Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

10.2: Щільність і тиск

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    75135

    • Boundless
    • Boundless
    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    навчальні цілі

    • Визначте фактори, що визначають тиск, що чиниться газом

    Тиск є важливою фізичною величиною - він відіграє важливу роль у темах, починаючи від термодинаміки до механіки твердих та рідин. Як скалярна фізична величина (що має величину, але не напрямок), тиск визначається як сила на одиницю площі, прикладена перпендикулярно поверхні, до якої вона прикладена. Тиск може виражатися в ряді одиниць залежно від контексту використання.

    Тиск і принцип Паскаля: Короткий вступ до тиску та принципу Паскаля, включаючи гідравліку.

    Одиниці, рівняння та зображення

    В одиницях СІ одиницею тиску є Паскаль (Па), який дорівнює Ньютону/метр 2 (Н/м 2). Інші важливі одиниці тиску включають фунт на квадратний дюйм (psi) та стандартну атмосферу (атм). Елементарне математичний вираз для тиску задається:

    \[\mathrm{pressure=\dfrac{Force}{Area}=\dfrac{F}{A}}\]

    де\(\mathrm{p}\) - тиск,\(\mathrm{F}\) - сила, що діє перпендикулярно поверхні, до якої прикладена ця сила, і\(\mathrm{A}\) є площею поверхні. Будь-який предмет, який має вагу, незалежно від того, в стані спокою чи ні, чинить тиск на поверхню, з якою він контактує. Величина тиску, що чиниться предметом на задану поверхню, дорівнює його вазі, що діє в напрямку, перпендикулярному цій поверхні, розділеному на загальну площу поверхні контакту між об'єктом і поверхнею. показує графічні зображення та відповідні математичні вирази для випадок, в якому сила діє перпендикулярно поверхні контакту, а також випадок, в якому сила діє під кутом θ щодо поверхні.

    зображення

    Представлення тиску: Це зображення показує графічні зображення та відповідні математичні вирази для випадку, коли сила діє перпендикулярно поверхні контакту, а також випадок, коли сила діє під кутом θ щодо поверхні.

    Тиск як функція площі поверхні

    Оскільки тиск залежить лише від сили, яка діє перпендикулярно поверхні, на яку воно прикладено, лише силова складова, перпендикулярна поверхні, сприяє тиску, що чиниться цією силою на цю поверхню. Тиск може бути збільшений або збільшенням сили, або зменшенням площі, або може протилежно зменшуватися або зменшенням сили, або збільшенням площі. ілюструє це поняття. Прямокутний блок вагою 1000 Н спочатку розміщують горизонтально. Він має площу контакту (з поверхнею, на якій він спирається) 0,1 м 2, таким чином чинивши тиск 1000 Па на цю поверхню. Той самий блок в іншій конфігурації (також на рис. 2), в якому блок розміщений вертикально, має площу контакту з поверхнею, на яку він спирається, 0,01 м 2, тим самим надаючи тиск в 10 000 Па—10 разів більше першої конфігурації за рахунок зменшення поверхні площа в 10 разів.

    зображення

    Тиск як функція площі поверхні: Тиск може бути збільшений або збільшенням сили, або зменшенням площі, або може протилежно зменшуватися, зменшуючи силу або збільшуючи площу.

    Хорошою ілюстрацією цього є причина того, що гострий ніж набагато ефективніший для різання, ніж тупий ніж. Та ж сила, прикладена гострим ножем з меншою площею контакту, буде чинити набагато більший тиск, ніж тупий ніж, що має значно більшу площу зіткнення. Аналогічним чином, людина, що стоїть на одній нозі на батуті викликає більший зміщення батут, ніж та ж людина, що стоїть на одному батуті, використовуючи дві ноги — не тому, що індивід чинить більшу силу, коли стоячи на одній нозі, а тому, що площа, на якій ця сила чиниться, зменшується , Підвищуючи тим самим тиск на батуті. Крім того, об'єкт, що має вагу більше, ніж інший об'єкт тієї ж розмірності та площі контакту з даною поверхнею, чинить більший тиск на цю поверхню через збільшення сили. Нарешті, розглядаючи задану силу постійної величини, що діє на постійну площу даної поверхні, тиск, що чиниться цією силою на цю поверхню, буде більшим, чим більший кут цієї сили, коли вона діє на поверхню, досягаючи максимуму, коли ця сила діє перпендикулярно поверхні.

    Рідини та гази: рідини

    Подібно до того, як тверда речовина чинить тиск на поверхню, з якою вона контактує, рідини та гази також чинять тиск на поверхні та предмети, з якими вони контактують. Тиск, що чиниться ідеальним газом на закриту ємність, в якій він обмежений, найкраще аналізувати на молекулярному рівні. Молекули газу в газовому контейнері рухаються випадковим чином по всьому об'єму контейнера, надаючи силу на стінки контейнера при зіткненні. Прийняття загальної середньої сили всіх зіткнень молекул газу, що містяться в контейнері протягом одиниці часу, дозволяє правильно виміряти ефективну силу молекул газу на стінках контейнера. Враховуючи, що контейнер виступає в якості обмежуючої поверхні для цієї чистої сили, молекули газу чинять тиск на ємність. Для такого ідеального газу, укладеного в жорсткій ємності, тиск, що чиниться молекулами газу, можна розрахувати, використовуючи закон ідеального газу:

    \[\mathrm{p=\dfrac{nRT}{V}}\]

    де n - кількість молекул газу, R - ідеальна газова константа (R = 8,314 J моль -1 K -1), T - температура газу, а V - обсяг ємності.

    Тиск, який чинить газ, може бути збільшений за рахунок: збільшення кількості зіткнень молекул газу в одиницю часу за рахунок збільшення кількості молекул газу; збільшення кінетичної енергії газу за рахунок збільшення температури; або зменшення об'єму контейнера. пропонує уявлення про ідеал закон газу, а також вплив зміни параметрів рівняння на тиск газу. Інший поширений тип тиску - це тиск, що чиниться статичною рідиною або гідростатичним тиском. Гідростатичний тиск найлегше вирішувати, розглядаючи рідину як безперервний розподіл речовини, і може вважатися мірою енергії на одиницю об'єму або щільності енергії. Далі ми обговоримо гідростатичний тиск в інших розділах.

    зображення

    Тиск ідеального газу: Це зображення є поданням закону ідеального газу, а також вплив зміни параметрів рівняння на тиск газу.

    Зміна тиску з глибиною

    Тиск всередині статичних рідин залежить від властивостей рідини, прискорення за рахунок сили тяжіння та глибини всередині рідини.

    навчальні цілі

    • Визначити фактори, що визначають тиск, що чиниться статичними рідинами і газами

    Тиск визначається найпростішими термінами як сила на одиницю площі. Однак при роботі з тиском, що чиниться газами і рідинами, найзручніше підходити до тиску як міри енергії на одиницю об'єму за допомогою визначення роботи (W = F·d). Виведення тиску як міри енергії на одиницю об'єму від його визначення як сили на одиницю площі наведено в. Оскільки для газів і рідин сила, що діє на систему, що сприяє тиску, діє не на певну точку або певну поверхню, а скоріше як розподіл сили, аналіз тиску як міри енергії на одиницю об'єму є більш доцільним. Для рідин і газів в спокої тиск рідини або газу в будь-якій точці середовища називається гідростатичним тиском. У будь-якій такій точці всередині середовища тиск однаковий у всіх напрямках, так як якщо б тиск не був однаковим у всіх напрямках, рідина, будь то газ або рідина, не була б статичною. Зверніть увагу, що наступні обговорення та вирази стосуються лише нестисливих рідин при статичній рівновазі.

    зображення

    Енергія на одиницю об'єму: Це рівняння є виведенням тиску як міри енергії на одиницю об'єму з його визначення як сили на одиницю площі.

    Тиск, що чиниться статичною рідиною, залежить тільки від глибини, щільності рідини і прискорення за рахунок гравітації. дає вираз для тиску як функцію глибини всередині нестисливої, статичної рідини, а також виведення цього рівняння з визначення тиску як міри енергії на одиницю об'єму (ρ - щільність газу, g - прискорення за рахунок сили тяжіння, а h - глибина всередині рідини). Для будь-якої даної рідини з постійною щільністю на всьому протязі тиск збільшується зі збільшенням глибини. Наприклад, людина під водою на глибині ч 1 буде відчувати половину тиску, як людина під водою на глибині\(\mathrm{h_2 = 2h_1}\). Для багатьох рідин щільність можна вважати майже постійною по всьому об'єму рідини і, практично для всіх практичних застосувань, так само може бути прискорення через гравітацію (g = 9,81 м/с 2). Як наслідок, тиск всередині рідини є функцією лише глибини, при цьому тиск збільшується з лінійною швидкістю щодо збільшення глибини. У практичних застосуваннях, що включають розрахунок тиску як функції глибини, слід зробити важливу різницю щодо того, чи є абсолютним або відносним тиском всередині рідини бажаним. Рівняння 2 само по собі дає тиск, який чинить рідина щодо атмосферного тиску, але якщо бажаний абсолютний тиск, то атмосферний тиск повинен бути доданий до тиску, що чиниться лише рідиною.

    зображення

    Тиск як енергія на одиницю об'єму: Це рівняння дає вираз для тиску як функції глибини в межах нестисливої, статичної рідини, а також виведення цього рівняння з визначення тиску як міри енергії на одиницю об'єму (ρ - щільність газу, г - прискорення за рахунок сили тяжіння, а h - глибина всередині рідини).

    При аналізі тиску всередині газів слід приймати дещо інший підхід, оскільки за характером газів сила, що сприяє тиску, виникає з середньої кількості молекул газу, що займають певну точку в межах газу в одиницю часу. Таким чином, сила, що сприяє тиску газу в середовищі, не є безперервним розподілом, як для рідин, і барометричне рівняння, наведене в, повинно бути використано для визначення тиску, що чиниться газом на певній глибині (або висоті) в межах газу (р 0 - тиск при h = 0, M є маса однієї молекули газу, g - прискорення за рахунок сили тяжіння, k - постійна Больцмана, T - температура газу, а h - висота або глибина всередині газу). Рівняння 3 передбачає, що газ нестисливий і що тиск гідростатичний.

    зображення

    Тиск всередині газу: Сила, що сприяє тиску газу в середовищі, не є безперервним розподілом, як для рідин, і барометричне рівняння, наведене на цьому малюнку, повинно бути використано для визначення тиску, що чиниться газом на певній глибині (або висоті) всередині газу (p0 є тиск при h = 0, М - маса однієї молекули газу, g - прискорення за рахунок сили тяжіння, k - постійна Больцмана, T - температура газу, а h - висота або глибина всередині газу)

    Статична рівновага

    Будь-яка область або точка, або будь-який статичний об'єкт всередині статичної рідини знаходиться в статичній рівновазі, де всі сили і крутні моменти рівні нулю.

    навчальні цілі

    • Визначте необхідні умови для того, щоб рідина перебувала в стані спокою

    Статична рівновага - це особливий стан фізичної системи. Він якісно описується об'єктом в спокої і сумою всіх сил, при цьому сума всіх крутних моментів, що діють на цей об'єкт, дорівнює нулю. Статичні об'єкти знаходяться в статичній рівновазі, причому чиста сила і чистий крутний момент, що діють на цей об'єкт, дорівнюють нулю; інакше існував би рушійний механізм для того, щоб цей об'єкт зазнав руху в просторі. Аналіз і дослідження об'єктів у статичній рівновазі та діючих на них сил і крутних моментів називається статикою — підтемою механіки. Статика особливо важлива при проектуванні статичних і несучих конструкцій. Що стосується флюїдики, статична рівновага стосується сил, що діють на статичний об'єкт у рідкому середовищі.

    Рідини

    Для рідини в спокої умови статичної рівноваги повинні бути дотримані в будь-якій точці текучого середовища. Тому сума сил і крутних моментів в будь-якій точці статичної рідини або газу повинна дорівнювати нулю. Аналогічно сума сил і крутних моментів об'єкта в спокої всередині статичного текучого середовища також повинна бути нульовою. При розгляді нерухомого об'єкта всередині рідкого середовища в спокої необхідно проаналізувати сили, що діють в будь-який момент часу і в будь-якій точці простору всередині середовища. Для нерухомого об'єкта всередині статичної рідини немає крутних моментів, що діють на об'єкт, тому сума крутних моментів для такої системи відразу дорівнює нулю; це не повинно стосуватися аналізу, оскільки умова крутного моменту для рівноваги виконана.

    Щільність

    У будь-якій точці простору всередині статичної рідини сума діючих сил повинна дорівнювати нулю; інакше умова статичної рівноваги не буде виконана. Аналізуючи таку просту систему, розглянемо прямокутну область всередині текучого середовища з щільністю ρ L (тією ж щільністю, що і текуче середовище), шириною w, довжиною l і висотою h, як показано в. Далі враховуються сили, що діють на цю область в межах середовища. По-перше, область має силу тяжіння, що діє вниз (його вага), рівну його щільності об'єкта, що разів перевищує його об'єм об'єкта, що разів перевищує прискорення за рахунок гравітації. Спускаюча сила, що діє на цю область за рахунок рідини над областю, дорівнює тиску, що перевищує площу контакту. Аналогічно існує висхідна сила, що діє на цю область завдяки рідини нижче області, рівній тиску, що перевищує площу контакту. Для досягнення статичної рівноваги сума цих сил повинна дорівнювати нулю, як показано в. Таким чином, для будь-якої області всередині рідини, щоб досягти статичної рівноваги, тиск рідини нижче області повинен бути більше, ніж тиск рідини вище на вагу області. Ця сила, яка протидіє вазі області або об'єкта всередині статичної рідини, називається плавучою силою (або плавучістю).

    зображення

    Статична рівновага області всередині рідини: На цьому малюнку показані рівняння статичної рівноваги області всередині рідини.

    зображення

    Область в межах статичної рідини: Ця цифра являє собою діаграму вільного тіла області всередині статичної рідини.

    У випадку, якщо на об'єкті знаходиться нерухома рівновага всередині статичної рідини, сума сил, що діють на цей об'єкт, повинна дорівнювати нулю. Як обговорювалося раніше, існують дві сили, що діють вниз, одна - вага об'єкта, а інша - сила, що чиниться тиском рідини над об'єктом. У той же час існує висхідна сила, що чиниться тиском рідини під об'єктом, яка включає в себе плавучу силу. показує, як буде змінюватися розрахунок сил, що діють на нерухомий об'єкт всередині статичної рідини, від тих, що представлені в, якщо об'єкт має щільність ρ S відрізняється від того, що рідке середовище оточене рідиною. Поява плавучої сили в статичних рідинях пов'язано з тим, що тиск всередині рідини змінюється при зміні глибини. Аналіз, представлений вище, крім того, може бути поширений на набагато більш складні системи, що включають складні об'єкти та різноманітні матеріали.

    Принцип Паскаля

    Принцип Паскаля стверджує, що тиск передається і не зменшується в закритій статичній рідині.

    навчальні цілі

    • Застосуйте принцип Паскаля для опису поведінки тиску в статичних рідинях

    Принцип Паскаля

    Принцип Паскаля (або Закон Паскаля) застосовується до статичних рідин і використовує залежність висоти тиску в статичних рідинях. Названий на честь французького математика Блеза Паскаля, який встановив цей важливий зв'язок, Принцип Паскаля може використовуватися для використання тиску статичної рідини як міри енергії на одиницю об'єму для виконання роботи в таких додатках, як гідравлічні преси. Якісно Принцип Паскаля стверджує, що тиск передається незменшеним у закритій статичній рідині. Кількісно закон Паскаля походить від виразу для визначення тиску на заданій висоті (або глибині) всередині рідини і визначається принципом Паскаля:

    Тиск і принцип Паскаля: Короткий вступ до тиску та принципу Паскаля, включаючи гідравліку.

    \[\mathrm{p_2=p_1+Δp, Δp=ρgΔh}\]

    де р 1 - зовнішнє прикладене тиск, ρ - щільність рідини, Δh - різниця висот статичної рідини, а g - прискорення за рахунок сили тяжіння. Закон Паскаля прямо визначає різницю тиску між двома різними висотами (або глибинами) всередині статичної рідини. Оскільки, за законом Паскаля, зміна тиску лінійно пропорційна зміні висоти в межах нестисливої, статичної рідини постійної щільності, подвоєння висоти між двома точками відліку подвоїть зміну тиску, тоді як вдвічі зменшення висоти між двома точками буде вдвічі меншою зміною тиск.

    Закриті статичні рідини

    Хоча принцип Паскаля застосовується до будь-якої статичної рідини, він є найбільш корисним з точки зору застосувань при розгляді систем, що включають жорсткі настінні закриті конфігурації колони, що містять однорідні рідини постійної щільності. Використовуючи той факт, що тиск передається незменшеним у закритій статичній рідині, наприклад, в цьому типі системи, статичні рідини можуть бути використані для перетворення невеликих кількостей сили у велику кількість сили для багатьох застосувань, таких як гідравлічні преси.

    Як приклад, посилаючись на, на пляшку, наповнену статичною рідиною постійної щільності ρ на носику площею поперечного перерізу 5 см 2, прикладається зусилля 10 Н, що дає прикладений тиск 2 Н/см 2. Площа поперечного перерізу пляшки змінюється з висотою так, щоб на дні пляшки площа поперечного перерізу становила 500 см 2. В результаті Закону Паскаля зміна тиску (тиск, що застосовується до статичної рідини) передається незменшеною в статичній рідині, так що прикладається тиск також становить 2 Н/м 2 на дні пляшки. Крім того, гідростатичний тиск через різницю у висоті рідини задається рівнянням 1 і дає загальний тиск на нижній поверхні пляшки. Оскільки площа поперечного перерізу внизу пляшки в 100 разів більше, ніж у верхній, сила, що сприяє тиску на дні пляшки, становить 1000 Н плюс сила від ваги статичної рідини в пляшці. Цей приклад показує, як за принципом Паскаля силу, яку надає статична рідина в замкнутій системі, може бути помножена, змінюючи висоту та площу поверхні контакту.

    зображення

    Тиск, що застосовується до гідростатичної рідини: На пляшку, наповнену статичною рідиною постійної щільності ρ, на носику площею поперечного перерізу 5 см2 прикладається сила вниз 10 Н, що дає прикладений тиск 2 Н/см2.

    Тиск, що передається по всій рідині

    Як зазначено в принципі Паскаля, тиск, що застосовується до статичної рідини в закритому контейнері, передається по всій рідини. Скориставшись цим явищем, гідравлічні преси здатні надавати велику кількість сили, що вимагає набагато меншої кількості вхідної сили. Це дає два різних типи конфігурацій гідравлічного преса, перший, в якому немає різниці в висоті статичної рідини, а другий, в якому є різниця в висоті Δh статичної рідини. У першій конфігурації до статичної рідини щільності ρ по площі поверхні контакту А 1 прикладається сила F 1, що дає вхідний тиск Р 2. З іншого боку конфігурації преса рідина чинить вихідний тиск P 1 через площу поверхні контакту А 2, де A 2 > A 1. За принципом Паскаля, P 1 = P 2, що дає силу, що чиниться статичною рідиною F 2, де F 2 > F 1. Залежно від прикладеного тиску і геометрії гідравлічного преса величина F 2 може змінюватися. У другій конфігурації геометрія системи однакова, за винятком того, що висота рідини на вихідному кінці становить висоту Δh менше висоти рідини на вхідному кінці. Різниця в висоті рідини між вхідним і вихідним кінцями сприяє сумарної сили, що чиниться рідиною. Для гідравлічного преса коефіцієнт множення сили - це відношення вихідного до вхідних контактних площ.

    зображення

    Діаграми гідравлічного преса: Два різних типи конфігурацій гідравлічного преса, перший, в якому немає різниці у висоті статичної рідини, а другий, в якому існує різниця у висоті Δh статичної рідини.

    Манометричний тиск і атмосферний тиск

    Тиск часто вимірюється як манометричний тиск, який визначається як абсолютний тиск мінус атмосферний тиск.

    навчальні цілі

    • Поясніть взаємозв'язок між абсолютним тиском, манометричним тиском та атмосферним тиском

    Атмосферний тиск

    Важливе розмежування має бути зроблено щодо типу величини тиску, що використовується при роботі з вимірюваннями та розрахунками тиску. Атмосферний тиск - це величина тиску в системі завдяки атмосфері, наприклад, тиск, який чинить молекули повітря (статична рідина) на поверхні землі на заданій висоті. У більшості вимірювань і розрахунків атмосферний тиск вважається постійним при 1 атм або 101,325 Па, що є атмосферним тиском в стандартних умовах на рівні моря.

    Атмосферний тиск обумовлений силою молекул в атмосфері і є випадком гідростатичного тиску. Залежно від висоти щодо рівня моря фактичний атмосферний тиск буде меншим на більших висотах і більше на менших висотах, оскільки вага молекул повітря в безпосередній атмосфері змінюється, таким чином, змінюючи ефективний атмосферний тиск. Атмосферний тиск є мірою абсолютного тиску і може впливати на температуру та склад повітря атмосфери, але, як правило, може бути точно наближений до стандартного атмосферного тиску 101,325 Па. У більшості земної атмосфери тиск змінюється залежно від висоти відповідно до. У цьому рівнянні p 0 - тиск на рівні моря (101,325 Па), g - прискорення за рахунок сили тяжіння, M - маса однієї молекули повітря, R - універсальна газова константа, T 0 - стандартна температура на рівні моря, а h - висота щодо рівня моря.

    зображення

    Тиск і висота: Атмосферний тиск залежить від висоти або висоти.

    Манометр тиску

    Для більшості застосувань, особливо тих, що стосуються вимірювання тиску, практичніше використовувати манометричний тиск, ніж абсолютний тиск як одиницю вимірювання. Манометричний тиск - це вимірювання відносного тиску, яке вимірює тиск відносно атмосферного тиску і визначається як абсолютний тиск мінус атмосферний тиск. Більшість обладнання для вимірювання тиску дають тиск системи з точки зору манометричного тиску на відміну від абсолютного тиску. Наприклад, тиск у шині та артеріальний тиск - це манометричний тиск за угодою, тоді як атмосферний тиск, глибокий вакуумний тиск та тиск висотоміра повинні бути абсолютними.

    Для більшості робочих рідин, де рідина існує в закритій системі, переважає вимірювання манометричного тиску. Прилади тиску, підключені до системи, будуть вказувати тиск щодо поточного атмосферного тиску. Ситуація змінюється, коли вимірюються екстремальні вакуумні тиску; замість нього зазвичай використовуються абсолютні тиску.

    Щоб знайти абсолютний тиск системи, атмосферний тиск слід додати до манометричного тиску. Хоча манометричний тиск дуже корисний для практичних вимірювань тиску, більшість розрахунків, що включають тиск, такі як ідеальний закон газу, вимагають значень тиску з точки зору абсолютних тисків і, таким чином, вимагають перетворення манометричного тиску в абсолютний тиск.

    Вимірювання: Манометричний тиск та барометр

    Барометри - це прилади, що використовуються для вимірювання атмосферного і манометричного тиску опосередковано за рахунок використання гідростатичних рідин.

    навчальні цілі

    • Порівняння конструкції та експлуатації анероїдних та гідростатичних барометрів

    Манометр тиску

    На практиці тиск найчастіше вимірюється в перерахунку на манометричний тиск. Манометричний тиск - це тиск системи вище атмосферного. Оскільки атмосферний тиск здебільшого постійний з невеликими коливаннями поблизу рівня моря, де проводиться більшість практичних вимірювань тиску, передбачається приблизно 101,325 Па. Сучасні прилади вимірювання тиску іноді мають вбудовані механізми обліку змін атмосферного тиску через перепади висот. Манометричний тиск набагато зручніше абсолютного тиску для практичних вимірювань і широко використовується як встановлена міра тиску. Однак важливо визначити, чи потрібно використовувати абсолютний (манометр плюс атмосферний) тиск для розрахунків, як це часто буває для більшості розрахунків, таких як ті, що стосуються закону ідеального газу. Вимірювання тиску були точно зроблені з середини 1600-х років з винаходом традиційного барометра. Барометри - це прилади, що використовуються для вимірювання тиску і спочатку використовувалися для вимірювання атмосферного тиску.

    Барометри на гідростатичній основі

    Ранні барометри використовувалися для вимірювання атмосферного тиску за допомогою гідростатичних рідин. Барометри на гідростатичній основі складаються зі стовпчастих пристроїв, зазвичай виготовлених зі скла і заповнених статичною рідиною постійної щільності. Стовпчаста секція герметична, утримує вакуум і частково заповнюється рідиною, в той час як базова секція відкрита для атмосфери і робить сполучення з навколишнім середовищем. Зі зміною атмосферного тиску тиск, що чиниться атмосферою на резервуар рідини, що піддається впливу атмосфери біля основи, змінюється, збільшуючись у міру збільшення атмосферного тиску та зменшуючись у міру зменшення атмосферного тиску. Ця зміна тиску призводить до зміни висоти рідини в стовпчастої конструкції, збільшуючись у висоті, оскільки атмосфера чинить більший тиск на рідину в підставі резервуара та зменшуючись, оскільки атмосфера чинить менший тиск на рідину в основі резервуара. Висота рідини всередині скляного стовпа потім дає міру атмосферного тиску. Тиск, як визначається гідростатичними барометрами, часто вимірюється шляхом визначення висоти рідини в стовпі барометра, таким чином торр як одиниця тиску, але може бути використаний для визначення тиску в одиницях СІ. Барометри на гідростатичній основі найчастіше використовують воду або ртуть як статичну рідину. Хоча використання води набагато менш небезпечно, ніж ртуть, ртуть часто є кращим вибором для виготовлення точних гідростатичних барометрів. Щільність ртуті набагато вище, ніж у води, що дозволяє забезпечити більш високу точність вимірювань і можливість виготовлення більш компактних гідростатичних барометрів. Теоретично гідростатичний барометр може бути поміщений в замкнуту систему для вимірювання абсолютного тиску і манометричного тиску системи шляхом віднімання атмосферного тиску.

    Анероїдний барометр

    Інший тип барометра - анероїдний барометр, який складається з невеликої гнучкої герметичної металевої коробки, яка називається анероїдною коміркою. Анероїдна комірка виготовлена з берилієво-мідного сплаву і частково евакуйована. Жорстка пружина запобігає руйнуванню анероїдної клітини. Невеликі зміни зовнішнього тиску повітря змушують осередок розширюватися або скорочуватися. Це розширення і скорочення посилюється механічними механізмами, щоб дати показання тиску. Такі прилади вимірювання тиску більш практичні, ніж гідростатичні барометри для вимірювання тиску в системі. Багато сучасних приладів для вимірювання тиску попередньо розроблені для виведення вимірювань манометричного тиску. Хоча анероїдний барометр є основним механізмом багатьох сучасних приладів вимірювання тиску, тиск також можна виміряти за допомогою більш вдосконалених вимірювальних механізмів.

    зображення

    Гідростатичний барометр колони: Концепція визначення тиску за допомогою висоти рідини в барометрі гідростатичної колони

    зображення

    Зміна тиску з висотою: Щільність рідини становить p, g - прискорення за рахунок сили тяжіння, а h - висота рідини в стовпі барометра.

    Тиск в організмі

    Тиск відіграє важливу роль у ряді критичних функцій організму, включаючи дихання та кровообіг.

    навчальні цілі

    • Поясніть роль, яку відіграє тиск в кровоносній і дихальній системах

    Роль тиску в кровоносній системі

    Тиск відіграє важливу роль у різних критичних тілесних системах, які необхідні для виживання. Однією з таких критичних тілесних систем, яка спирається на тиск для функціональності є кровоносна система, яка є прикладом замкнутої рідини системи під тиском. Кровоносна система відповідає за транспортування кисню та необхідних поживних речовин до всіх органів в організмі, а також видалення відходів з цих органів. Кров можна розглядати як в'язку рідину, що міститься в кровоносній системі, яка подорожує по цій замкнутій системі внаслідок перепадів тиску та тиску всередині кровоносної системи.

    Оскільки обсяг крові всередині кровоносної системи обмежений венами, артеріями та капілярами, всередині цієї замкнутої системи існує тиск. Крім того, через складну систему вен, артерій та капілярів різного діаметру, а також клапанів та серця, що діють як безперервний насос, різниці тиску виникають всередині кровоносної системи, що призводить до того, що кров може циркулювати по всій кровоносній системі, таким чином проведення необхідних тілесних функцій для виживання.

    Тиск в кровоносній системі називається артеріальний тиск, і є первинним і вирішальним життєво важливим знаком, який може бути використаний для діагностики або вказівки ряду захворювань. Артеріальний тиск змінюється по всьому тілу, а також від однієї людини до іншої і залежить від ряду факторів, таких як частота серцевих скорочень, об'єм крові, опір кровоносної системи (вен, артерій і капілярів) і в'язкість крові. Будь-які медичні умови, що впливають на будь-який з цих факторів, вплинуть на артеріальний тиск і загальне здоров'я кровоносної системи.

    зображення

    Наближення для середнього артеріального тиску: На практиці середній артеріальний тиск (MAP) можна наблизити з легко отриманих вимірювань артеріального тиску.

    Середній артеріальний тиск (МАП) - це середній тиск за серцевий цикл і визначається тим, де СО - серцеві викиди, СВР - системний судинний опір, а ЦВП - центральним венозним тиском (ЦВП). На практиці середній артеріальний тиск (MAP) можна наблизити з легко отриманих вимірювань артеріального тиску в, де P sys - вимірюваний систолічний тиск, а P діас - вимірюваний діастолічний тиск. Одним з особливо поширених і небезпечних станів системи кровообігу є часткова закупорка судин через ряд факторів, таких як накопичення бляшок від високого холестерину, що призводить до зменшення ефективного діаметра поперечного перерізу кровоносних судин і відповідного зниження швидкості кровотоку і, таким чином, підвищення артеріального тиску для відновлення нормального кровотоку відповідно до Закону Пуасейля.

    зображення

    Рівняння середнього артеріального тиску: Середній артеріальний тиск (MAP) - це середній тиск за серцевий цикл і визначається цим рівнянням, де СО - серцеві викиди, СВР - системний судинний опір, а ЦВП - центральний венозний тиск (ЦВП).

    Роль тиску в дихальній системі

    Тиск також відіграє важливу роль в дихальній системі, оскільки відповідає за дихальний механізм. Перепади тиску між легенями та атмосферою створюють потенціал для потрапляння повітря в легені, що призводить до вдихання. Механізм, що утворюється при вдиху, обумовлений опусканням діафрагми, що збільшує обсяг грудної порожнини, що оточує легені, тим самим знижуючи її тиск, що визначається законом ідеального газу. Зниження тиску грудної порожнини, яке в нормі має негативний манометричний тиск, таким чином утримуючи легені надутими, втягує повітря в легені, надуваючи альвеоли і призводить до транспортування кисню, необхідного для дихання. У міру відновлення діафрагми і руху вгору тиск всередині грудної порожнини збільшується, в результаті чого відбувається видих. Цикл повторюється, в результаті чого дихання, яке, як обговорювалося, механічно обумовлено змінами тиску. Без тиску в організмі та відповідного потенціалу, який він має для динамічних тілесних процесів, важливі функції, такі як кровообіг та дихання, були б неможливі.

    Ключові моменти

    • Тиск - це скалярна величина, яка визначається як сила на одиницю площі. Тиск стосується лише силової складової, перпендикулярної поверхні, на яку вона діє, таким чином, якщо сила діє під кутом, силова складова вздовж напрямку, перпендикулярному поверхні, повинна використовуватися для розрахунку тиску.
    • Тиск, що чиниться об'єктом на поверхню, збільшується зі збільшенням ваги предмета або зменшенням площі поверхні контакту. Крім того, тиск, що чиниться, зменшується у міру зменшення ваги предмета або збільшення площі поверхні контакту.
    • Тиск, що чиниться ідеальними газами в замкнутих ємностях, обумовлений середньою кількістю зіткнень молекул газу зі стінками ємності за одиницю часу. Таким чином, тиск залежить від кількості газу (в кількості молекул), його температури і обсягу ємності.
    • Гідростатичний тиск відноситься до тиску, що чиниться рідиною (газом або рідиною) в будь-якій точці простору всередині цієї рідини, припускаючи, що рідина є нестисливою і знаходиться в стані спокою.
    • Тиск всередині рідини залежить тільки від щільності рідини, прискорення за рахунок сили тяжіння і глибини всередині рідини. Тиск, який чинить така статична рідина, лінійно зростає зі збільшенням глибини.
    • Тиск всередині газу залежить від температури газу, маси однієї молекули газу, прискорення за рахунок сили тяжіння та висоти (або глибини) всередині газу.
    • Гідростатичний баланс - термін, який використовується для області або нерухомого об'єкта всередині статичної рідини, яка знаходиться в статичній рівновазі, і для якого сума всіх сил і сума всіх крутних моментів дорівнює нулю.
    • Область або статичний об'єкт всередині нерухомої рідини відчуває сили вниз через вагу області або об'єкта, і тиск, що чиниться від рідини над областю або об'єктом, а також висхідну силу через тиск, що чиниться від рідини нижче області або об'єкта.
    • Для області або статичного об'єкта всередині статичної рідини сила вниз, обумовлена вагою області або об'єкта, протидіє висхідній плавучій силі, яка дорівнює вазі рідини, зміщеної областю або об'єктом.
    • Принцип Паскаля використовується для кількісного співвідношення тиску в двох точках нестисливої статичної рідини. У ньому зазначено, що тиск передається, не зменшується, в замкнутій статичній рідині.
    • Загальний тиск у будь-якій точці нестисливої статичної рідини дорівнює сумі прикладеного тиску в будь-якій точці цієї рідини та зміни гідростатичного тиску через різницю висот всередині цієї рідини.
    • Завдяки застосуванню принципу Паскаля статична рідина може бути використана для створення великої вихідної сили, використовуючи набагато меншу вхідну силу, отримуючи важливі пристрої, такі як гідравлічні преси.
    • Атмосферний тиск є мірою абсолютного тиску і обумовлений вагою молекул повітря над певною висотою щодо рівня моря, збільшуючись зі зменшенням висоти і зменшуючись зі збільшенням висоти.
    • Манометричний тиск - це додатковий тиск в системі щодо атмосферного тиску. Це зручне вимірювання тиску для більшості практичних застосувань.
    • Хоча манометричний тиск зручніший для практичних вимірювань, абсолютний тиск необхідний для більшості розрахунків тиску, тому атмосферний тиск повинен бути доданий до манометричного тиску для розрахунків.
    • Манометричний тиск - це тиск системи вище атмосферного, який повинен бути перетворений в абсолютний тиск для більшості розрахунків.
    • Барометр - це пристрій, який використовує гідростатичні рідини для прямого визначення атмосферного тиску і може бути використаний для опосередкованого вимірювання манометричного тиску систем.
    • Барометр гідростатичної колонки використовує рідину, як вода або ртуть, для функціональності, тоді як анероїдний барометр використовує евакуйовану гнучку металеву комірку.
    • Тиск, поряд з потенціалом роботи, що виникає внаслідок перепадів тиску, відіграє істотну роль у функціональності декількох важливих функцій організму і систем, необхідних для виживання.
    • Кровоносна система спирається на перепади тиску для циркулюючої крові, поряд з киснем, необхідними поживними речовинами та продуктами життєдіяльності по всьому організму.
    • Дихання стає можливим в результаті перепадів тиску між грудною порожниною, легенями і навколишнім середовищем і в значній мірі регулюється рухом діафрагми.

    Ключові умови

    • ідеальний газ: Теоретичний газ характеризується випадковим рухом, окремі молекули якого не взаємодіють один з одним і хімічно інертні.
    • кінетична енергія: енергія, пов'язана з рухомою частинкою або об'єктом, що має певну масу.
    • нестисливий: Неможливо стиснути або конденсувати.
    • статична рівновага: фізичний стан, в якому всі компоненти системи знаходяться в стані спокою, а чиста сила дорівнює нулю по всій системі
    • Плавучість: Сила підтримки тіла, щоб воно плавало; висхідний тиск, що чиниться рідиною, в яку занурено тіло.
    • крутний момент: Щось, що виробляє або має тенденцію виробляти кручення або обертання; момент сили або системи сил, що мають тенденцію викликати обертання.
    • рівновага: стан спокою або рівноваги завдяки рівній дії протиборчих сил.
    • гідравлічний прес: Пристрій, який використовує гідравлічний циліндр (закрита статична рідина) для створення стискаючої сили.
    • Манометричний тиск: Тиск системи вище атмосферного тиску.
    • Торр: Одиниця тиску, що дорівнює одному міліметру ртутного стовпа (760 торр = 101,325 Па).
    • Анероїдний барометр: Пристрій для вимірювання тиску, часто спеціально відкалібрований для використання в якості висотоміра, що складається з коробки або камери, частково відпрацьованої повітря, що має еластичний верх і покажчик для вказівки ступеня стиснення верхньої частини, викликаної зовнішнім повітрям.
    • Грудна порожнина: порожнисте місце або простір, або потенційний простір, всередині тіла або одного з його органів.
    • Закон Пуазейля: Закон про те, що швидкість рідини, що протікає через капіляр, прямо пропорційна тиску рідини і четвертої потужності радіуса капіляра і обернено пропорційна в'язкості рідини і довжині капіляра.
    • Альвеоли: Невеликі повітряні мішечки або порожнини в легенях, які надають тканині стільниковий вигляд і розширюють площу її поверхні для обміну кисню та вуглекислого газу.

    ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ