Shinikizo katika majimaji

Makala kuhusu Shinikizo katika majimaji

Katika fizikia, shinikizo hufafanuliwa kama nguvu kwa kila eneo la kitengo, ambapo mwelekeo wa nguvu ni sawa na eneo la uso. Kihisabati, shinikizo huonyeshwa na mlinganyo P = F / A, ambapo P = shinikizo, F = nguvu na A = eneo la uso. Kitengo cha nguvu (F) ni Newton (N), kitengo cha eneo ni mita ya mraba (m ² ). Kwa sababu shinikizo ni nguvu kwa kila eneo la kitengo, kitengo cha shinikizo ni N/m ^2. Jina lingine la N/m ² ni Pascal (Pa). Pascal ilitumika kama kitengo cha shinikizo kumheshimu Blaise Pascal.

Wakati umajimaji umetulia, umajimaji hutoa nguvu ambayo ni ya pembeni kwa uso mzima wa mgusano. Kwa mfano, tunapitia maji kwenye kioo; kila sehemu ya maji hutoa nguvu yenye mwelekeo wa pembeni kwa ukuta wa kioo. Kwa hivyo kila sehemu ya maji hutoa nguvu ya pembeni kwa kila eneo la kitengo cha chombo kinachokaa. Hii ni moja ya sifa muhimu za umajimaji tuli. Wakati umajimaji unatoa nguvu ya kitendo juu ya uso, ambapo mwelekeo wa nguvu si wa pembeni, uso utatoa nguvu ya mmenyuko ambayo mwelekeo wake si wa pembeni. Hii itasababisha umajimaji kutiririka. Lakini mafua, id, yametulia. Kwa hivyo hitimisho ni kwamba, katika umajimaji usiotulia, mwelekeo wa nguvu huwa wa pembeni kwa uso wa chombo.

Sifa nyingine muhimu ya umajimaji tuli ni kwamba umajimaji hutoa shinikizo kila wakati katika pande zote. Ili kuelewa vyema maelezo haya, ingiza kitu ambacho kinaweza kuelea ndani ya maji kwenye chombo. Ikiwa maji yamepumzika, basi kitu hicho hakisogei kwa sababu shinikizo lile lile hufanya kazi kwenye uso mzima wa kitu hicho. Ikiwa shinikizo la maji si sawa, basi kutakuwa na nguvu kamili, ambayo itasababisha kitu hicho kusogea.

Athari ya kina kwenye shinikizo

Kina au urefu huathiri vipi shinikizo la maji? Je, shinikizo la maji ya baharini kwa kina cha mita 10 ni sawa na shinikizo la maji ya bahari kwa kina cha mita 100? Hebu tupitie shinikizo la maji kwenye chombo kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro. Urefu wa safu ya kioevu ni h na eneo la sehemu mtambuka A. Shinikizo la maji chini ya chombo ni lipi?

w = uzito wa maji, h = urefu wa safu wima ya maji kwenye chombo cha silinda, A = eneo la uso, na P ni shinikizo.

Uzito wa safu ya kioevu ni:

ρ = m / V

m = ρ V

m = ρ h A

Uzito wa safu ya kioevu ni:

w = mg = ρ h A g

w = uzito, ρ = msongamano, m = uzito, g = kasi ya mvuto, V = h A = ujazo wa kioevu (h = urefu, A = eneo la uso)

Ikiwa mlinganyo ulio hapo juu umeingizwa kwenye mlinganyo wa shinikizo:

p = ρ gh → Mlinganyo 1 (chombo kilichofungwa)

p = pa + ρ gh → Mlinganyo 2 (chombo kilicho wazi)

pa = shinikizo la angahewa, ρ gh = shinikizo la hidrostati

Ikiwa chombo kilicho wazi kina maji, shinikizo la angahewa huelekezwa chini kwenye uso wa maji.

Kulingana na mlinganyo hapo juu, shinikizo linalingana moja kwa moja na msongamano na kina cha kioevu (mchapuko wa mvuto ni thabiti).

Ikiwa tofauti ya urefu ni kubwa (kwa mfano katika maji ya bahari yenye kina kirefu sana), msongamano ni tofauti kidogo. Lakini ikiwa tofauti ya urefu si kubwa sana, kimsingi msongamano wa kioevu ni sawa, au tofauti ni ndogo sana kiasi kwamba inapuuzwa.

Tunaweza pia kutumia mlinganyo ulio hapo juu kuhesabu tofauti ya shinikizo katika kila kina tofauti. Mlinganyo ulio hapo juu umeandikwa tena:

Δp = ρ g Δh

Δp = tofauti katika shinikizo, Δh = tofauti katika urefu

Shinikizo la anga

Tunapozama ndani ya maji, sehemu zote za mwili wetu hufunikwa na maji. Kadiri tunavyozama zaidi, ndivyo shinikizo linavyoongezeka. Kila siku tunafunikwa pia na angahewa ambayo hukandamiza sehemu zote za mwili wetu kila wakati kama tunapokuwa ndani ya maji. Kama ilivyo katika maji ya bahari, uso wa dunia unaweza kulinganishwa na angahewa "iliyoko baharini". Ikiwa angahewa hukandamiza sehemu zote za mwili wetu wakati wowote, kwa nini tusihisi, kana kwamba tuko chini ya bahari? Seli zetu za mwili hudumisha shinikizo la ndani ambalo ni karibu sawa na shinikizo la nje. Hii inatufanya tusihisi athari za tofauti hizi za shinikizo.

Shinikizo la angahewa la dunia pia hubadilika kulingana na urefu. Lakini shinikizo la angahewa la dunia ni tofauti na kioevu. Mabadiliko katika msongamano wa vimiminika ni madogo sana kwa tofauti za kina ambazo si kubwa sana ili msongamano wa kioevu uchukuliwe kuwa sawa. Hii ni tofauti na uzito wa angahewa la dunia. Uzito wa angahewa la dunia hutofautiana sana kulingana na urefu. Msongamano wa hewa katika kila mwinuko hutofautiana hivyo hatuwezi kuhesabu shinikizo la angahewa kwa kutumia milinganyo ambayo imetolewa hapo juu. Pia, hakuna kikomo kwenye angahewa ambayo urefu unaweza kupimwa. Shinikizo la angahewa pia hutofautiana kulingana na hali ya hewa. Ili kubaini shinikizo la angahewa, tunachukua vipimo.

Kipimo cha Shinikizo

Evangelista Torricelli (1608-1647), mwanafunzi wa Galileo, alitengeneza njia ya kupima shinikizo la angahewa mnamo 1643 kwa kutumia kipimo cha zebaki cha kazi yake. Kipimo ni mrija mrefu wa kioo, ambapo mrija hujazwa zebaki. Naam, mrija wa kioo wenye zebaki umegeuzwa kuwa sahani ambayo pia imejazwa zebaki.

Wakati bomba la kioo lenye zebaki linapogeuzwa, mwisho wa bomba hujazwa zebaki; yaliyomo ni mvuke wa zebaki tu, shinikizo ni dogo sana kiasi kwamba halizingatiwi (p2 = 0). Juu ya uso wa zebaki ulio ndani ya bamba, kuna shinikizo la angahewa ambalo huelekezwa chini (angahewa hushinikiza zebaki kwenye bamba). Shinikizo la angahewa hushikilia safu ya zebaki kwenye bomba la kioo. Katika mchoro, shinikizo la angahewa linawakilishwa na po. Kiasi cha shinikizo la angahewa kinaweza kuhesabiwa kwa kutumia mlinganyo:

p _o = ρ gh

Kulingana na matokeo ya vipimo, wastani wa shinikizo la angahewa katika usawa wa bahari ni 1.013 x 10 ⁵ N/m ^2. Kiasi cha shinikizo la angahewa katika usawa wa bahari hutumika kufafanua vitengo vingine vya shinikizo, yaani atm (angahewa). Kwa hivyo atm 1 = 1.013 x 10 ⁵ N/m ² = 101.3 kPa (kPa = kilo pascals). Kitengo kingine cha shinikizo ni baa (mara nyingi hutumika katika hali ya hewa). Baa 1 = 1.00 x 10 ⁵ N / m ² = 100 kPa.

Shinikizo la angahewa hapo juu linapatikanaje?

Kipimo kinatumia kanuni zilizoonyeshwa na Torricelli hapo juu. Urefu wa safu ya zebaki inayotumika ni sentimita 76 (shinikizo la anga linaweza kushikilia safu ya zebaki pekee ambayo inafikia sentimita 76.0 kwa urefu), ambapo halijoto ya zebaki hutumika hasa 0 ^° C na ukubwa wa kasi ya mvuto ni 9.8 m/s ² . Uzito wa zebaki katika hali hii ni 13.6 x 10 ³ kg/m ³ . Shinikizo la anga:

p _o = ρ gh

po _o = (13.6 x 10 ³ kg/m3 ⁾ (9.8 m/s ² )(76 cm)

po _o = (13.6 x 10 ³ kg/m3 ⁾ (9.8 m/s ² )(76 x 10 ^-2 m)

po = 101.3 x 10 ³ N/ _m ²

po = 1.013 x 10 ⁵ N/ _m ²

po ₌ 1 atm

Vifaa vya shinikizo

Kuna zana nyingi zinazotumika kupima shinikizo, ikiwa ni pamoja na vipimo vya kupima shinikizo la damu kwenye mirija iliyo wazi.

Katika kipimo cha mrija kilicho wazi, ambapo mrija una umbo la U, baadhi ya mirija hujazwa kioevu (zebaki au maji). Shinikizo lililopimwa linahusishwa na tofauti katika urefu mbili wa kioevu kinachojazwa ndani ya mrija. Kiasi cha shinikizo huhesabiwa kwa kutumia mlinganyo:

p = p _a + ρ gh

p _a = shinikizo la angahewa

ρ gh = shinikizo lililopimwa

ρ = msongamano wa kioevu

Kwa ujumla si bidhaa ρ gh inayohesabiwa bali urefu wa kioevu (h) kwa sababu shinikizo wakati mwingine hutolewa katika milimita za zebaki (mm Hg) au milimita za maji (mm H ₂ O). Jina lingine mm hg ni torr (kwa heshima ya Evangelista Torricelli).

Mbali na vipimo vya kupima shinikizo la anga, pia kuna vipimo vingine ambavyo ni baromita zisizo na kipimo, za kiufundi na za umeme, ikiwa ni pamoja na vipimo vya shinikizo la tairi, n.k. Kifaa kinachotumiwa na Torricelli kupima shinikizo la angahewa pia huitwa baromita ya zebaki, ambapo bomba la glasi hujazwa zebaki.

Shinikizo la Kipimo na Shinikizo Kamili

Shinikizo kamili = shinikizo la angahewa + shinikizo lililopimwa. Kwa hivyo ili kupata shinikizo kamili, tunaongeza shinikizo la kipimo na shinikizo la angahewa. Kwa maneno mengine, shinikizo kamili = shinikizo kamili. Kihisabati inaweza kuandikwa:

p = pa + p g

Kwa mfano, ikiwa shinikizo la tairi tunalopima = 100 kPa, basi shinikizo kamili ni:

p = p a + p g

p = 101 kPa + 100 kPa

p = 201 kPa

Kiasi cha shinikizo kamili = 201 kPa

Mfano wa tatizo la 1:

Manowari yanazama hadi kina cha mita 200. Je, ni shinikizo gani linalopatikana na manowari? g = 10 m/s ²

Inajulikana:

Kina (h) = 200 m

Uzito wa maji ya bahari (ρ) = 1.03 x 10 ³ kg/m3 ⁼ 1030 kg/ ^m3

Shinikizo la angahewa (pa) = 1 atm = 1 x 10 ⁵ N/m ² = 1 x 10 ⁵ (Kg m/s ² )/m ² = 1 x 10 ⁵ Kg/ms ²

Kuongeza kasi ya mvuto (g) = 10 m/s ²

Inayohitajika:

Suluhisho:

p = pa + ρ gh

p = 1 x 10 ⁵ kg/ms ² + (1030 kg/m3 ⁾ (10 m/s ² )(200 m)

p = 1 x 10 ⁵ kg/ms ² + 2060000 kg/ms ²

p = 1 x 10 ⁵ kg/ms ² + 20.6 x 10 ⁵ kg/ms ²

p = 21.6 x 10 ⁵ kg/ms ²

p = 21.6 x 10 ⁵ N/m ²

p = 21.6 x 10 ⁵ Pa

Chombo kimefunguliwa ili shinikizo la angahewa lisiwekwe kwenye hesabu.

Mfano wa tatizo la 2:

Hifadhi ya maji Imejaa urefu wa mita 10 iliyojaa maji. Ikiwa uso wa hifadhi ya maji umefungwa, shinikizo la maji chini ya chombo ni kiasi gani? g = 10 m/s ²

Inajulikana:

Urefu (h) = mita 10

Uzito wa maji (ρ) = 1,00 x 10 ³ kg/m3 ³ = 1000 kg/ ^m3

Shinikizo la angahewa (pa) = 1 atm = 1 x 10 ⁵ N/m ² = 1 x 10 ⁵ (kg m/s ² ) / m ² = 1 x 10 ⁵ Kg/ms ²

Kuongeza kasi ya mvuto (g) = 10 m/s ²

Inahitajika: Shinikizo

Suluhisho:

p = ρ gh

p = (kilo 1000/m3 ⁾ (10 m/s ² )(200 m)

p = kilo 2000,000/ms ²

p = 20 x 10 ⁵ kg/ms ²

p = 20 x 10 ⁵ N/m ²

p = 20 x 10 ⁵ Pa

Chombo kimefungwa ili shinikizo la angahewa lisiwemo katika hesabu.

Mfano wa tatizo la 3:

Urefu wa safu ya maji (kulia) = sm 50, huku urefu wa safu nyingine ya kioevu (kushoto) = sm 30. Msongamano wa vimiminika vingine ni upi?

Inajulikana:

Kuongeza kasi ya mvuto (g) = 10 m/s ²

Urefu wa maji (h ₁ ) = 50 cm

Uzito wa maji (ρ ₁ ) = 1 x 10 ³ kg/m3 ³ = 1000 kg/ ^m3

Urefu wa kioevu kingine (h ₂ ) = 30 cm

Inayohitajika: Uzito wa kioevu kingine

Suluhisho:

pa + ρ ₁ gh ₁ = pa + ρ ₂ gh ₂

ρ saa _{1 1} = ρ saa _{2 2}

ρ ₂ = ρ saa _{1 1} / saa ₂

ρ ₂ = (sentimita 50)(kilo 1000/m3 ⁾ / sentimita 30

ρ ₂ = 1666.7 kg/ ^m3