cecair yang dimasukkan ke dalam tiub. Tekanan dikira menggunakan persamaan:

Secara amnya, bukan hasil darab ρ gh yang dikira tetapi ketinggian cecair (h) kerana tekanan kadangkala dinyatakan dalam milimeter merkuri (mm hg) atau milimeter air (mm H ₂ O). Nama lain untuk mm hg ialah torr (sebagai memperingati Evangelista Torricelli).

Selain manometer, terdapat juga alat pengukur lain, iaitu barometer aneroid, baik mekanikal mahupun elektrik, termasuk tolok tekanan tayar, dan sebagainya. Alat yang digunakan oleh Torricelli untuk mengukur tekanan atmosfera juga dipanggil barometer merkuri, di mana tiub kaca diisi dengan merkuri dan kemudian diterbalikkan ke dalam plat yang juga mengandungi merkuri.

Tekanan Terkadar, Tekanan Tolok dan Tekanan Mutlak

Apabila mengisi tayar kenderaan dengan udara, tolok tekanan udara biasanya digunakan. Ini memastikan tekanan tayar tidak terlalu rendah atau terlalu tinggi. Apabila mengisi tayar dengan udara, hanya tekanan udara di dalam tayar yang diukur. Tekanan atmosfera tidak diambil kira. Bukan sahaja semasa mengukur tekanan tayar, tetapi juga dalam kebanyakan ukuran tekanan lain, tekanan atmosfera tidak diukur. Tekanan yang diukur ini dipanggil tekanan yang diukur. Jadi, apakah perbezaan antara tekanan ini dan tekanan mutlak?

Tekanan mutlak = tekanan atmosfera + tekanan yang diukur. Jadi untuk mendapatkan tekanan mutlak, kita menambah tekanan yang diukur kepada tekanan atmosfera. Dalam erti kata lain, tekanan mutlak = tekanan total. Secara matematik, ini boleh ditulis sebagai:

p = pa + p ukuran

Contohnya, jika tekanan tayar yang kita ukur = 100 kPa, maka tekanan mutlaknya ialah:
p = pa + p ukuran
p = 101 kPa + 100 kPa
p = 201 kPa
Tekanan mutlak = 201 kPa.

Terdapat istilah lain: tekanan tolok, juga dikenali sebagai tekanan tolok. Tekanan tolok ialah tekanan berlebihan di atas tekanan atmosfera. Contohnya, pertimbangkan tekanan tayar motosikal. Apabila tayar motosikal kempis, tekanan di dalam tayar sama dengan tekanan atmosfera (Tekanan atmosfera = 1,01 x 105 Pa = 101 kPa). Apabila tayar diisi dengan udara, tekanan tayar secara semula jadi meningkat. Apabila tekanan tayar melebihi 101 kPa, tekanan berlebihan juga dipanggil tekanan tolok.

Soalan Contoh Tekanan Bendalir

Contoh soalan 1:

Sebuah kapal selam menyelam ke kedalaman 200 meter. Berapakah tekanan yang dialami oleh kapal selam itu?
selaman itu? g = 10 m/s²
Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Kedalaman (j) = 200 m
Ketumpatan air laut (ρ) = 1,03 x 10³ kg / m³ = 1030 kg/m³ (lihat jadual ketumpatan)
Tekanan atmosfera (pa) = 1 atm = 1 x 10⁵ N / m² = 1 x 10⁵ (Kg m/s²)/m² = 1 x 10⁵ Kg/ms²
Pecutan akibat graviti (g) = 10 m/s²
Ditanya: Tekanan
Jawapan:

Bekas itu terbuka jadi tekanan atmosfera tidak termasuk dalam pengiraan.

Contoh soalan 2:

Sebuah takungan air setinggi 10 meter diisi dengan air. Jika permukaan takungan air itu
tertutup, apakah tekanan air di bahagian bawah bekas? g = 10 m/s²
Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Tinggi (t) = 10 m
Ketumpatan air (ρ) = 1,00 x 10³ kg / m³ = 1000 kg/m³
Tekanan atmosfera (pa) = 1 atm = 1 x 10⁵ N / m² = 1 x 10⁵ (kg m/s)²)/m² = 1 x 10⁵ Kg/ms²
Pecutan akibat graviti (g) = 10 m/s²
Ditanya: Tekanan
Jawapan:

Bekas itu ditutup jadi tekanan atmosfera tidak dimasukkan dalam pengiraan.

Contoh soalan 3:

Tinggi turus air (kanan) = 50 cm, manakala tinggi turus cecair yang satu lagi (kiri) = 30 cm. Berapakah ketumpatan cecair yang satu lagi?

Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Pecutan akibat graviti (g) = 10 m/s²
Paras air (j₁) = 50cm
Ketumpatan air (ρ₁) = 1,00 x 10³ kg / m³ = 1000 kg/m³
Ketinggian bendalir lain (h₂) = 30cm
Ketumpatan cecair lain (ρ₂) = ?

pa + ρ ₁ gh ₁ = pa + ρ ₂ gh ₂

Tekanan atmosfera (Pa) dan pecutan graviti (g) adalah sama, jadi ia terbatal.

Contoh soalan 4:

Di dalam tiub kaca terdapat cecair setinggi 10 cm. Tekanan air di bahagian bawah tiub ialah 1200 N/m²Jika g = 10 m/s²Abaikan tekanan udara. Berapakah ketumpatan cecair itu?
A. 800 kg/m³
B. 900 kg/m³
C. 1000 kg/m³
D. 1200 kg/m³
E. 1300 kg/m³
Perbincangan:
Dikenali :
Ketinggian cecair (j) = 10 cm = 0,1 meter
Tekanan air (P) di pangkal tiub = 1200 N/m²
Pecutan Graviti (g) = 10 m/s²
Ditanya :
Ketumpatan cecair?
Jawab :

Ketumpatan cecair itu ialah 1200 kg/m³.
Jawapan yang betul ialah D.

Contoh soalan 5:

Merkuri dalam salur yang bersambung mempunyai perbezaan permukaan 3 cm. Ketumpatan merkuri = 13,6 gr/cm³. Ketinggian cecair di dalam tiub di sebelah kiri ialah 10 cm. Berapakah ketumpatan cecair itu?
A. 800 kg/m³
B. 1030 kg/m³
C. 1080 kg/m³
D. 1300 kg/m³
E. 1360 kg/m³

Perbincangan:
Dikenali :
Tinggi (t) Utarid = 3 cm = 0,03 m
Ketumpatan merkuri = 13,6 gr/cm³ = 13600 kg/m³
Tinggi (t) cecair = 10 cm = 0,1 m
Ditanya :
Ketumpatan cecair?
Jawapan:
Sistem berada dalam keadaan keseimbangan statik, oleh itu tekanan cecair (tiub kiri) = tekanan merkuri (tiub kanan)
P_mogok +P_cecair = P_mogok +P_raksa
Tekanan udara adalah sama jadi ia dihapuskan daripada persamaan

P _cecair = P _udara

Jawapan yang betul ialah C.