Давление

Сила распределена по площади

Давление, оказываемое столкновениями частиц внутри закрытого контейнера

Давление (обозначение: p или P ) — это сила , приложенная перпендикулярно поверхности объекта на единицу площади , по которой эта сила распределена. ^{[1] : 445} Манометрическое давление (также пишется как манометрическое давление) ^[a] — это давление относительно давления окружающей среды.

Для выражения давления используются различные единицы. Некоторые из них происходят от единицы силы, разделенной на единицу площади; единица давления в системе СИ , паскаль (Па), например, равна одному ньютону на квадратный метр (Н/м ² ); Аналогичным образом, фунт-сила на квадратный дюйм ( psi , символ фунт-сила/дюйм ² ) является традиционной единицей давления в имперской и обычной системах США . Давление также может быть выражено через стандартное атмосферное давление ; атмосфера (атм) равна этому давлению, а торр определяется как 1 ⁄ 760 от этого. Манометрические единицы, такие как сантиметр водного столба , миллиметр ртутного столба и дюйм ртутного столба, используются для выражения давления через высоту столба конкретной жидкости в манометре.

Определение

Давление — это величина силы, приложенной перпендикулярно поверхности объекта на единицу площади. Его символ — «p» или P. ^[2] В рекомендациях IUPAC для давления используется строчная буква p . ^[3] Однако широко используется заглавная буква P. Использование P и p зависит от области, в которой человек работает, от присутствия поблизости других символов для таких величин, как мощность и импульс , а также от стиля письма.

Формула

Математически: ^[4]

$${\displaystyle p={\frac {F}{A}},}$$

• ${\displaystyle p}$это давление,
• ${\displaystyle F}$- величина нормальной силы ,
• ${\displaystyle A}$- площадь контактирующей поверхности.

Давление — скалярная величина. Он связывает векторный элемент площади (вектор нормали к поверхности) с действующей на него нормальной силой . Давление — это скалярная константа пропорциональности , которая связывает два нормальных вектора:

$${\displaystyle d\mathbf {F} _{n}=-p\,d\mathbf {A} =-p\,\mathbf {n} \,dA.}$$

Знак минус исходит из соглашения, согласно которому сила считается направленной к элементу поверхности, а вектор нормали направлен наружу. Уравнение имеет смысл в том, что для любой поверхности S , контактирующей с жидкостью, полная сила, действующая жидкостью на эту поверхность, представляет собой поверхностный интеграл по S в правой части приведенного выше уравнения.

Неверно (хотя и довольно обычно) говорить «давление направлено в ту или иную сторону». Давление, как скаляр, не имеет направления. Сила, заданная предыдущим соотношением с величиной, имеет направление, а давление — нет. Если мы изменим ориентацию элемента поверхности, направление нормальной силы соответственно изменится, но давление останется прежним. ^{[ нужна цитата ]}

Давление распределяется по границам твердого тела или по произвольным участкам жидкости , нормальным к этим границам или сечениям в каждой точке. Это фундаментальный параметр в термодинамике , и он сопряжен с объемом . ^[5]

Единицы

Столбец Меркурия

Единицей давления в системе СИ является паскаль (Па), равный одному ньютону на квадратный метр (Н/м ² или кг·м ^-1 · с ^-2 ). Это название отряду было добавлено в 1971 году; ^[6] до этого давление в системе СИ выражалось просто в ньютонах на квадратный метр.

Другие единицы давления, такие как фунты на квадратный дюйм (фунт-сила/дюйм ² ) и бар , также широко используются. Единицей давления СГС является бари (Ба), равный 1 дин·см ^-2 или 0,1 Па. Давление иногда выражается в граммах-силах или килограммах-силах на квадратный сантиметр (г/см ² или кг/см ^{2 ).} ) и т.п. без должного определения единиц силы. Но использование названий килограмм, грамм, килограмм-сила или грамм-сила (или их символов) в качестве единиц силы категорически запрещено в СИ. Техническая атмосфера (обозначение: at) составляет 1 кгс/см ² (98,0665 кПа, или 14,223 фунта на квадратный дюйм).

Давление связано с плотностью энергии и может быть выражено в таких единицах, как джоули на кубический метр (Дж/м ³ , что равно Па). Математически:

$${\displaystyle p={\frac {F\cdot {\text{distance}}}{A\cdot {\text{distance}}}}={\frac {\text{Work}}{\text{Volume}}}={\frac {\text{Energy (J)}}{{\text{Volume }}({\text{m}}^{3})}}.}$$

Некоторые метеорологи предпочитают гектопаскаль (гПа) для атмосферного давления воздуха, что эквивалентно старой единице миллибар (мбар). Аналогичные давления выражаются в килопаскалях (кПа) в большинстве других областей, за исключением авиации, где обычно используется префикс гекто-. Дюймы ртутного столба до сих пор используются в Соединенных Штатах. Океанографы обычно измеряют подводное давление в децибарах (дбар), поскольку давление в океане увеличивается примерно на один децибар на метр глубины.

Стандартная атмосфера (атм) является установленной константой. Оно примерно равно типичному давлению воздуха на среднем уровне моря на Земле и определяется как101 325  Па .

Поскольку давление обычно измеряется по его способности вытеснять столб жидкости в манометре , давление часто выражается как глубина конкретной жидкости (например, сантиметры воды , миллиметры ртутного столба или дюймы ртутного столба ). Наиболее распространенными вариантами являются ртуть (Hg) и вода; вода нетоксична и легко доступна, а высокая плотность ртути позволяет использовать более короткую колонку (и, следовательно, манометр меньшего размера) для измерения заданного давления. Давление, оказываемое столбом жидкости высотой h и плотностью ρ, определяется уравнением гидростатического давления p = ρgh , где g — ускорение свободного падения . Плотность жидкости и местная гравитация могут варьироваться от одного показания к другому в зависимости от местных факторов, поэтому высота столба жидкости не определяет давление точно.

Когда сегодня указываются миллиметры ртутного столба (или дюймы ртутного столба), эти единицы не основаны на физическом столбце ртутного столба; скорее, им были даны точные определения, которые можно выразить в единицах СИ. ^[7] Один миллиметр ртутного столба примерно равен одному торру . Единицы на основе воды по-прежнему зависят от плотности воды, которая является скорее измеряемой, чем определенной величиной. Эти манометрические единицы до сих пор встречаются во многих областях. В большинстве стран мира кровяное давление измеряется в миллиметрах (или сантиметрах) ртутного столба, а давление в легких в сантиметрах водного столба по-прежнему широко распространено. ^{[ нужна цитата ]}

Подводные дайверы используют единицы измерения давления морской воды (msw или MSW) и футы морской воды (fsw или FSW), и это единицы измерения давления, используемые для измерения воздействия давления в камерах для дайвинга и персональных декомпрессионных компьютерах . MSW определяется как 0,1 бар (= 10 000 Па) и не совпадает с погонным метром глубины. 33,066 fsw = 1 атм ^{[ нужна ссылка ]} (1 атм = 101 325 Па / 33,066 = 3 064,326 Па). Преобразование давления из msw в fsw отличается от преобразования длины: 10 msw = 32,6336 fsw, а 10 м = ^{32,8083 фута .}

Манометрическое давление часто указывается в единицах с добавлением буквы «g», например «кПаг», «бар изб.» или «фунт на квадратный дюйм», а единицам измерения абсолютного давления иногда присваивается суффикс «а», чтобы избежать путаницы, например « кПаа», «псиа». Однако Национальный институт стандартов и технологий США рекомендует во избежание путаницы применять любые модификаторы к измеряемой величине, а не к единице измерения. ^[8] Например, « p _g = 100 фунтов на квадратный дюйм» , а не « p = 100 фунтов на квадратный дюйм» .

Дифференциальное давление выражается в единицах с добавлением «d»; этот тип измерения полезен при рассмотрении характеристик уплотнения или при определении того, будет ли клапан открываться или закрываться.

В настоящее время или ранее популярные единицы измерения давления включают следующее:

• атмосфера (атм)
• манометрические единицы:
  • сантиметр, дюйм, миллиметр (торр) и микрометр (мТорр, микрон) ртутного столба,
  • высота эквивалентного столба воды, включая миллиметры (мм H
    ₂О ), сантиметр (см H
    ₂O ), метр, дюйм и фут воды;
• имперские и обычные единицы:
  • кип , короткая тонна-сила , длинная тонна-сила , фунт-сила , унция-сила и фунт на квадратный дюйм,
  • короткая тонна-сила и длинная тонна-сила на квадратный дюйм,
  • fsw (футы морской воды), используемые при подводном плавании, особенно в связи с воздействием давления и декомпрессией при погружении ;
• метрические единицы, не входящие в систему СИ:
  • бар , децибар, миллибар ,
    • msw (метры морской воды), используемый при подводном плавании, особенно в связи с воздействием давления и декомпрессией при погружении ,
  • килограмм-сила, или килопонд, на квадратный сантиметр ( техническая атмосфера ),
  • грамм-сила и тонна-сила (метрическая тонна-сила) на квадратный сантиметр,
  • барье ( дина на квадратный сантиметр),
  • килограмм-сила и тонна-сила на квадратный метр,
  • стен на квадратный метр ( пьез ).

Примеры

Влияние внешнего давления 700 бар на алюминиевый цилиндр с толщиной стенки 5 мм (0,197 дюйма)

В качестве примера разного давления можно прижать палец к стене, не оставив при этом никакого неизгладимого впечатления; однако тот же палец, нажимающий на канцелярскую кнопку , может легко повредить стену. Хотя сила, приложенная к поверхности, одинакова, канцелярская кнопка оказывает большее давление, поскольку острие концентрирует эту силу на меньшей площади. Давление передается на твердые границы или на произвольные участки жидкости, нормальные к этим границам или сечениям в каждой точке. В отличие от напряжения , давление определяется как скалярная величина . Отрицательный градиент давления называется плотностью силы . ^[9]

Другой пример – нож. Если используется плоская кромка, сила распределяется по большей площади поверхности, что приводит к меньшему давлению и не позволяет резать. В то время как использование острой кромки, имеющей меньшую площадь поверхности, приводит к большему давлению, и поэтому нож режет плавно. Это один из примеров практического применения давления ^[10].

Для газов давление иногда измеряется не как абсолютное давление , а относительно атмосферного давления ; такие измерения называются манометрическим давлением . Примером этого является давление воздуха в автомобильной шине , которое можно назвать «220  кПа (32 фунта на квадратный дюйм)», но на самом деле оно на 220 кПа (32 фунта на квадратный дюйм) выше атмосферного давления. Поскольку атмосферное давление на уровне моря составляет около 100 кПа (14,7 фунтов на квадратный дюйм), абсолютное давление в шине составляет около 320 кПа (46 фунтов на квадратный дюйм). В технической работе это написано «манометрическое давление 220 кПа (32 фунта на квадратный дюйм)».

Там, где пространство ограничено, например, на манометрах , заводских табличках , графических надписях и заголовках таблиц, допускается использование модификатора в круглых скобках, например «кПа (манометрическое)» или «кПа (абсолютное)». В технических работах, не относящихся к системе СИ , манометрическое давление 32 фунтов на квадратный дюйм (220 кПа) иногда обозначается как «32 фунтов на квадратный дюйм», а абсолютное давление - как «32 фунтов на квадратный дюйм», хотя другие методы, объясненные выше, избегают присоединения символов к единице измерения давления. давление являются предпочтительными. ^[8]

Манометрическое давление является подходящей мерой давления везде, где интересуются нагрузками на резервуары для хранения и сантехнические компоненты жидкостных систем. Однако всякий раз, когда необходимо рассчитать свойства уравнения состояния, такие как плотности или изменения плотностей, давления должны быть выражены через их абсолютные значения. Например, если атмосферное давление составляет 100 кПа (15 фунтов на квадратный дюйм), газ (например, гелий) при давлении 200 кПа (29 фунтов на квадратный дюйм) (манометрическое) (300 кПа или 44 фунта на квадратный дюйм [абсолютное]) на 50% плотнее, чем тот же газ. при 100 кПа (15 фунтов на квадратный дюйм) (манометрическое) (200 кПа или 29 фунтов на квадратный дюйм [абсолютное]). Ориентируясь на значения датчиков, можно ошибочно заключить, что плотность первого образца была в два раза выше, чем второго. ^{[ нужна цитата ]}

Скалярная природа

В статическом газе кажется, что газ в целом не движется. Однако отдельные молекулы газа находятся в постоянном хаотическом движении . Поскольку существует чрезвычайно большое количество молекул и поскольку движение отдельных молекул хаотично во всех направлениях, движение не обнаруживается. Когда газ хотя бы частично ограничен (то есть не может быстро расширяться), газ будет проявлять гидростатическое давление. Этого ограничения можно достичь либо с помощью какого-либо физического контейнера, либо с помощью гравитационного колодца, такого как планета, также известного как атмосферное давление .

В случае планетарных атмосфер сила градиента давления газа, выталкивающего наружу от более высокого давления, меньших высот к более низкому давлению, более высоким высотам, уравновешивается гравитационной силой , предотвращая диффузию газа в космическое пространство и поддерживая гидростатическое равновесие .

В физическом контейнере давление газа возникает из-за столкновения молекул со стенками контейнера. Стенки контейнера могут находиться где угодно внутри газа, а сила на единицу площади (давление) одинакова. Если «контейнер» сжать до очень маленькой точки (становясь менее верным по мере приближения к атомному масштабу), давление в этой точке все равно будет иметь единственное значение. Следовательно, давление является скалярной величиной, а не векторной величиной. У него есть величина, но нет связанного с ним чувства направления. Сила давления действует во всех направлениях в определенной точке внутри газа. На поверхности газа сила давления действует перпендикулярно (под прямым углом) к поверхности. ^{[ нужна цитата ]}

Близко связанной величиной является тензор напряжений σ , который связывает векторную силу с векторной площадью посредством линейного соотношения . ${\displaystyle \mathbf {F} }$ ${\displaystyle \mathbf {A} }$ ${\displaystyle \mathbf {F} =\sigma \mathbf {A} }$

Этот тензор можно выразить как сумму тензора вязких напряжений минус гидростатическое давление. Отрицательное значение тензора напряжений иногда называют тензором давления, но в дальнейшем термин «давление» будет относиться только к скалярному давлению. ^{[ нужна цитата ]}

Согласно общей теории относительности , давление увеличивает силу гравитационного поля (см. тензор энергии-импульса ) и таким образом усиливает массо-энергетическую причину гравитации . Этот эффект незаметен при обычных давлениях, но значителен для нейтронных звезд , хотя экспериментально он не проверялся. ^[11]

Типы

Давление жидкости

Давление жидкости чаще всего представляет собой сжимающее напряжение в некоторой точке жидкости . (Термин «жидкость» относится как к жидкостям, так и к газам — дополнительную информацию о давлении жидкости см. в разделе ниже.)

Вода вытекает с высокой скоростью из поврежденного гидранта, содержащего воду под высоким давлением.

Давление жидкости возникает в одной из двух ситуаций:

• Открытое состояние, называемое «поток в открытом канале», например океан, бассейн или атмосфера.
• Закрытое состояние, называемое «закрытым трубопроводом», например, водопровод или газопровод.

Давление в открытых условиях обычно можно аппроксимировать как давление в «статических» или неподвижных условиях (даже в океане, где есть волны и течения), поскольку движения создают лишь незначительные изменения давления. Такие условия соответствуют принципам статики жидкости . Давление в любой данной точке неподвижной (статической) жидкости называется гидростатическим давлением .

Закрытые тела жидкости являются либо «статическими», когда жидкость не движется, либо «динамическими», когда жидкость может двигаться либо по трубе, либо за счет сжатия воздушного зазора в закрытом контейнере. Давление в закрытых условиях соответствует принципам гидродинамики .

Концепции давления жидкости преимущественно приписываются открытиям Блеза Паскаля и Даниэля Бернулли . Уравнение Бернулли можно использовать практически в любой ситуации для определения давления в любой точке жидкости. Уравнение делает некоторые предположения о жидкости, например, что жидкость идеальна ^[12] и несжимаема. ^[12] Идеальная жидкость – это жидкость, в которой нет трения, она невязкая ^[12] (нулевая вязкость ). ^[12] Уравнение для всех точек системы, заполненной жидкостью постоянной плотности, имеет вид ^[13]

$${\displaystyle {\frac {p}{\gamma }}+{\frac {v^{2}}{2g}}+z=\mathrm {const} ,}$$

где:

• p , давление жидкости,
• ${\displaystyle {\gamma }}$= ρg , плотность × ускорение свободного падения — (объемный) удельный вес жидкости, ^[12]
• v , скорость жидкости,
• g , ускорение свободного падения ,
• г , высота,
• ${\displaystyle {\frac {p}{\gamma }}}$, напор,
• ${\displaystyle {\frac {v^{2}}{2g}}}$, скоростной напор.

Приложения

• Гидравлические тормоза
• Артезианская скважина
• Артериальное давление
• Гидравлическая головка
• Набухание растительных клеток
• Чаша Пифагора
• Мойка под давлением

Давление взрыва или дефлаграции

Давление взрыва или дефлаграции является результатом возгорания взрывоопасных газов , туманов, пыли/воздушных взвесей в незамкнутых и замкнутых пространствах.

Отрицательное давление

Камера низкого давления в Bundesleistungszentrum Kienbaum , Германия

Хотя давление , как правило, является положительным, существует несколько ситуаций, в которых может возникнуть отрицательное давление:

• При работе с относительным (манометрическим) давлением. Например, абсолютное давление 80 кПа можно описать как манометрическое давление -21 кПа (т.е. на 21 кПа ниже атмосферного давления 101 кПа). Например, абдоминальная декомпрессия — это акушерская процедура, во время которой к животу беременной женщины периодически прикладывают отрицательное манометрическое давление.
• Возможны отрицательные абсолютные давления. Они эффективно растягивают , и как сыпучие материалы, так и сыпучие жидкости могут находиться под отрицательным абсолютным давлением, натягивая их. ^[14] С микроскопической точки зрения молекулы твердых тел и жидкостей обладают притягивающими взаимодействиями, которые подавляют тепловую кинетическую энергию, поэтому некоторое напряжение может поддерживаться. Однако с термодинамической точки зрения сыпучий материал под отрицательным давлением находится в метастабильном состоянии, и он особенно хрупок в случае жидкостей, где состояние отрицательного давления аналогично перегреву и легко подвержено кавитации . ^[15] В определенных ситуациях можно избежать кавитации и поддерживать отрицательное давление неопределенно долго, ^[15] например, было замечено, что жидкая ртуть выдерживает до−425 атм в чистой стеклянной таре. ^[16] Считается, что отрицательное давление жидкости участвует в подъеме сока у растений высотой более 10 м (атмосферное давление воды). ^[17]
• Эффект Казимира может создать небольшую силу притяжения из-за взаимодействия с энергией вакуума ; эту силу иногда называют «давлением вакуума» (не путать с отрицательным манометрическим давлением вакуума).
• Для неизотропных напряжений в твердых телах, в зависимости от того, как выбрана ориентация поверхности, одно и то же распределение сил может иметь компонент положительного напряжения вдоль одной нормали к поверхности и компонент отрицательного напряжения, действующий вдоль другой нормали к поверхности. Тогда давление определяется как среднее из трех главных напряжений.
  • Напряжения в электромагнитном поле , как правило, неизотропны: напряжение, нормальное к одному элементу поверхности (нормальное напряжение ), отрицательное и положительное для элементов поверхности, перпендикулярных этому.
• В космологии темная энергия создает очень небольшое, но космически значимое количество отрицательного давления, которое ускоряет расширение Вселенной .

Стагнационное давление

Давление застоя — это давление, которое оказывает жидкость, когда она вынуждена прекратить движение. Следовательно, хотя жидкость, движущаяся с более высокой скоростью, будет иметь более низкое статическое давление , она может иметь более высокое давление торможения при остановке. Статическое давление и давление застоя связаны соотношением:

$${\displaystyle p_{0}={\frac {1}{2}}\rho v^{2}+p}$$

• ${\displaystyle p_{0}}$давление застоя ,
• ${\displaystyle \rho }$плотность,
• ${\displaystyle v}$скорость потока,
• ${\displaystyle p}$это статическое давление.

Давление движущейся жидкости можно измерить с помощью трубки Пито или одной из ее разновидностей, например зонда Киля или зонда Кобры , соединенного с манометром . В зависимости от того, где на зонде расположены входные отверстия, он может измерять статическое давление или давление торможения.

Поверхностное давление и поверхностное натяжение

Существует двумерный аналог давления – боковая сила на единицу длины, приложенная к линии, перпендикулярной силе.

Поверхностное давление обозначается π:

$${\displaystyle \pi ={\frac {F}{l}}}$$

закона БойляπA = k

Поверхностное натяжение — еще один пример поверхностного давления, но с обратным знаком, поскольку «напряжение» противоположно «давлению».

Давление идеального газа

В идеальном газе молекулы не имеют объема и не взаимодействуют. Согласно закону идеального газа , давление изменяется линейно с температурой и количеством и обратно пропорционально объему:

$${\displaystyle p={\frac {nRT}{V}},}$$

• p – абсолютное давление газа,
• n — количество вещества ,
• Т – абсолютная температура,
• V – объем,
• R — постоянная идеального газа .

Реальные газы демонстрируют более сложную зависимость от переменных состояния. ^[18]

Давление газа

Давление пара — это давление пара , находящегося в термодинамическом равновесии с его конденсированными фазами в замкнутой системе. Все жидкости и твердые вещества имеют тенденцию испаряться в газообразную форму, а все газы имеют тенденцию конденсироваться обратно в жидкую или твердую форму.

Точка кипения жидкости при атмосферном давлении (также известная как нормальная точка кипения ) — это температура, при которой давление пара равняется атмосферному давлению окружающей среды. При любом постепенном повышении этой температуры давление пара становится достаточным, чтобы преодолеть атмосферное давление и поднять жидкость, образуя пузырьки пара внутри основной массы вещества. Для образования пузырьков глубже в жидкости требуется более высокое давление и, следовательно, более высокая температура, поскольку с увеличением глубины давление жидкости превышает атмосферное давление.

Давление пара, которое один компонент смеси вносит в общее давление в системе, называется парциальным давлением пара .

Давление жидкости

Когда человек плавает под водой, ощущается давление воды, действующее на барабанные перепонки человека. Чем глубже плывет человек, тем больше давление. Ощущаемое давление возникает из-за веса воды над человеком. Когда кто-то плывет глубже, над человеком оказывается больше воды и, следовательно, большее давление. Давление, которое оказывает жидкость, зависит от ее глубины.

Давление жидкости также зависит от плотности жидкости. Если бы кто-то погрузился в жидкость более плотную, чем вода, давление было бы соответственно больше. Таким образом, можно сказать, что глубина, плотность и давление жидкости прямо пропорциональны. Давление жидкости в столбах жидкости постоянной плотности или на глубине внутри вещества представляется следующей формулой:

$${\displaystyle p=\rho gh,}$$

• p – давление жидкости,
• g – сила тяжести на поверхности облицовочного материала,
• ρ – плотность жидкости,
• h — высота столба жидкости или глубина внутри вещества.

Другой способ выразить ту же формулу следующий:

$${\displaystyle p={\text{weight density}}\times {\text{depth}}.}$$

Давление жидкости на стенки и дно сосуда зависит от плотности и глубины жидкости. Если пренебречь атмосферным давлением, то на удвоенной глубине давление жидкости на дно будет в два раза больше; на трехкратной глубине давление жидкости увеличивается втрое; и т. д. Или, если плотность жидкости в два или три раза выше, давление жидкости соответственно в два или три раза выше для любой заданной глубины. Жидкости практически несжимаемы – то есть их объем практически не может быть изменен давлением (объем воды уменьшается всего на 50 миллионных долей своего первоначального объема при каждом атмосферном повышении давления). Таким образом, за исключением небольших изменений, вызванных температурой, плотность конкретной жидкости практически одинакова на всех глубинах.

При попытке определить полное давление, действующее на жидкость, необходимо учитывать атмосферное давление, оказывающее давление на поверхность жидкости . Тогда общее давление жидкости равно ρgh плюс давление атмосферы. Когда это различие важно, используется термин «полное давление» . В противном случае обсуждение давления жидкости относится к давлению без учета обычно вездесущего атмосферного давления.

Давление не зависит от количества присутствующей жидкости. Объем не является важным фактором, важна глубина. Среднее давление воды, действующее на плотину, зависит от средней глубины воды, а не от удерживаемого объема воды. Например, широкое, но мелкое озеро глубиной 3 м (10 футов) оказывает лишь половину среднего давления, которое оказывает небольшой пруд глубиной 6 м (20 футов). ( Общая сила , приложенная к более длинной плотине, будет больше из-за большей общей площади поверхности, на которую будет воздействовать давление. Но для данной секции шириной 5 футов (1,5 м) каждой плотины 10 футов (3,0 м) м) на глубокой воде будет действовать четверть силы силы воды на глубине 20 футов (6,1 м). Человек будет чувствовать одинаковое давление независимо от того, погружена ли его голова на метр под поверхность воды в небольшом бассейне или на такую ​​же глубину посреди большого озера.

Если четыре соединенные между собой вазы содержат разное количество воды, но все они заполнены на одинаковую глубину, то на рыбу, голова которой погружена на несколько сантиметров под поверхность, будет действовать давление воды, одинаковое в любой из ваз. Если рыба заплывет на несколько сантиметров глубже, давление на рыбу будет увеличиваться с глубиной и будет одинаковым независимо от того, в какой вазе находится рыба. Если рыба плывет на дно, давление будет больше, но это не имеет значения. в какой вазе она находится. Все вазы наполнены на одинаковую глубину, поэтому давление воды на дне каждой вазы одинаково, независимо от ее формы и объема. Если бы давление воды на дне вазы было больше, чем давление воды на дне соседней вазы, большее давление заставило бы воду двигаться вбок, а затем подниматься по более узкой вазе на более высокий уровень, пока давления внизу не выровнялись. Давление зависит от глубины, а не от объема, поэтому есть причина, по которой вода стремится к своему собственному уровню.

Если перефразировать это как уравнение энергии, то энергия единицы объема идеальной несжимаемой жидкости постоянна во всем ее сосуде. На поверхности гравитационная потенциальная энергия велика, но энергия давления жидкости мала. На дне сосуда вся потенциальная энергия гравитации преобразуется в энергию давления. Сумма энергии давления и потенциальной энергии гравитации на единицу объема постоянна во всем объеме жидкости, и два компонента энергии изменяются линейно с глубиной. ^[19] Математически это описывается уравнением Бернулли , где скоростной напор равен нулю, а сравнения на единицу объема в сосуде равны

$${\displaystyle {\frac {p}{\gamma }}+z=\mathrm {const} .}$$

Термины имеют то же значение, что и в разделе «Давление жидкости».

Направление давления жидкости

Экспериментально установленный факт о давлении жидкости заключается в том, что оно действует одинаково во всех направлениях. ^[20] Если кто-то погрузился в воду, независимо от того, как человек наклоняет голову, он почувствует одинаковое давление воды на свои уши. Поскольку жидкость может течь, это давление направлено не только вниз. Видно, что давление действует вбок, когда вода льется в сторону из-за протечки в боковой части вертикальной банки. Давление также действует вверх, как показано, когда кто-то пытается затолкнуть пляжный мяч под поверхность воды. Дно лодки выталкивается вверх под давлением воды ( плавучесть ).

Когда жидкость прижимается к поверхности, возникает результирующая сила, перпендикулярная поверхности. Хотя давление не имеет определенного направления, сила имеет. В погруженном треугольном блоке вода прижимается к каждой точке со многих направлений, но компоненты силы, которые не перпендикулярны поверхности, нейтрализуют друг друга, оставляя только чистую перпендикулярную точку. ^[20] Вот почему вода, бьющая из отверстия в ведре, первоначально выходит из ведра в направлении под прямым углом к ​​поверхности ведра, в котором расположено отверстие. Затем он изгибается вниз под действием силы тяжести. Если в ведре три отверстия (верхнее, нижнее и среднее), то векторы сил, перпендикулярные внутренней поверхности емкости, будут увеличиваться с увеличением глубины – то есть большее давление внизу приводит к тому, что нижнее отверстие стрелять водой дальше всех. Сила, действующая жидкостью на гладкую поверхность, всегда направлена ​​под прямым углом к ​​поверхности. Скорость выхода жидкости из отверстия равна , где h – глубина ниже свободной поверхности. ^[20] Это та же самая скорость, которую имела бы вода (или что-либо еще), если бы она свободно падала на то же вертикальное расстояние h . ${\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {2gh}}}$

Кинематическое давление

$${\displaystyle P=p/\rho _{0}}$$

P²²кинематическая вязкостьуравнения Навье – Стокса ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle \rho _{0}}$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle \rho _{0}}$

Уравнение Навье–Стокса с кинематическими величинами.

$${\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial t}}+(u\nabla )u=-\nabla P+\nu \nabla ^{2}u.}$$

Смотрите также

• Закон Бойля  - Связь между давлением газа и объемом.
• Комбинированный газовый закон  - комбинация газовых законов Шарля, Бойля и Гей-Люссака.
• Преобразование единиц  – Сравнение различных шкал.
• Критическая точка (термодинамика)  - точка температуры и давления, при которой фазовые границы исчезают.
• Анализ размерностей  - анализ взаимосвязей между различными физическими величинами.
• Динамическое давление  - кинетическая энергия единицы объема жидкости.
• Электрический потенциал  - Линейный интеграл электрического поля.
• Давление вырождения электрона  - Сила отталкивания в квантовой механике
• Высокое давление  – большая сила распределена по небольшой площади.
• Гидравлика  - Прикладная техника, связанная с жидкостями.
• Внутреннее давление  - мера того, как изменяется внутренняя энергия системы, когда она расширяется или сжимается при постоянной температуре.Pages displaying wikidata descriptions as a fallback
• Кинетическая теория  - Историческая физическая модель газов.
• Микрофон  – устройство, преобразующее звук в электрический сигнал.
• Порядки величины (давление)
• Парциальное давление  - давление компонента газа в смеси.
• Измерение давления  – анализ силы, приложенной жидкостью к поверхности.
• Датчик давления  – анализ силы, приложенной жидкостью к поверхности.Pages displaying short descriptions of redirect targets
• Звуковое давление  - местное отклонение давления, вызванное звуковой волной.
• Статическое давление  - термин в механике жидкости.
• Хронология технологии измерения температуры и давления
• Закон Торричелли  - Теорема механики жидкости.
• Вакуумный насос  - оборудование, создающее относительный вакуум.
• Изменение давления по вертикали  - изменение давления в зависимости от высоты.

Примечания

1. Предпочтительное написание зависит от страны и даже отрасли. Кроме того, оба написания часто используются в конкретной отрасли или стране. В промышленности британских англоязычных стран обычно используется написание «калибровка».

Рекомендации

1. Найт, доктор философии, Рэндалл Д. (2007). «Механика жидкости». Физика для ученых и инженеров: стратегический подход (Google книги) (2-е изд.). Сан-Франциско: Пирсон Аддисон Уэсли. п. 1183. ИСБН 978-0-321-51671-8. Проверено 6 апреля 2020 г. Давление само по себе не является Силой, хотя мы иногда «неформально» говорим о «силе, оказываемой давлением». Правильным утверждением является то, что Жидкость оказывает силу на поверхность. Кроме того, Давление является скаляром, а не вектором.
2. Джанколи, Дуглас Г. (2004). Физика: принципы с приложениями . Река Аппер-Седл, Нью-Джерси: Pearson Education. ISBN 978-0-13-060620-4.
3. Макнот, AD; Уилкинсон, А.; Ник, М.; Джират, Дж.; Косата, Б.; Дженкинс, А. (2014). ИЮПАК. Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга»). 2.3.3. Оксфорд: Научные публикации Блэквелла. doi :10.1351/goldbook.P04819. ISBN 978-0-9678550-9-7. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г.
4. Р Неф. "Давление". Гиперфизика . Государственный университет Джорджии, факультет физики и астрономии . Проверено 5 марта 2022 г.
5. Альберти, Роберт А. (2001). «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ЛЕЖЕНДРА В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ (Технический отчет ИЮПАК)» (PDF) . Чистое приложение. Хим . 73 (8): 1349–1380. дои : 10.1351/pac200173081349. S2CID  98264934 . Проверено 1 ноября 2021 г. См. Таблицу 1 Сопряженные пары переменных... (стр.1357)
6. «14-я конференция Международного бюро мер и весов». Bipm.fr. Архивировано из оригинала 30 июня 2007 г. Проверено 27 марта 2012 г.
7. Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), стр. 127, ISBN 92-822-2213-6, заархивировано (PDF) из оригинала 04 июня 2021 г. , получено 16 декабря 2021 г.
8. «Правила и соглашения о стиле для выражения значений величин». НИСТ . 2 июля 2009 г. Архивировано из оригинала 10 июля 2009 г. Проверено 7 июля 2009 г.
9. Лаутруп, Бенни (2005). Физика сплошной материи: экзотические и повседневные явления в макроскопическом мире . Бристоль: Институт физики. п. 50. ISBN 9780750307529.
10. Брайтаупт, Джим (2015). Физика (Четвертое изд.). Бейзингсток: Пэлгрейв Макмиллан. п. 106. ИСБН 9781137443243.
11. Вишвакарма, Рам Гопал (2009). «Гравитация Эйнштейна под давлением». Астрофизика и космическая наука . 321 (2): 151–156. arXiv : 0705.0825 . Бибкод : 2009Ap&SS.321..151V. дои : 10.1007/s10509-009-0016-8. S2CID  218673952.
12. Финнемор, Джон Э. и Джозеф Б. Франзини (2002). Механика жидкости: с инженерными приложениями . Нью-Йорк: McGraw Hill, Inc., стр. 14–29. ISBN 978-0-07-243202-2.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
13. NCEES (2011). Основы инженерного дела: прилагаемый справочный справочник . Клемсон, Южная Каролина: NCEES. п. 64. ИСБН 978-1-932613-59-9.
14. Имре, Арканзас (2007). «Как создать и измерить отрицательное давление в жидкостях?». Мягкая материя под экзогенными воздействиями . Серия НАТО по науке II: Математика, физика и химия. Том. 242. стр. 379–388. дои : 10.1007/978-1-4020-5872-1_24. ISBN 978-1-4020-5871-4. ISSN  1568-2609.
15. Имре, AR; Марис, HJ; Уильямс, PR, ред. (2002). Жидкости под отрицательным давлением (Nato Science Series II) . Спрингер. дои : 10.1007/978-94-010-0498-5. ISBN 978-1-4020-0895-5.
16. Бриггс, Лайман Дж. (1953). «Предельное отрицательное давление ртути в стекле из пирекса». Журнал прикладной физики . 24 (4): 488–490. Бибкод : 1953JAP....24..488B. дои : 10.1063/1.1721307. ISSN  0021-8979.
17. Карен Райт (март 2003 г.). «Физика отрицательного давления». Обнаружить . Архивировано из оригинала 8 января 2015 года . Проверено 31 января 2015 г.
18. П. Аткинс, Дж. де Паула Элементы физической химии , 4-е изд., WH Freeman, 2006. ISBN 0-7167-7329-5 . 
19. Стритер, В.Л., Механика жидкости , пример 3.5, McGraw – Hill Inc. (1966), Нью-Йорк.
20. Hewitt 251 (2006) ^{[ нужна полная цитата ]}

Внешние ссылки

• Введение в статику и динамику жидкости в проекте PHYSNET
• Давление является скалярной величиной
• wikiUnits.org - Конвертировать единицы давления