Material sub presiune fluidă
În fizică, presiunea este definită ca forța pe unitatea de suprafață, unde direcția forței este perpendiculară pe suprafața. Matematic, presiunea este exprimată prin ecuația P = F/A, unde P = presiune, F = forță și A = suprafață. Unitatea de măsură a forței (F) este Newton-ul (N), iar unitatea de măsură a suprafeței este metrul pătrat (m²).2Deoarece presiunea este forța pe unitatea de suprafață, unitatea de presiune este N/m²2Un alt nume pentru N/m2 este pascalul (Pa). Pascalul este folosit ca unitate de măsură a presiunii în onoarea lui Blaise Pascal.
Când un fluid este în repaus, acesta exercită o forță perpendiculară pe întreaga suprafață cu care este în contact. De exemplu, să luăm în considerare apa dintr-un pahar; fiecare porțiune de apă exercită o forță perpendiculară pe peretele de sticlă. Prin urmare, fiecare porțiune de apă exercită o forță perpendiculară pe fiecare unitate de suprafață a recipientului pe care îl ocupă. Aceasta este o proprietate importantă a unui fluid static, un fluid în repaus. Atunci când un fluid exercită o forță pe o suprafață, unde forța nu este perpendiculară, suprafața va exercita o forță de reacție, de asemenea, nu perpendiculară. Aceasta va face ca fluidul să curgă. Cu toate acestea, în realitate, fluidul rămâne în repaus. Prin urmare, într-un fluid în repaus, forța este întotdeauna perpendiculară pe suprafața recipientului pe care îl ocupă.
O altă proprietate importantă a unui fluid în repaus este aceea că exercită întotdeauna presiune în toate direcțiile. Pentru a înțelege mai bine acest lucru, plasați un obiect plutitor într-un recipient cu apă. Dacă apa este complet nemișcată, obiectul va rămâne staționar deoarece presiunea exercitată pe întreaga sa suprafață este egală. Dacă presiunea apei este inegală, va exista o forță netă, care va face ca obiectul să se miște.
Efectul adâncimii asupra presiunii
Cum afectează adâncimea sau înălțimea presiunea fluidului? Este presiunea apei de mare la o adâncime de 10 metri aceeași cu presiunea apei de mare la o adâncime de 100 de metri? Să luăm în considerare presiunea apei dintr-un recipient, așa cum se arată în figură. Înălțimea coloanei de lichid este h, iar aria secțiunii sale transversale este A. Care este presiunea apei pe fundul recipientului?
w = greutatea apei, h = înălțimea coloanei de apă într-un recipient cilindric, A = aria suprafeței, iar P este presiunea.
Informație :
w = gravitație
ρ = densitate
m = masă
g = accelerația datorată gravitației
V = hA = volumul coloanei de lichid (h = înălțime, A = aria suprafeței)
Dacă îl introducem în ecuația presiunii, obținem:
p = ρ gh → Ecuația 1 (recipient închis)
p = pa + ρ gh → Ecuația 2 (recipient deschis)
Informație :
pa = Presiune atmosferică
ρ gh = Presiune hidrostatică
În imaginea de mai sus, presiunea atmosferică nu este reprezentată, dar în realitate, dacă recipientul care conține apă este deschis, presiunea atmosferică va acționa și asupra suprafeței apei, care este îndreptată în jos.
Pe baza ecuației de mai sus, se pare că presiunea este direct proporțională cu densitatea și adâncimea lichidului (accelerația gravitațională rămâne constantă). Pe măsură ce adâncimea lichidului crește, crește și presiunea. Lichidele sunt aproape incompresibile din cauza greutății lichidului de deasupra lor, astfel încât densitatea lichidului rămâne constantă. Dacă diferența de înălțime este foarte mare (de exemplu, în apa mării foarte adâncă), densitatea variază ușor. Cu toate acestea, dacă diferența de înălțime nu este prea mare, densitatea lichidului este în esență aceeași sau diferența este atât de mică încât poate fi ignorată.
Putem folosi ecuația de mai sus și pentru a calcula diferența de presiune la diferite adâncimi. Ecuația de mai sus poate fi rescrisă ca:
Presiunea atmosferică
Când ne scufundăm sub apă, întregul nostru corp este învăluit de apă. Cu cât ne scufundăm mai adânc, cu atât presiunea pe care o simțim este mai mare. De fapt, în fiecare zi suntem învăluiți și de atmosferă, care apasă constant asupra tuturor părților corpului nostru, la fel ca atunci când suntem sub apă. La fel ca în apa mării, suprafața Pământului poate fi asemănată cu „fundul marin” al atmosferei. Dacă este adevărat că și atmosfera apasă asupra tuturor părților corpului nostru în permanență, de ce nu o simțim, ca și cum am fi pe fundul mării? Celulele corpului nostru mențin o presiune internă care este aproape aceeași cu presiunea externă. Acesta este motivul pentru care nu simțim efectele acestei diferențe de presiune.
Presiunea atmosferică a Pământului se modifică și ea odată cu altitudinea. Cu toate acestea, presiunea atmosferică variază ușor față de cea a lichidelor. Schimbarea densității lichidelor este foarte mică pentru diferențe mici de adâncime, așa că se presupune că densitatea lichidelor este aceeași. Aceasta este diferită de densitatea atmosferei Pământului. Densitatea atmosferei Pământului variază semnificativ odată cu altitudinea. Densitatea aerului la diferite altitudini este diferită, așa că nu putem calcula presiunea atmosferică folosind ecuația derivată mai sus. În plus, nu există o limită atmosferică clară de la care să se poată măsura altitudinea. Presiunea atmosferică variază și în funcție de vreme. Pentru a determina presiunea atmosferică, efectuăm măsurători.
Măsurarea presiunii
Evangelista Torricelli (1608–1647), un elev al lui Galileo, a dezvoltat o metodă de măsurare a presiunii atmosferice în 1643 folosind barometrul său cu mercur. Barometrul consta dintr-un tub lung de sticlă umplut cu mercur. Tubul de sticlă umplut cu mercur era inversat într-un vas umplut, de asemenea, cu mercur.
Când un tub de sticlă care conține mercur este întors cu susul în jos, capătul tubului nu este umplut cu mercur, ci conține doar vapori de mercur a căror presiune este atât de mică încât este ignorată (p2 = 0). Pe suprafața mercurului din placă există o presiune atmosferică îndreptată în jos (atmosfera apasă pe mercurul din placă). Această presiune atmosferică susține coloana de mercur din tubul de sticlă. În imagine, presiunea atmosferică este simbolizată de po Magnitudinea presiunii atmosferice poate fi calculată folosind ecuația:
po = ρ gh
Pe baza rezultatelor măsurătorilor, presiunea atmosferică medie la nivelul mării este de 1,013 x 105 N / m2Magnitudinea presiunii atmosferice la nivelul mării este utilizată pentru a defini o altă unitate de presiune, și anume atm (atmosfera). Deci 1 atm = 1,013 x 105 N / m2 = 101,3 kPa (kPa = kilopascal). O altă unitate de presiune este barul (adesea folosit în meteorologie). 1 bar = 1,00 x 105 N / m2 = 100 kPa.
Cum se obține valoarea presiunii atmosferice de mai sus?
Măsurarea folosește principiul demonstrat de Torricelli mai sus. Înălțimea coloanei de mercur utilizată este de 76 cm (presiunea atmosferică poate susține doar o coloană de mercur care are doar 76,0 cm înălțime), unde temperatura mercurului utilizat este exact 0 oC și magnitudinea accelerației gravitaționale este de 9,8 m/s2Densitatea mercurului în această condiție este de 13,6 x 103 kg / m3Presiunea atmosferică:
Manometru
Există multe instrumente folosite pentru măsurarea presiunii, inclusiv manometrul cu tub deschis.
Într-un manometru cu tub deschis, unde tubul are formă de U, acesta este parțial umplut cu lichid (mercur sau apă). Presiunea măsurată este legată de diferența dintre cele două înălțimi ale lichidelor introduse în tub. Presiunea se calculează folosind ecuația:
În general, nu se calculează produsul dintre ρ și gh, ci înălțimea lichidului (h), deoarece presiunea este uneori exprimată în milimetri de mercur (mm Hg) sau milimetri de apă (mm H2O). O altă denumire pentru mm Hg este torr (în memoria lui Evangelista Torricelli).
Pe lângă manometre, există și alte instrumente de măsurare, și anume barometre aneroide, atât mecanice, cât și electrice, inclusiv manometre pentru presiunea în anvelope etc. Instrumentul folosit de Torricelli pentru măsurarea presiunii atmosferice se numește și barometru cu mercur, în care un tub de sticlă este umplut cu mercur și apoi inversat într-o placă care conține, de asemenea, mercur.
Presiune nominală, presiune manometrică și presiune absolută
La umplerea anvelopelor vehiculului cu aer, se folosește de obicei un manometru pentru presiunea aerului. Acesta asigură că presiunea în anvelope nu este nici prea mică, nici prea mare. La umplerea anvelopelor cu aer, se măsoară doar presiunea aerului din interiorul anvelopei. Presiunea atmosferică nu este luată în considerare. Nu numai la măsurarea presiunii în anvelope, ci și în majoritatea celorlalte măsurători de presiune, presiunea atmosferică nu este măsurată. Această presiune măsurată se numește presiune măsurată. Deci, care este diferența dintre aceasta și presiunea absolută?
Presiunea absolută = presiunea atmosferică + presiunea măsurată. Deci, pentru a obține presiunea absolută, adăugăm presiunea măsurată la presiunea atmosferică. Cu alte cuvinte, presiunea absolută = presiunea totală. Matematic, aceasta poate fi scrisă astfel:
p = pa + p măsură
De exemplu, dacă presiunea în anvelope pe care o măsurăm = 100 kPa, atunci presiunea absolută este:
p = pa + p măsură
p = 101 kPa + 100 kPa
p = 201 kPa
Presiunea absolută = 201 kPa.
Există un alt termen: presiune manometrică, cunoscută și sub numele de presiune manometrică. Presiunea manometrică este excesul de presiune peste presiunea atmosferică. De exemplu, luați în considerare presiunea în anvelopele unei motociclete. Când o anvelopă de motocicletă este dezumflată, presiunea din interiorul anvelopei este egală cu presiunea atmosferică (presiunea atmosferică = 1,01 x 105 Pa = 101 kPa). Când anvelopa este umplută cu aer, presiunea în anvelope crește în mod natural. Când presiunea în anvelope depășește 101 kPa, excesul de presiune se numește și presiune manometrică.
Exemple de întrebări despre presiunea fluidelor
Exemplu de întrebare 1:
Un submarin se scufundă la o adâncime de 200 de metri. Care este presiunea la care este supus submarinul?
scufundarea? g = 10 m/s2
Pembahasan
Se știe că:
Adâncime (h) = 200 m
Densitatea apei de mare (ρ) = 1,03 x 103 kg / m3 = 1030 kg / m3 (vezi tabelul cu densitate)
Presiunea atmosferică (pa) = 1 atm = 1 x 105 N / m2 = 1 x 105 (kg m/s)2)/m2 = 1 x 105 kg/ms2
Accelerația gravitațională (g) = 10 m/s2
Întrebare: Presiune
Jawab:
Recipientul este deschis, deci presiunea atmosferică nu este inclusă în calcule.
Exemplu de întrebare 2:
Un rezervor de apă cu o înălțime de 10 metri este umplut cu apă. Dacă suprafața rezervorului de apă este
închis, care este presiunea apei pe fundul recipientului? g = 10 m/s2
Pembahasan
Se știe că:
Înălțime (h) = 10 m
Densitatea apei (ρ) = 1,00 x 103 kg / m3 = 1000 kg / m3
Presiunea atmosferică (pa) = 1 atm = 1 x 105 N / m2 = 1 x 105 (kg m/s)2) / m2 = 1 x 105 kg/ms2
Accelerația gravitațională (g) = 10 m/s2
Întrebare: Presiune
Jawab:
Recipientul este închis, deci presiunea atmosferică nu este inclusă în calcule.
Exemplu de întrebare 3:
Înălțimea coloanei de apă (dreapta) = 50 cm, în timp ce înălțimea celeilalte coloane de lichid (stânga) = 30 cm. Care este densitatea celuilalt lichid?
Pembahasan
Se știe că:
Accelerația gravitațională (g) = 10 m/s2
Nivelul apei (h)1) = 50 cm
Densitatea apei (ρ1) = 1,00 x 103 kg / m3 = 1000 kg / m3
Alte înălțimi ale fluidului (h)2) = 30 cm
Densitatea altor lichide (ρ2) =?
pa + ρ1 gh1 = pa + ρ2 gh2
Presiunea atmosferică (Pa) și accelerația gravitațională (g) sunt aceleași, deci se anulează reciproc.
Exemplu de întrebare 4:
În interiorul unui tub de sticlă se află un lichid cu înălțimea de 10 cm. Presiunea apei la baza tubului este de 1200 N/m.2Dacă g = 10 m/s2Ignorați presiunea aerului. Care este densitatea lichidului?
A. 800 kg/m²3
B. 900 kg/m²3
C. 1000 kg/m²3
D. 1200 kg/m²3
E. 1300 kg/m3
Discuție:
Este cunoscut :
Ketinggian lichid (h) = 10 cm = 0,1 metri
Presiunea apei (P) la baza tubului = 1200 N/m2
Accelerarea gravitației (g) = 10 m/s2
Întrebat :
Densitate lichid?
Jawab :
Densitate lichidul este de 1200 kg/m3.
Răspunsul corect este D.
Exemplu de întrebare 5:
Mercurul din vasele conectate are o diferență de suprafață de 3 cm. Densitatea mercurului = 13,6 gr/cm3Înălțimea lichidului din tubul din stânga este de 10 cm. Care este densitatea lichidului?
A. 800 kg/m²3
B. 1030 kg/m²3
C. 1080 kg/m²3
D. 1300 kg/m²3
E. 1360 kg/m3
Discuție:
Este cunoscut :
Înălțimea (h) a lui Mercur = 3 cm = 0,03 m
Densitatea mercurului = 13,6 gr/cm3 = 13600 kg / m3
Înălțimea (h) a lichidului = 10 cm = 0,1 m
Întrebat :
Densitate lichid?
Jawab:
Sistemul se află într-o stare de echilibru static, prin urmare presiunea lichidului (tubul stâng) = presiunea mercurului (tubul drept)
Paer + Plichid = Paer + PMercur
Presiunea aerului este aceeași, deci este eliminată din ecuație.
Plichid = Paer
Răspunsul corect este C.
