Væsketrykkmateriale
I fysikk er trykk definert som kraft per arealenhet, hvor kraftens retning er vinkelrett på overflatearealet. Matematisk uttrykkes trykk ved ligningen P = F/A, hvor P = trykk, F = kraft og A = overflateareal. Enheten for kraft (F) er Newton (N), arealenheten er kvadratmeter (m² ) . Siden trykk er kraft per arealenhet, er trykkenheten N/m² . Et annet navn for N/m² er pascal (Pa). Pascal brukes som en enhet for trykk til ære for Blaise Pascal.
Når en væske er i ro, utøver den en kraft vinkelrett på hele overflaten den er i kontakt med. For eksempel, tenk deg vann i et glass; hver del av vannet utøver en kraft vinkelrett på glassveggen. Derfor utøver hver del av vannet en kraft vinkelrett på hver arealenhet av beholderen den opptar. Dette er en viktig egenskap ved en statisk væske, en væske i ro. Når en væske utøver en kraft på en overflate, der kraften ikke er vinkelrett, vil overflaten utøve en reaksjonskraft, som heller ikke er vinkelrett. Dette vil føre til at væsken strømmer. I virkeligheten forblir imidlertid væsken i ro. Derfor, i en væske i ro, er kraften alltid vinkelrett på overflaten av beholderen den opptar.
En annen viktig egenskap ved en væske i ro er at den alltid utøver trykk i alle retninger. For å forstå dette bedre, plasser en flytende gjenstand i en beholder med vann. Hvis vannet står helt stille, vil gjenstanden forbli stasjonær fordi trykket som utøves på hele overflaten er likt. Hvis vanntrykket er ulikt, vil det være en nettokraft som vil føre til at gjenstanden beveger seg.
Effekt av dybde på trykk
Hvordan påvirker dybde eller høyde væsketrykket? Er sjøvannstrykket på 10 meters dyp det samme som sjøvannstrykket på 100 meters dyp? La oss se på vanntrykket i en beholder som vist på figuren. Høyden på væskesøylen er h og tverrsnittsarealet er A. Hva er vanntrykket i bunnen av beholderen?
w = vekten av vann, h = høyden på vannsøylen i en sylindrisk beholder, A = overflateareal og P er trykk.
Informasjon :
w = tyngdekraft
ρ = tetthet
m = masse
g = akselerasjon på grunn av tyngdekraften
V = hA = volum av væskesøyle (h = høyde, A = overflateareal)
Hvis vi setter det inn i trykkligningen, får vi:
p = ρ gh → Ligning 1 (lukket beholder)
p = pa + ρ gh → Ligning 2 (åpen beholder)
Informasjon :
pa = Atmosfærisk trykk
ρ gh = Hydrostatisk trykk
På bildet over er ikke atmosfæretrykket avbildet, men i virkeligheten, hvis beholderen som inneholder vann er åpen, vil atmosfæretrykket også virke på vannoverflaten, som er rettet nedover.
Basert på ligningen ovenfor ser det ut til at trykket er direkte proporsjonalt med væskens tetthet og dybde (gravitasjonsakselerasjonen forblir konstant). Når væskens dybde øker, øker også trykket. Væsker er nesten ukomprimerbare på grunn av vekten av væsken over dem, så væskens tetthet forblir konstant. Hvis høydeforskjellen er veldig stor (for eksempel i veldig dypt havvann), varierer tettheten noe. Men hvis høydeforskjellen ikke er for stor, er væskens tetthet i hovedsak den samme, eller forskjellen er så liten at den kan ignoreres.
Vi kan også bruke ligningen ovenfor til å beregne trykkforskjellen på forskjellige dybder. Ligningen ovenfor kan omskrives som:
Atmosfærisk trykk
Når vi dykker under vann, er hele kroppen vår omsluttet av vann. Jo dypere vi dykker, desto større trykk føler vi. Faktisk er vi også omsluttet av atmosfæren hver dag, som konstant presser på alle deler av kroppen vår, akkurat som når vi er under vann. Akkurat som i sjøvann, kan jordoverflaten sammenlignes med atmosfærens "havbunn". Hvis det er sant at atmosfæren også presser på alle deler av kroppen vår til enhver tid, hvorfor føler vi det ikke, som om vi var på bunnen av havet? Kroppens celler opprettholder et indre trykk som er nesten det samme som det ytre trykket. Det er derfor vi ikke føler effekten av denne trykkforskjellen.
Jordens atmosfæretrykk endres også med høyden. Atmosfærisk trykk varierer imidlertid noe fra væsketrykket. Endringen i tetthet av væsker er svært liten for små dybdeforskjeller, så tettheten av væsker antas å være den samme. Dette er forskjellig fra tettheten av jordens atmosfære. Tettheten av jordens atmosfære varierer betydelig med høyden. Lufttettheten i forskjellige høyder er forskjellig, så vi kan ikke beregne atmosfæretrykket ved hjelp av ligningen utledet ovenfor. Videre finnes det ingen klar atmosfærisk grense som høyden kan måles fra. Atmosfærisk trykk varierer også med været. For å bestemme atmosfæretrykket tar vi målinger.
Trykkmåling
Evangelista Torricelli (1608–1647), en elev av Galileo, utviklet en metode for å måle atmosfæretrykk i 1643 ved hjelp av sitt kvikksølvbarometer. Barometeret besto av et langt glassrør fylt med kvikksølv. Det kvikksølvfylte glassrøret ble snudd opp ned i en skål som også var fylt med kvikksølv.
Når et glassrør som inneholder kvikksølv snus opp ned, er ikke enden av røret fylt med kvikksølv, det inneholder bare kvikksølvdamp hvis trykk er så lavt at det ignoreres (s2 = 0). På overflaten av kvikksølvet i platen er det atmosfæretrykk som er rettet nedover (atmosfæren presser på kvikksølvet i platen). Dette atmosfæretrykket støtter kvikksølvsøylen i glassrøret. På bildet er atmosfæretrykket symbolisert med po Størrelsen på atmosfæretrykket kan beregnes ved hjelp av ligningen:
p o = ρ gh
Basert på måleresultatene er det gjennomsnittlige atmosfæretrykket ved havnivå 1,013 x 10^ 5 N/m ^2 . Størrelsen på atmosfæretrykket ved havnivå brukes til å definere en annen trykkenhet, nemlig atm (atmosfære). Så 1 atm = 1,013 x 10^ 5 N/m ^2 = 101,3 kPa (kPa = kilopascal). En annen trykkenhet er bar (ofte brukt i meteorologi). 1 bar = 1,00 x 10^ 5 N/m ^2 = 100 kPa.
Hvordan oppnås verdien for atmosfæretrykket ovenfor?
Målingen bruker prinsippet demonstrert av Torricelli ovenfor. Høyden på kvikksølvsøylen som brukes er 76 cm (atmosfærisk trykk kan bare støtte en kvikksølvsøyle som bare er 76,0 cm høy), der temperaturen på kvikksølvet som brukes er nøyaktig 0 oC og størrelsen på gravitasjonsakselerasjonen er 9,8 m/s2Tettheten av kvikksølv i denne tilstanden er 13,6 x 103 kg / m3Atmosfærisk trykk:
Trykkmåler
Det finnes mange verktøy som brukes til å måle trykk, inkludert manometeret med åpent rør.
I et åpent manometer, der røret er U-formet, er røret delvis fylt med væske (kvikksølv eller vann). Det målte trykket er relatert til forskjellen i de to høydene på væskene som føres inn i røret. Trykket beregnes ved hjelp av ligningen:
Generelt er det ikke produktet av ρ gh som beregnes, men høyden på væsken (h), fordi trykk noen ganger uttrykkes i millimeter kvikksølv (mm hg) eller millimeter vann (mm H₂O ) . Et annet navn for mm hg er torr (til minne om Evangelista Torricelli).
Foruten manometre finnes det også andre måleinstrumenter, nemlig aneroidbarometre, både mekaniske og elektriske, inkludert dekktrykksmålere, etc. Instrumentet som brukes av Torricelli for å måle atmosfæretrykk kalles også et kvikksølvbarometer, hvor et glassrør fylles med kvikksølv og deretter inverteres til en plate som også inneholder kvikksølv.
Nominelt trykk, måletrykk og absolutt trykk
Når man fyller bildekk med luft, brukes vanligvis en lufttrykksmåler. Dette sikrer at dekktrykket verken er for lavt eller for høyt. Når man fyller dekk med luft, måles kun lufttrykket inne i dekket. Atmosfærisk trykk tas ikke med i betraktningen. Ikke bare ved måling av dekktrykk, men også i de fleste andre trykkmålinger, måles ikke atmosfæretrykket. Dette målte trykket kalles målt trykk. Så, hva er forskjellen mellom dette og absolutt trykk?
Absolutt trykk = atmosfæretrykk + målt trykk. For å få absolutt trykk, legger vi det målte trykket til atmosfæretrykket. Med andre ord, absolutt trykk = totaltrykk. Matematisk kan dette skrives som:
p = pa + p-mål
Hvis for eksempel dekktrykket vi måler = 100 kPa, er det absolutte trykket:
p = pa + p-mål
p = 101 kPa + 100 kPa
p = 201 kPa
Det absolutte trykket = 201 kPa.
Det finnes et annet begrep: måletrykk, også kjent som måletrykk. Måletrykket er overtrykket over atmosfæretrykket. Tenk deg for eksempel dekktrykket på en motorsykkel. Når et motorsykkeldekk er tømt for luft, er trykket inne i dekket lik atmosfæretrykket (atmosfærisk trykk = 1,01 x 105 Pa = 101 kPa). Når dekket er fylt med luft, øker dekktrykket naturlig. Når dekktrykket overstiger 101 kPa, kalles overtrykket også måletrykk.
Eksempelspørsmål om væsketrykk
Eksempelspørsmål 1:
En ubåt dykker ned til 200 meters dyp. Hvilket trykk opplever ubåten?
dykket? g = 10 m/s2
Diskusjon
Det er kjent at:
Dybde (t) = 200 m
Tetthet av sjøvann (ρ) = 1,03 x 103 kg / m3 = 1030 kg / m3 (se tetthetstabellen)
Atmosfærisk trykk (pa) = 1 atm = 1 x 105 N / m2 = 1 x 105 (Kg m/s2)/m²2 = 1 x 105 kg/ms2
Tyngdeakselerasjon (g) = 10 m/s2
Spurt: Press
Jawab:
Beholderen er åpen, så atmosfærisk trykk er ikke inkludert i beregningene.
Eksempelspørsmål 2:
Et 10 meter høyt vannreservoar er fylt med vann. Hvis overflaten av vannreservoaret er
Når beholderen er lukket, hva er vanntrykket i bunnen av den? g = 10 m/s2
Diskusjon
Det er kjent at:
Høyde (h) = 10 m
Vanntetthet (ρ) = 1,00 x 103 kg / m3 = 1000 kg / m3
Atmosfærisk trykk (pa) = 1 atm = 1 x 105 N / m2 = 1 x 105 (kg m/s2) / m2 = 1 x 105 kg/ms2
Tyngdeakselerasjon (g) = 10 m/s2
Spurt: Press
Jawab:
Beholderen er lukket, så atmosfærisk trykk er ikke inkludert i beregningene.
Eksempelspørsmål 3:
Høyden på vannsøylen (høyre) = 50 cm, mens høyden på den andre væskesøylen (venstre) = 30 cm. Hva er tettheten til den andre væsken?
Diskusjon
Det er kjent at:
Tyngdeakselerasjon (g) = 10 m/s2
Vannstand (t1) = 50 cm
Vanntetthet (ρ)1) = 1,00 x 103 kg / m3 = 1000 kg / m3
Annen væskehøyde (h2) = 30 cm
Tettheten til andre væsker (ρ2) =?
pa + ρ 1 gh 1 = pa + ρ 2 gh 2
Atmosfærisk trykk (Pa) og gravitasjonsakselerasjonen (g) er det samme, så de kansellerer hverandre ut.
Eksempelspørsmål 4:
Inne i et glassrør er det en væske som er 10 cm høy. Vanntrykket i bunnen av røret er 1200 N/m².2Hvis g = 10 m/s2Ignorer lufttrykket. Hva er væskens tetthet?
A. 800 kg/m²3
B. 900 kg/m²3
Ca. 1000 kg/m²3
D. 1200 kg/m²3
E. 1300 kg/m²3
Diskusjon:
Det er kjent :
Ketinggian væske (t) = 10 cm = 0,1 meter
Vanntrykk (P) ved bunnen av røret = 1200 N/m2
Tyngdekraftens akselerasjon (g) = 10 m/s2
Spurt :
Tetthet flytende?
Jawab :
Tetthet væsken er 1200 kg/m²3.
Det riktige svaret er D.
Eksempelspørsmål 5:
Kvikksølv i tilkoblede beholdere har en overflateforskjell på 3 cm. Kvikksølvets tetthet = 13,6 gr/cm3Høyden på væsken i røret til venstre er 10 cm. Hva er væskens tetthet?
A. 800 kg/m²3
B. 1030 kg/m²3
Ca. 1080 kg/m²3
D. 1300 kg/m²3
E. 1360 kg/m²3
Diskusjon:
Det er kjent :
Merkurhøyde (h) = 3 cm = 0,03 m
Kvikksølvtetthet = 13,6 gr/cm3 = 13600 kg / m3
Væskens høyde (h) = 10 cm = 0,1 m
Spurt :
Tetthet flytende?
Jawab:
Sistem berada dalam keadaan setimbang statis karenanya tekanan zat cair (tabung kiri) = tekanan raksa (tabung kanan)
Pluft + P.flytende = Pluft + P.kvikksølv
Lufttrykket er det samme, så det er eliminert fra ligningen
P væske = P luft
Det riktige svaret er C.
