При данном расчете плотность \(ρ\) следует считать в килограммах на кубический метр, а высоту столба жидкости \(h\) — в метрах, \(g = 9,8 \frac\) , тогда итог будет выражен в паскалях.
Давление. В чем измеряется давление?
Давление — физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности. Для обозначения давления обычно используется символ p — от лат.pressūra (давление).
Давление на поверхность может иметь неравномерное распределение, поэтому различают давление на локальный фрагмент поверхности и среднее давление на всю поверхность.
Давление на локальной площади поверхности определяется как отношение нормальной составляющей силы dFn, действующей на этот фрагмент поверхности, к площади этого фрагмента dS:
Среднее давление по всей поверхности есть отношение нормальной составляющей силы Fn, действующей на данную поверхность, к её площади S:
Измерение давления газов и жидкостей выполняется с помощью манометров, дифманометров, вакуумметров, датчиков давления, атмосферного давления — барометрами.
Единицы измерения давления имеют давнюю историю и с учетом разных сред (жидкость, газ, твердое тело) достаточно разнообразны. Приведем основные.
Паскаль
В Международной системе единиц (СИ) измеряется в паскалях (русское обозначение: Па; международное: Pa). Паскаль равен давлению, вызываемому силой, равной одному ньютону, равномерно распределённой по нормальной к ней поверхности площадью один квадратный метр.
Один паскаль — небольшое давление. Примерно такое давление создает лежащий на столе листок из школьной тетради. Поэтому очень часто используют кратные единицы давления:
| гектопаскаль (гПа) | 1 гПа = 100 Па = 10 2 Па |
| килопаскаль (кПа) | 1 кПа = 1′000 Па = 10 3 Па |
| мегапаскаль (МПа) | 1 МПа = 1′000′000 Па = 10 6 Па |
Тогда получаем следующее соответствие: 1 МПа = 1 МН/м² = 1 Н/мм² = 100 Н/см².
Также, шкалы приборов для измерения давления могут быть градуированы в величинах Н/м 2 или Н/мм 2 .
Соотношения величин к 1 Па:
| МПа | |
| Бар (bar, бар) | 0,1 |
| Техническая атмосфера (at, ат), кгс/см 2 | 10,197 |
| Физическая атмосфера (atm, атм) | 9,8692 |
| Миллиметр ртутного столба (мм рт.ст., mm Hg, Torr, торр) | 7500,6 |
| Метр водяного столба (м вод.ст., m H2O) | 10,197 |
| Фунт-сила на кв. дюйм (psi) | 145,04 |
Давление может быть различным (избыточным, барометрическим). Абсолютное понятие характерно для вещества либо объекта, на которое не оказывают влияния иные газы. Показатель измеряется в Паскалях. Он вычисляется по следующему калькулятору: нормальное Р = Р2 + Р3 или Р = Р2 — Р4.
Давление в физике
Если преподаватель давит на вас, задавая каверзные задачки, мы сделаем так, чтобы вы смогли верно на них ответить. Ведь понимание самой сути вещей – ключ к успеху! Итак, что такое давление в физике?
Давление – скалярная физическая величина, равная силе, действующей на единицу площади поверхности.
В международной системе СИ измеряется в Паскалях и обозначается буквой p. Единица измерения давления – 1 Паскаль. Русское обозначение – Па, международное – Pa.
Согласно определению, чтобы найти давление, нужно силу разделить на площадь.
Любая жидкость или газ, помещенный в сосуд, оказывает на стенки сосуда давление. Например, борщ в кастрюле действует на ее дно и стены с некоторым давлением. Формула определения давления жидкости:
где g – ускорение свободного падения в гравитационном поле земли, h – высота столба борща в кастрюле, греческая буква «ро» – плотность борща.
Одно из важнейших свойств жидкостей — изотропность. Это значит, что по закону Паскаля во всех направлениях жидкости производимое ею давление передается одинаково. Кстати, подробнее о жидкостях, их свойствах и движении читайте в нашем материале про уравнение Бернулли.
Наиболее распространенный в быту прибор для определения давления – барометр. Но в чем измеряют давление? Кроме паскаля существуют и другие внесистемные единицы измерения:
- атмосфера;
- миллиметр ртутного столба;
- миллиметр водяного столба;
- метр водяного столба;
- килограмм-сила.
В зависимости от контекста применяются разные внесистемные единицы.
Например, когда вы слушаете или читаете прогноз погоды, там и речи не идет о паскалях. Говорят о миллиметрах ртутного столба. Один миллиметр ртутного столба – это 133 Паскаля. Если вы ездите за рулем, то наверное знаете, что нормальное давление в колесах легкового автомобиля — около двух атмосфер.
Давление в шинах — это давление газа. Оно обусловлено столкновениями молекул воздуха с поверхностью шины
Атмосферное давление
Атмосфера – это газ, точнее, смесь газов, которая удерживается у Земли благодаря гравитации. Атмосфера переходит в межпланетное пространство постепенно, а ее высота – примерно 100 километров.
Как понимать выражение «атмосферное давление»? Над каждым квадратным метром земной поверхности находится стокилометровый столб газа. Конечно, воздух прозрачен и приятен, но у него есть масса, которая давит на поверхность земли. Это и есть атмосферное давление.
Нормальное атмосферное давление принято считать равным 101325 Па. Это давление на уровне мирового океана при температуре 0 градусов Цельсия. Такое же давление при этой же температуре оказывает на свое основание столб ртути высотой 766 миллиметров.
Чем больше высота над уровнем моря, тем ниже атмосферное давление. Например, на вершине горы Джомолунгма оно составляет всего одну четвертую от нормального атмосферного давления.
Эверест. На его вершине давление в 4 раза меньше, чем у подножия
Также биологи в своих исследованиях занимаются расчетами осмотического давления – это давление внутри и снаружи клетки. А метеорологи, в частности по перепадам давления в окружающей среде предсказывают нам погоду.
Формула гидростатического давления
Гидростатическое давление — это воздействие столба жидкости в состоянии равновесия на дно, а также стенки сосуда.
- давление внутри жидкости на определенном уровне одинаково во всех направлениях. При увеличении глубины давление увеличивается;
- давление столба жидкости не зависит от формы сосуда.
Давление жидкости на дно сосуда обуславливается плотностью жидкости, а также ее высотой столба. Измерить можно по формуле:
При данном расчете плотность \(ρ\) следует считать в килограммах на кубический метр, а высоту столба жидкости \(h\) — в метрах, \(g = 9,8 \frac\) , тогда итог будет выражен в паскалях.
Парциальное давление и его формула
Парциальное давление — то, которое имел бы газ, который входит в состав газовой смеси, если бы он один занимал весь объем, который занимает объем смеси при той же температуре.
Давление отдельного газа из смеси находится по формуле:
где \(p1\) — парциональное давление конкретного газа в газовой смеси, \(x1\) — мольная доля этого газа, а \(p\) — общее давление газовой смеси.
Также его можно найти следующим образом:
В Российской Федерации допущен к использованию в качестве внесистемной единицы измерения давления без ограничения срока с областью использования «все области».
Закон Паскаля.
В отличие от твердых тел отдельные слои и мелкие частицы жидкости и газа могут свободно перемещаться относительно друг друга по всем направлениям. Достаточно, например, слегка подуть на поверхность воды в стакане, чтобы вызвать движение воды. На реке или озере при малейшем ветерке появляется рябь.
Подвижностью частиц газа и жидкости объясняется, что давление, производимое на них, передается не только в направлении действия силы, а в каждую точку. Рассмотрим это явление подробнее.
На рисунке, а изображен сосуд, в котором содержится газ (или жидкость). Частицы равномерно распределены по всему сосуду. Сосуд закрыт поршнем, который может перемещаться вверх и вниз.
Прилагая некоторую силу, заставим поршень немного переместиться внутрь и сжать газ (жидкость), находящийся непосредственно под ним. Тогда частицы (молекулы) расположатся в этом месте более плотно, чем прежде(рис, б). Благодаря подвижности частицы газа будут перемещаться по всем направлениям. Вследствие этого их расположение опять станет равномерным, но более плотным, чем раньше (рис, в). Поэтому давление газа всюду возрастет. Значит, добавочное давление передается всем частицам газа или жидкости. Так, если давление на газ (жидкость) около самого поршня увеличится на 1 Па, то во всех точках внутри газа или жидкости давление станет больше прежнего на столько же. На 1 Па увеличится давление и на стенки сосуда, и на дно, и на поршень.
Давление, производимое на жидкость или газ, передается на любую точку одинаково во всех направлениях.
Это утверждение называется законом Паскаля.
На основе закона Паскаля легко объяснить следующие опыты.
На рисунке изображен полый шар, имеющий в различных местах небольшие отверстия. К шару присоединена трубка, в которую вставлен поршень. Если набрать воды в шар и вдвинуть в трубку поршень, то вода польется из всех отверстий шара. В этом опыте поршень давит на поверхность воды в трубке. Частицы воды, находящиеся под поршнем, уплотняясь, передают его давление другим слоям, лежащим глубже. Таким образом, давление поршня передается в каждую точку жидкости, заполняющей шар. В результате часть воды выталкивается из шара в виде одинаковых струек, вытекающих из всех отверстий.
Если шар заполнить дымом, то при вдвигании поршня в трубку из всех отверстий шара начнут выходить одинаковые струйки дыма. Это подтверждает, что и газы передают производимое на них давление во все стороны одинаково.
Давление в жидкости и газе.
На жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому, каждый слой жидкости, налитой в сосуд, своим весом создает давление, которое по закону Паскаля передается по всем направлениям. Следовательно, внутри жидкости существует давление. В этом можно убедиться на опыте.
В стеклянную трубку, нижнее отверстие которой закрыто тонкой резиновой пленкой, нальем воду. Под действием веса жидкости дно трубки прогнется.
Опыт показывает, что, чем выше столб воды над резиновой пленкой, тем больше она прогибается. Но всякий раз после того, как резиновое дно прогнулось, вода в трубке приходит в равновесие (останавливается), так как, кроме силы тяжести, на воду действует сила упругости растянутой резиновой пленки.
Где F – это сила давления, а S – площадь поверхности на которую она действует. То есть иными словами формула нахождения давления – это сила, воздействующая на определенную поверхность, разделенная на площадь этой самой поверхности.
Решение задач
В задачах по физике формулы давления могут выглядеть по-разному. Задача первая: нужно найти Р, оказываемое телом на судно и грунт под водой, когда водолаз находится в движении. Человек весит со снаряжением на суше 180 кг. Площадь стопы равняется 360 кв. см. Сила, с которой человек воздействует на судно равно 180/360 = 0.5 (кгс/см). Используя таблицу, величину можно перевести в Па. Получится 49 кПа. На грунт под водой оказывается сила в 2,46 кПа.
Пример 2: нужно вычислить абсолютное Р воды, если глубина равна 150 м, сила — 765, а масса тела — 1,024 кгс/л. Решение: P = 765/735,6+1,024×150/10=16.4.
Пример 3: ёмкость баллона равна 40 л, давление в нём 150 кгс/см2. Нужно найти V свободных воздушных масс. Решение: начальное Р вычисляется следующим образом: 150+1 = 151 кгс/кв.см. Начальное V равно 40 литров. Свободное V вычисляется p1xнач V/p2=6.04 куб. м. Аналогичным способом решаются задачи, где нужно найти Р любой жидкости, твёрдого объекта, газового вещества.
Измерительные приборы
Можно сэкономить время на расчётах, воспользовавшись специальными приборами, функционирующими путём определения давления в соответствующей среде, что схоже с манометром. Их отличия между собой заключаются в инструкции по эксплуатации, сфере использования, точности, области применения.
Чтобы определить АД, понадобится манометр типа барометра. Для определения разряжения (Па меньше атмосферного) понадобится иная разновидность аппарата — вакуумметр. У человека показатель определяется с помощью сфигмоманометра. Большинство пациентов называют такое оборудование неинвазивным тонометром.
Подобные приборы классифицируются на следующие подвиды:
Их погрешность зависит от материалов, используемых в процессе производства и области измерения. Некоторые устройства одновременно измеряют давление и пульс. Они работают автоматически от батареек. За счёт наличия цифрового табло легко узнать результат. Более точными считаются механические.
Чтобы определить Р, понадобится надеть манжет на правую руку больного. Зажав механизм, производится накачка груши. Максимальный и минимальный пределы начинаются с появления, а затем с исчезновения характерного стука. Постепенно механизм ослабляется. Для получения точных данных потребуется опыт работы с механическим тонометром и внимательность. Если наблюдаются колебания давления в воздухе, понадобится дифнамометр либо манометр.
