Nyenzo ya Shinikizo la Maji
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 za mraba (m 2 ). Kwa kuwa 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 hutumika kama kitengo cha shinikizo kwa heshima ya Blaise Pascal.
Wakati umajimaji umetulia, hutoa nguvu inayoelekea kwenye uso mzima unaogusana nao. Kwa mfano, fikiria maji kwenye glasi; kila sehemu ya maji hutoa nguvu inayoelekea kwenye ukuta wa kioo. Kwa hivyo, kila sehemu ya maji hutoa nguvu inayoelekea kwenye kila eneo la kitengo cha chombo kinachokaa. Hii ni sifa muhimu ya umajimaji tuli, umajimaji unaokaa. Wakati umajimaji unapotumia nguvu kwenye uso, ambapo nguvu si ya pembeni, uso utatoa nguvu ya mmenyuko, pia si ya pembeni. Hii itasababisha umajimaji kutiririka. Hata hivyo, kwa kweli, umajimaji unabaki umetulia. Kwa hivyo, katika umajimaji unaokaa, nguvu huwa ya pembeni kwa uso wa chombo kinachokaa.
Sifa nyingine muhimu ya umajimaji uliopumzika ni kwamba huwa na shinikizo kila wakati katika pande zote. Ili kuelewa vyema hili, weka kitu kinachoelea kwenye chombo cha maji. Ikiwa maji yametulia kabisa, kitu hicho kitabaki kimetulia kwa sababu shinikizo linalowekwa kwenye uso wake wote ni sawa. Ikiwa shinikizo la maji halina usawa, kutakuwa na nguvu halisi, ambayo itasababisha kitu hicho kusogea.
Athari ya kina kwenye shinikizo
Kina au urefu huathiri vipi shinikizo la maji? Je, shinikizo la maji ya bahari kwa kina cha mita 10 ni sawa na shinikizo la maji ya bahari kwa kina cha mita 100? Hebu tufikirie shinikizo la maji kwenye chombo kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro. Urefu wa safu ya kioevu ni h na eneo lake la sehemu mtambuka ni 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.
Taarifa:
w = mvuto
ρ = msongamano
m = uzito
g = kuongeza kasi kutokana na mvuto
V = hA = ujazo wa safu wima ya kioevu (h = urefu, A = eneo la uso)
Tukiiunganisha kwenye mlinganyo wa shinikizo, tunapata:
p = ρ gh → Mlinganyo 1 (chombo kilichofungwa)
p = pa + ρ gh → Mlinganyo 2 (chombo kilicho wazi)
Taarifa:
pa = Shinikizo la angahewa
ρ gh = Shinikizo la maji tuli
Katika picha hapo juu, shinikizo la anga halijaonyeshwa, lakini kwa kweli, ikiwa chombo kilicho na maji kiko wazi, shinikizo la anga pia litatenda kazi kwenye uso wa maji, ambayo yanaelekezwa chini.
Kulingana na mlinganyo hapo juu, inaonekana kwamba shinikizo linalingana moja kwa moja na msongamano na kina cha kioevu (mchapuko wa mvuto unabaki thabiti). Kadri kina cha kioevu kinavyoongezeka, shinikizo pia huongezeka. Vimiminika haviwezi kubanwa kutokana na uzito wa kioevu kilicho juu yake, kwa hivyo msongamano wa kioevu unabaki thabiti. Ikiwa tofauti ya urefu ni kubwa sana (kwa mfano, katika maji ya bahari yenye kina kirefu sana), msongamano hutofautiana kidogo. Hata hivyo, ikiwa tofauti ya urefu si kubwa sana, msongamano wa kioevu kimsingi ni sawa au tofauti ni ndogo sana kiasi kwamba inaweza kupuuzwa.
Tunaweza pia kutumia mlinganyo ulio hapo juu kuhesabu tofauti ya shinikizo katika kina tofauti. Mlinganyo ulio hapo juu unaweza kuandikwa upya kama:
Shinikizo la Anga
Tunapopiga mbizi chini ya maji, mwili wetu wote hufunikwa na maji. Kadiri tunavyopiga mbizi zaidi, ndivyo shinikizo linavyoongezeka. Kwa kweli, kila siku tunafunikwa pia na angahewa, ambayo husukuma kila mara sehemu zote za mwili wetu, kama vile tunapokuwa chini ya maji. Kama ilivyo katika maji ya bahari, uso wa Dunia unaweza kufananishwa na "baridi" ya angahewa. Ikiwa ni kweli kwamba angahewa pia husukuma sehemu zote za mwili wetu wakati wote, kwa nini tusihisi, kana kwamba tuko chini ya bahari? Seli za miili yetu hudumisha shinikizo la ndani ambalo ni karibu sawa na shinikizo la nje. Hii ndiyo sababu hatuhisi athari za tofauti hii ya shinikizo.
Shinikizo la angahewa la Dunia pia hubadilika kulingana na mwinuko. Hata hivyo, shinikizo la angahewa hutofautiana kidogo na lile la vimiminika. Mabadiliko ya msongamano wa vimiminika ni madogo sana kwa tofauti ndogo za kina, kwa hivyo msongamano wa vimiminika unadhaniwa kuwa sawa. Hii ni tofauti na msongamano wa angahewa la Dunia. Msongamano wa angahewa la Dunia hutofautiana sana kulingana na mwinuko. Msongamano wa hewa katika mwinuko tofauti ni tofauti, kwa hivyo hatuwezi kuhesabu shinikizo la angahewa kwa kutumia mlinganyo uliotolewa hapo juu. Zaidi ya hayo, hakuna mpaka wa angahewa ulio wazi ambao mwinuko 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, alibuni mbinu ya kupima shinikizo la angahewa mnamo 1643 kwa kutumia kipimo chake cha zebaki. Kipimo hicho kilikuwa na mrija mrefu wa kioo uliojaa zebaki. Mrija wa kioo uliojaa zebaki uligeuzwa kwenye sahani iliyojaa zebaki pia.
Wakati bomba la kioo lenye zebaki linapogeuzwa chini, mwisho wa bomba hujazwa zebaki, lina mvuke wa zebaki tu ambao shinikizo lake ni dogo sana kiasi kwamba halizingatiwi (p).2 = 0). Juu ya uso wa zebaki kwenye bamba, kuna shinikizo la angahewa linaloelekezwa chini (angahewa hushinikiza zebaki kwenye bamba). Shinikizo hili la angahewa huunga mkono safu ya zebaki kwenye bomba la kioo. Katika picha, shinikizo la angahewa linaonyeshwa na po Ukubwa wa shinikizo la angahewa unaweza kuhesabiwa kwa kutumia mlinganyo:
p o = ρ gh
Kulingana na matokeo ya kipimo, wastani wa shinikizo la angahewa katika usawa wa bahari ni 1,013 x 10 5 N/m 2. Ukubwa wa shinikizo la angahewa katika usawa wa bahari hutumika kufafanua kitengo kingine cha shinikizo, yaani atm (angahewa). Kwa hivyo atm 1 = 1,013 x 10 5 N/m 2 = 101,3 kPa (kPa = kilo pascal). 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.
Je, thamani ya shinikizo la angahewa hapo juu inapatikanaje?
Kipimo hiki kinatumia kanuni iliyoonyeshwa na Torricelli hapo juu. Urefu wa safu ya zebaki inayotumika ni sentimita 76 (shinikizo la anga linaweza tu kuhimili safu ya zebaki yenye urefu wa sentimita 76,0 pekee), ambapo halijoto ya zebaki inayotumika ni 0 haswa. oC na ukubwa wa kasi ya uvutano ni 9,8 m/s2Uzito wa zebaki katika hali hii ni 13,6 x 103 kilo / m3Shinikizo la angahewa:
Kipimo cha shinikizo
Kuna zana nyingi zinazotumika kupima shinikizo, ikiwa ni pamoja na kipimo cha kupima shinikizo la damu kwenye bomba lililo wazi.
Katika kipimo cha kupima shinikizo cha bomba wazi, ambapo bomba lina umbo la U, bomba hujazwa kwa sehemu na kioevu (zebaki au maji). Shinikizo lililopimwa linahusiana na tofauti katika urefu mbili wa vimiminika vilivyoingizwa kwenye bomba. Shinikizo huhesabiwa kwa kutumia mlinganyo:
Kwa ujumla, si matokeo ya ρ gh yanayohesabiwa bali urefu wa kioevu (h) kwa sababu shinikizo wakati mwingine huonyeshwa katika milimita za zebaki (mm hg) au milimita za maji (mm H 2 O). Jina lingine la mm hg ni torr (kwa kumbukumbu ya Evangelista Torricelli).
Mbali na vipimo vya manometer, pia kuna vifaa vingine vya kupimia, yaani vipimo vya aneroid, vya mitambo na vya umeme, ikiwa ni pamoja na vipimo vya shinikizo la tairi, n.k. Kifaa kinachotumiwa na Torricelli kupima shinikizo la angahewa pia huitwa kipimo cha zebaki, ambapo mirija ya glasi hujazwa zebaki na kisha kugeuzwa kuwa bamba ambalo pia lina zebaki.
Shinikizo Lililokadiriwa, Shinikizo la Kipimo na Shinikizo Kamili
Wakati wa kujaza matairi ya gari na hewa, kipimo cha shinikizo la hewa kwa kawaida hutumika. Hii huhakikisha kwamba shinikizo la tairi si la chini sana wala la juu sana. Wakati wa kujaza matairi na hewa, ni shinikizo la hewa ndani ya tairi pekee linalopimwa. Shinikizo la anga halizingatiwi. Sio tu wakati wa kupima shinikizo la tairi, lakini pia katika vipimo vingine vingi vya shinikizo, shinikizo la anga halizingatiwi. Shinikizo hili lililopimwa huitwa shinikizo lililopimwa. Kwa hivyo, tofauti kati ya hili na shinikizo kamili ni ipi?
Shinikizo kamili = shinikizo la angahewa + shinikizo lililopimwa. Kwa hivyo ili kupata shinikizo kamili, tunaongeza shinikizo lililopimwa kwenye shinikizo la angahewa. Kwa maneno mengine, shinikizo kamili = shinikizo kamili. Kihisabati, hii inaweza kuandikwa kama:
p = pa + p kipimo
Kwa mfano, ikiwa shinikizo la tairi tunalopima = 100 kPa, basi shinikizo kamili ni:
p = pa + p kipimo
p = 101 kPa + 100 kPa
p = 201 kPa
Shinikizo kamili = 201 kPa.
Kuna neno lingine: shinikizo la kipimo, ambalo pia hujulikana kama shinikizo la kipimo. Shinikizo la kipimo ni shinikizo la ziada juu ya shinikizo la angahewa. Kwa mfano, fikiria shinikizo la tairi ya pikipiki. Wakati tairi ya pikipiki inapopunguzwa, shinikizo ndani ya tairi ni sawa na shinikizo la angahewa (Shinikizo la angahewa = 1,01 x 105 Pa = 101 kPa). Wakati tairi imejaa hewa, shinikizo la tairi huongezeka kiasili. Shinikizo la tairi linapozidi 101 kPa, shinikizo la ziada pia huitwa shinikizo la kipimo.
Maswali ya Mfano wa Shinikizo la Maji
Mfano wa swali la 1:
Manowari yanazama hadi kina cha mita 200. Je, ni shinikizo gani linalopatikana na manowari?
kupiga mbizi? g = 10 m/s2
Majadiliano
Inajulikana kwamba:
Kina (h) = 200 m
Uzito wa maji ya bahari (ρ) = 1,03 x 103 kilo / m3 = 1030 kg / m3 (tazama jedwali la msongamano)
Shinikizo la angahewa (pa) = 1 atm = 1 x 105 N / m2 = 1x105 (Kilo m/s2)/m2 = 1x105 Kilo/ms2
Kuongeza kasi kutokana na mvuto (g) = 10 m/s2
Aliuliza: Shinikizo
Jibu:
Chombo kiko wazi kwa hivyo shinikizo la angahewa halijajumuishwa katika hesabu.
Mfano wa swali la 2:
Hifadhi ya maji yenye urefu wa mita 10 hujazwa maji. Ikiwa uso wa hifadhi ya maji ni
Ikiwa imefungwa, shinikizo la maji chini ya chombo ni kiasi gani? g = 10 m/s2
Majadiliano
Inajulikana kwamba:
Urefu (h) = mita 10
Uzito wa maji (ρ) = 1,00 x 103 kilo / m3 = 1000 kg / m3
Shinikizo la angahewa (pa) = 1 atm = 1 x 105 N / m2 = 1x105 (kilo m/s2) / m2 = 1x105 Kilo/ms2
Kuongeza kasi kutokana na mvuto (g) = 10 m/s2
Aliuliza: Shinikizo
Jibu:
Chombo kimefungwa kwa hivyo shinikizo la angahewa halijajumuishwa katika hesabu.
Mfano wa swali la 3:
Urefu wa safu ya maji (kulia) = sm 50, huku urefu wa safu nyingine ya kioevu (kushoto) = sm 30. Msongamano wa kioevu kingine ni upi?
Majadiliano
Inajulikana kwamba:
Kuongeza kasi kutokana na mvuto (g) = 10 m/s2
Kiwango cha maji (h1) = sm 50
Uzito wa maji (ρ)1) = 1,00 x 103 kilo / m3 = 1000 kg / m3
Urefu mwingine wa umajimaji (h2) = sm 30
Uzito wa vimiminika vingine (ρ2) = ?
pa + ρ 1 gh 1 = pa + ρ 2 gh 2
Shinikizo la angahewa (Pa) na kasi ya uvutano (g) ni sawa, kwa hivyo huacha kufanya kazi.
Mfano wa swali la 4:
Ndani ya bomba la kioo kuna kioevu chenye urefu wa sentimita 10. Shinikizo la maji chini ya bomba ni 1200 N/m2Ikiwa g = 10 m/s2Puuza shinikizo la hewa. Uzito wa kioevu ni kiasi gani?
A. Kilo 800/m23
B. 900 kg/m23
C. 1000 kg/m23
D. 1200 kg/m23
E. 1300 kg/m23
Majadiliano:
Inajulikana :
Ketinggian kioevu (h) = 10 cm = mita 0,1
Shinikizo la maji (P) chini ya bomba = 1200 N/m2
Kuongeza kasi kwa Mvuto (g) = 10 m/s2
Aliuliza :
Uzito kioevu?
Jawab :
Uzito kioevu ni 1200 kg/m23.
Jibu sahihi ni D.
Mfano wa swali la 5:
Zebaki katika vyombo vilivyounganishwa ina tofauti ya uso wa sentimita 3. Uzito wa zebaki = 13,6 gr/cm3Urefu wa kioevu kwenye mrija upande wa kushoto ni sentimita 10. Msongamano wa kioevu ni upi?
A. Kilo 800/m23
B. 1030 kg/m23
C. 1080 kg/m23
D. 1300 kg/m23
E. 1360 kg/m23
Majadiliano:
Inajulikana :
Urefu (h) wa Zebaki = 3 cm = 0,03 m
Uzito wa zebaki = 13,6 gr/cm3 = 13600 kg / m3
Urefu (h) wa kioevu = 10 cm = 0,1 m
Aliuliza :
Uzito kioevu?
Jibu:
Mfumo uko katika hali ya usawa tuli kwa hivyo shinikizo la kioevu (mrija wa kushoto) = shinikizo la zebaki (mrija wa kulia)
Phewa + Pkioevu = Phewa + Pzebaki
Shinikizo la hewa ni sawa kwa hivyo huondolewa kwenye mlinganyo
P kioevu = P hewa
Jibu sahihi ni C.
