Давление

Сила, распределенная по площади

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

Для выражения давления используются различные единицы. Некоторые из них происходят от единицы силы, деленной на единицу площади; например, единица давления в системе СИ , паскаль (Па), составляет один ньютон на квадратный метр (Н/м ² ); аналогично, фунт-сила на квадратный дюйм ( psi , обозначение lbf/in ² ) является традиционной единицей давления в имперской и американской системах. Давление также может быть выражено в терминах стандартного атмосферного давления ; единица атмосфера (атм) равна этому давлению, а торр определяется как 1 ⁄ 760 этого давления. Манометрические единицы, такие как сантиметр водяного столба , миллиметр ртутного столба и дюйм ртутного столба, используются для выражения давления в терминах высоты столба определенной жидкости в манометре.

Определение

Давление — это количество силы, приложенной перпендикулярно поверхности объекта на единицу площади. Символ для него — «p» или P . ^[2] Рекомендация ИЮПАК для давления — строчная буква p . ^[3] Однако широко используется заглавная буква P . Использование P против p зависит от области, в которой работает человек, от наличия поблизости других символов для таких величин, как мощность и импульс , а также от стиля написания.

Формула

Математически: ^[4] где: $${\displaystyle p={\frac {F}{A}},}$$

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

Давление — скалярная величина. Оно связывает элемент векторной площади (вектор, нормальный к поверхности) с нормальной силой, действующей на него. Давление — это скалярная константа пропорциональности , связывающая два нормальных вектора: $${\displaystyle d\mathbf {F} _{n}=-p\,d\mathbf {A} =-p\,\mathbf {n} \,dA.}$$

Знак минус исходит из соглашения, что сила рассматривается по направлению к элементу поверхности, в то время как нормальный вектор указывает наружу. Уравнение имеет смысл в том, что для любой поверхности S , контактирующей с жидкостью, полная сила, оказываемая жидкостью на эту поверхность, является поверхностным интегралом по S правой части приведенного выше уравнения.

Неправильно (хотя и довольно обычно) говорить «давление направлено в таком-то направлении». Давление, как скаляр, не имеет направления. Сила, заданная предыдущим отношением к величине, имеет направление, а давление — нет. Если мы изменим ориентацию элемента поверхности, направление нормальной силы изменится соответственно, но давление останется прежним. ^{[ необходима цитата ]}

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

Единицы

Столбец ртути

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

Другие единицы давления, такие как фунты на квадратный дюйм (lbf/in ² ) и бар , также широко используются. Единицей давления CGS является бари (Ba), равная 1 дин·см ⁻² , или 0,1 Па. Давление иногда выражается в грамм-силах или килограмм-силах на квадратный сантиметр («г/см ² » или «кг/см ² ») и т. п. без надлежащего определения единиц силы. Но использование названий килограмм, грамм, килограмм-сила или грамм-сила (или их символов) в качестве единиц силы устарело в СИ. Техническая атмосфера (символ: ат) 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 измерения давления атмосферного воздуха, что эквивалентно более старой единице миллибар (мбар). Аналогичные давления указываются в килопаскалях (кПа) в большинстве других областей, за исключением авиации, где обычно используется приставка гекто-. Дюйм ртутного столба все еще используется в Соединенных Штатах. Океанографы обычно измеряют подводное давление в децибарах (дбар), поскольку давление в океане увеличивается примерно на один децибар на каждый метр глубины.

Стандартная атмосфера (атм) — это установленная константа. Она приблизительно равна 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 определенной жидкости (например, сантиметры водяного столба , миллиметры ртутного столба или дюймы ртутного столба ). Наиболее распространенным выбором являются ртуть (Hg) и вода; вода нетоксична и легкодоступна, в то время как высокая плотность ртути позволяет использовать более короткий столб (и, следовательно, меньший манометр) 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 локальная сила тяжести могут меняться от одного показания к другому в зависимости от локальных 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 столбе ртути; скорее, им были даны точные определения, которые могут быть выражены в единицах СИ. ^[7] Один миллиметр ртутного столба приблизительно равен одному торру . Водные единицы по-прежнему зависят от плотности воды, измеряемой, а не определяемой величины. Эти манометрические единицы по-прежнему встречаются во многих областях. Кровяное давление измеряется в миллиметрах (или сантиметрах) ртутного столба в большинстве стран мира, а давление в легких по-прежнему распространено в сантиметрах водяного столба. ^{[ необходима цитата ]}

Подводные дайверы используют единицы измерения давления метр морской воды (msw или MSW) и фут морской воды (fsw или FSW), и это единицы измерения для манометров, используемых для измерения воздействия давления в барокамерах и персональных декомпрессионных компьютерах . Msw определяется как 0,1 бар (= 10 000 Па), это не то же самое, что линейный метр глубины. 33,066 fsw = 1 атм ^{[ нужна цитата ]} (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, в то время как 10 м = 32,8083 фута. ^{[ нужна цитата ]}

Манометрическое давление часто указывается в единицах с добавлением «g», например, «kPag», «barg» или «psig», а единицы измерения абсолютного давления иногда обозначаются суффиксом «a», чтобы избежать путаницы, например, «kPaa», «psia». Однако Национальный институт стандартов и технологий США рекомендует, чтобы во избежание путаницы любые модификаторы применялись к измеряемой величине, а не к единице измерения. ^[8] Например, « p _g = 100 psi» вместо « p = 100 psig» .

Дифференциальное давление выражается в единицах с добавлением «d»; этот тип измерения полезен при рассмотрении эффективности уплотнения или при определении того, откроется или закроется клапан.

В настоящее время или ранее популярными единицами измерения давления являются следующие:

• атмосфера (атм)
• манометрические единицы:
  • сантиметр, дюйм, миллиметр (торр) и микрометр (мТорр, микрон) ртутного столба,
  • высота эквивалентного столба воды, включая миллиметр (мм H
    ₂O ), сантиметр (см H
    ₂O ), метр, дюйм и фут водяного столба;
• Имперские и традиционные единицы:
  • кип , короткая тонна-сила , длинная тонна-сила , фунт-сила , унция-сила и фунталь на квадратный дюйм,
  • короткая тонна-сила и длинная тонна-сила на квадратный дюйм,
  • fsw (футы морской воды) используется при подводном плавании, особенно в связи с воздействием давления при погружениях и декомпрессией ;
• Не метрические единицы СИ:
  • бар , децибар, миллибар ,
    • msw (метры морской воды), используется при подводном плавании, в частности, в связи с воздействием давления при погружении и декомпрессией ,
  • килограмм-сила, или килопонд, на квадратный сантиметр ( техническая атмосфера ),
  • грамм-сила и тонна-сила (метрическая тонна-сила) на квадратный сантиметр,
  • бари ( дина на квадратный сантиметр),
  • килограмм-сила и тонна-сила на квадратный метр,
  • стен на квадратный метр ( пьеза ).

Примеры

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

В качестве примера различных давлений, палец может быть прижат к стене, не оставляя никакого длительного следа; однако, тот же палец, нажимающий на кнопку, может легко повредить стену. Хотя сила, приложенная к поверхности, одинакова, кнопка оказывает большее давление, поскольку точка концентрирует эту силу на меньшей площади. Давление передается на твердые границы или через произвольные сечения 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 плоский край, сила распределяется по большей площади поверхности, что приводит к меньшему давлению, и нож не режет. В то время как использование острого края, который имеет 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 было бы 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 фунта на квадратный дюйм), абсолютное давление в шине составляет около 320 кПа (46 фунта на квадратный дюйм). В технической работе это записывается как «манометрическое давление 220 кПа (32 фунта на квадратный дюйм)».

В случаях, когда пространство ограничено, например, на манометрах , табличках с названиями , надписях графиков и заголовках таблиц, допускается использование модификатора в скобках, например, «кПа (манометрическое)» или «кПа (абсолютное)». ^[11] В технических работах, не относящихся к системе СИ , манометрическое давление 32 фунта на квадратный дюйм (220 кПа) иногда записывается как «32 фунта на квадратный дюйм изб.», а абсолютное давление как «32 фунта на квадратный дюйм абс.», хотя предпочтительны другие методы, описанные выше, которые избегают присоединения символов к единице давления. ^[8]

Манометрическое давление является соответствующей мерой давления, когда интересуются нагрузкой на сосуды для хранения и компоненты трубопроводов систем струйной техники. Однако, когда необходимо рассчитать свойства уравнения состояния, такие как плотность или изменение плотности, давление должно быть выражено в терминах его абсолютных значений. Например, если атмосферное давление составляет 100 кПа (15 фунтов на кв. дюйм), газ (такой как гелий) при 200 кПа (29 фунтов на кв. дюйм) (манометрическое) (300 кПа или 44 фунта на кв. дюйм [абсолютное]) на 50% плотнее, чем тот же газ при 100 кПа (15 фунтов на кв. дюйм) (манометрическое) (200 кПа или 29 фунтов на кв. дюйм [абсолютное]). Сосредоточившись на значениях манометра, можно ошибочно заключить, что первый образец имел плотность в два раза больше, чем второй. ^{[ необходима цитата ]}

Скалярная природа

В статическом газе 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 является хаотичным во всех направлениях, никакого движения не обнаруживается. Когда газ хотя бы частично ограничен (то есть не может быстро расширяться), газ будет проявлять гидростатическое давление. Это ограничение может быть достигнуто либо с помощью какого-либо физического контейнера, либо в гравитационном колодце, таком как планета, иначе известном как атмосферное давление .

В случае планетарных атмосфер сила градиента давления газа, выталкивающая его из областей с более высоким давлением и меньшими высотами в области с более низким давлением и большими высотами, уравновешивается силой гравитации , что препятствует диффузии газа в космическое пространство и поддерживает 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 (становящейся все менее истинной по мере приближения к атомному масштабу), давление все равно будет иметь единственное значение в этой точке. Следовательно, давление является скалярной величиной, а не векторной. Оно имеет величину, но не направление, связанное с ним. Сила давления действует во всех направлениях в точке внутри газа. На поверхности газа сила давления действует перпендикулярно (под прямым углом) к поверхности. ^[12]

Тесно 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 может быть выражен как сумма тензора вязкого напряжения минус гидростатическое давление. Отрицательное значение тензора напряжения иногда называют тензором давления, но в дальнейшем термин «давление» будет относиться только к скалярному давлению. ^[13]

Согласно общей теории относительности , давление увеличивает силу гравитационного поля (см. тензор энергии-импульса ) и, таким образом, добавляет массу-энергию к причине гравитации . Этот эффект незаметен при обычных давлениях, но имеет значение в нейтронных звездах , хотя он не был экспериментально проверен. ^[14]

Типы

Давление жидкости

Давление жидкости чаще всего представляет собой сжимающее напряжение в некоторой точке внутри жидкости . (Термин «жидкость» относится как к жидкостям, так и к газам — для получения более подробной информации о давлении жидкости см. раздел ниже.)

Вода вырывается с большой скоростью из поврежденного гидранта, в котором находится вода под высоким давлением.

Давление жидкости возникает в одной из двух ситуаций:

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

Давление в открытых условиях обычно можно аппроксимировать как давление в "статичных" 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 заданной точке неподвижной (статичной) жидкости называется гидростатическим давлением .

Закрытые тела жидкости являются либо «статичными», когда жидкость не движется, либо «динамичными», когда жидкость может двигаться как в трубе, так и сжимая воздушный зазор в закрытом контейнере. Давление в закрытых условиях соответствует принципам гидродинамики .

Концепции давления жидкости в основном приписываются открытиям Блеза Паскаля и Даниила Бернулли . Уравнение Бернулли может быть использовано практически в любой ситуации для определения давления в любой точке жидкости. Уравнение делает некоторые предположения о жидкости, такие как то, что жидкость идеальна ^[15] и несжимаема. ^[15] Идеальная жидкость — это жидкость, в которой нет трения, она невязка ^[15] (нулевая вязкость ). ^[15] Уравнение для всех точек системы, заполненной жидкостью постоянной плотности, имеет вид ^[16] $${\displaystyle {\frac {p}{\gamma }}+{\frac {v^{2}}{2g}}+z=\mathrm {const} ,}$$

где:

• p , давление жидкости,
• ${\displaystyle {\gamma }}$= ρg , плотность × ускорение свободного падения – это (объемный) удельный вес жидкости, ^[15]
• v , скорость жидкости,
• g , ускорение свободного падения ,
• z , высота,
• ${\displaystyle {\frac {p}{\gamma }}}$, напорный столб,
• ${\displaystyle {\frac {v^{2}}{2g}}}$, скоростной напор.

Приложения

• Гидравлические тормоза
• артезианская скважина
• Артериальное давление
• Гидравлическая головка
• Тургенность растительных клеток
• Пифагорейская чаша
• Мойка под давлением

Давления взрыва или дефлаграции

Давления взрыва или дефлаграции возникают в результате воспламенения взрывоопасных газов , туманов, пылевоздушных взвесей в открытых и закрытых пространствах.

Отрицательное давление

Камера низкого давления в Bundesleistungszentrum Kienbaum , Германия

Хотя в целом давление является положительным, существуют несколько ситуаций, в которых может возникнуть отрицательное давление:

• При работе с относительными (манометрическими) давлениями. 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 прикладывается отрицательное манометрическое давление.
• Отрицательное абсолютное давление возможно. Оно эффективно натяжение , и как сыпучие твердые тела, так и сыпучие жидкости могут быть помещены под отрицательное абсолютное давление, натягивая их. ^[17] Микроскопически молекулы в твердых телах и жидкостях имеют притягивающие взаимодействия, которые пересиливают тепловую кинетическую энергию, поэтому некоторое натяжение может поддерживаться. Однако термодинамически сыпучий материал под отрицательным давлением находится в метастабильном состоянии, и он особенно хрупкий в случае жидкостей, где состояние отрицательного давления похоже на перегрев и легко подвержено кавитации . ^[18] В определенных ситуациях кавитации можно избежать, и отрицательное давление может поддерживаться бесконечно, ^[18] например, было замечено, что жидкая ртуть выдерживает до−425 атм в чистых стеклянных контейнерах. ^[19] Считается, что отрицательное давление жидкости участвует в подъеме сока в растениях выше 10 м (атмосферный напор воды). ^[20]
• Эффект Казимира может создавать небольшую силу притяжения за счет 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 поверхности , с компонентом отрицательного напряжения, действующим вдоль другой нормали поверхности. Давление тогда определяется как среднее из трех главных напряжений.
  • Напряжения в электромагнитном поле, как правило, неизотропны, причем напряжение, нормальное к одному элементу поверхности ( нормальное напряжение ), отрицательно, а для элементов поверхности, перпендикулярных ему, — положительно.
• В космологии темная энергия создает очень небольшое , но космически значимое количество отрицательного давления, которое ускоряет расширение Вселенной .

Давление стагнации

Давление стагнации — это давление, которое оказывает жидкость, когда она вынуждена прекратить движение. Следовательно, хотя жидкость, движущаяся с большей скоростью, будет иметь меньшее статическое давление , она может иметь большее давление стагнации, когда ее заставляют остановиться. Статическое давление и давление стагнации связаны соотношением: где $${\displaystyle p_{0}={\frac {1}{2}}\rho v^{2}+p}$$

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

Давление движущейся жидкости можно измерить с помощью трубки Пито или одной из ее разновидностей, таких как зонд Киля или зонд Кобра , соединенных с манометром . В зависимости от того, где на зонде расположены входные отверстия, он может измерять статическое давление или давление застоя.

Поверхностное давление и поверхностное натяжение

Существует двумерный аналог давления — боковая сила на единицу длины, приложенная по линии, перпендикулярной силе.

Поверхностное давление обозначается π: и имеет много схожих свойств с трехмерным давлением. Свойства поверхностных химикатов можно исследовать путем измерения изотерм давления/площади, как двумерного аналога закона Бойля , πA = k , при постоянной температуре. $${\displaystyle \pi ={\frac {F}{l}}}$$

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

Давление идеального газа

В идеальном газе молекулы не имеют объема и не взаимодействуют. Согласно закону идеального газа , давление линейно зависит от температуры и количества и обратно пропорционально объему: где: $${\displaystyle p={\frac {nRT}{V}},}$$

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

Реальные газы демонстрируют более сложную зависимость от переменных состояния. ^[21]

Давление пара

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

Температура кипения жидкости при атмосферном давлении (также известная как нормальная точка кипения ) — это температура, при которой давление пара равно давлению окружающей атмосферы. При любом постепенном повышении этой температуры давление пара становится достаточным для преодоления атмосферного давления и подъема жидкости с образованием пузырьков пара внутри объема вещества. Образование пузырьков глубже в жидкости требует более высокого давления и, следовательно, более высокой температуры, поскольку давление жидкости увеличивается выше атмосферного давления по мере увеличения глубины.

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

Давление жидкости

Когда человек плывет под водой, ощущается давление воды, действующее на барабанные перепонки человека. Чем глубже плывет человек, тем больше давление. Ощущаемое давление обусловлено весом воды над человеком. Чем глубже человек плывет, тем больше воды над человеком и, следовательно, больше давление. Давление, оказываемое жидкостью, зависит от ее глубины.

Давление жидкости также зависит от плотности жидкости. Если бы кто-то был погружен в жидкость, более плотную, чем вода, давление было бы соответственно больше. Таким образом, мы можем сказать, что глубина, плотность и давление жидкости прямо пропорциональны. Давление, создаваемое жидкостью в столбах жидкости постоянной плотности или на глубине внутри вещества, представлено следующей формулой: где: $${\displaystyle p=\rho gh,}$$

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

Эту же формулу можно выразить и по-другому: $${\displaystyle p={\text{weight density}}\times {\text{depth}}.}$$

Давление, которое жидкость оказывает на стенки и дно контейнера, зависит от плотности и глубины жидкости. Если пренебречь атмосферным давлением, давление жидкости на дно вдвое больше на двойной глубине; на утроенной глубине давление жидкости утроится и т. д. Или, если жидкость в два или три раза плотнее, давление жидкости соответственно в два или три раза больше для любой заданной глубины. Жидкости практически несжимаемы, то есть их объем едва ли может быть изменен давлением (объем воды уменьшается всего на 50 миллионных от своего первоначального объема при каждом атмосферном увеличении давления). Таким образом, за исключением небольших изменений, вызванных температурой, плотность конкретной жидкости практически одинакова на всех глубинах.

Атмосферное давление, оказываемое на поверхность жидкости, должно быть принято во внимание при попытке обнаружить полное давление, действующее на жидкость. Полное давление жидкости, таким образом, равно ρgh плюс давление атмосферы. Когда это различие важно, используется термин полное давление . В противном случае обсуждения давления жидкости относятся к давлению без учета обычно всегда присутствующего 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 объема удерживаемой воды. Например, широкое, но мелкое озеро глубиной 3 м (10 футов) оказывает только 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 должно действовать давление. Но для заданного участка шириной 5 футов (1,5 м) каждой плотины вода глубиной 10 футов (3,0 м) будет оказывать одну четверть силы воды глубиной 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 ту же глубину в середине большого озера.

Если четыре соединенные между собой вазы содержат разное количество воды, но все заполнены на одинаковую глубину, то рыба, окунувшая голову на несколько сантиметров под поверхность, будет подвергаться давлению воды, которое одинаково в любой из ваз. Если рыба плывет 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 ко дну, давление будет больше, но не имеет значения, в какой вазе она находится. Все вазы заполнены на одинаковую глубину, поэтому давление воды одинаково на дне каждой вазы, независимо от ее формы или объема. Если бы давление воды на дне вазы было больше, чем давление воды на дне соседней вазы, большее давление заставило бы воду вбок, а затем вверх по более узкой вазе на более высокий уровень, пока давление на дне не выровняется. Давление зависит от глубины, а не от объема, поэтому есть причина, по которой вода ищет свой собственный уровень.

Перефразируя это как уравнение энергии, энергия на единицу объема в идеальной несжимаемой жидкости постоянна по всему ее сосуду. На поверхности гравитационная потенциальная энергия велика, но энергия давления жидкости мала. На дне сосуда вся гравитационная потенциальная энергия преобразуется в энергию давления. Сумма энергии давления и гравитационной потенциальной энергии на единицу объема постоянна по всему объему жидкости, и два компонента энергии линейно изменяются с глубиной. ^[22] 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. ^[23] Если кто-то погружен в воду, независимо от того, в какую сторону человек наклоняет голову, он будет чувствовать одинаковое давление воды на уши. Поскольку жидкость может течь, это давление направлено не только вниз. Давление действует вбок, когда вода бьет струей вбок из дыры в боковой части вертикальной банки. Давление также действует вверх, как показано, когда кто-то пытается затолкать пляжный мяч под поверхность воды. Дно лодки выталкивается вверх давлением воды ( плавучесть ).

Когда жидкость давит на поверхность, возникает чистая сила, перпендикулярная поверхности. Хотя давление не имеет определенного направления, сила имеет. На погруженный треугольный блок вода давит на каждую точку со многих направлений, но компоненты силы, которые не перпендикулярны поверхности, компенсируют друг друга, оставляя только чистую перпендикулярную точку. ^[23] Вот почему скорость частиц жидкости изменяется только в нормальной составляющей после того, как они сталкиваются со стенкой контейнера. Аналогично, если местом столкновения является отверстие, вода, вырывающаяся из отверстия в ведре, первоначально выходит из ведра в направлении под прямым углом к ​​поверхности ведра, в котором находится отверстие. Затем она изгибается вниз из-за силы тяжести. Если в ведре три отверстия (верхнее, нижнее и среднее), то векторы силы, перпендикулярные внутренней поверхности контейнера, будут увеличиваться с увеличением глубины — то есть большее давление внизу делает так, что нижнее отверстие будет выбрасывать воду дальше всего. Сила, оказываемая жидкостью на гладкую поверхность, всегда находится под прямым углом к ​​поверхности. Скорость жидкости, вытекающей из отверстия , равна , где h — глубина под свободной поверхностью. ^[23] Это та же самая скорость, которую имела бы вода (или что-либо еще), если бы свободно падала на то же самое вертикальное расстояние h . ${\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {2gh}}}$

Кинематическое давление

$${\displaystyle P=p/\rho _{0}}$$— кинематическое давление, где — давление и постоянная плотность массы. Единица измерения P в системе СИ — м ² /с ² . Кинематическое давление используется таким же образом, как и кинематическая вязкость , для вычисления уравнения Навье–Стокса без явного указания плотности . ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle \rho _{0}}$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle \rho _{0}}$

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
• Объединенный газовый закон  – Комбинация газовых законов Шарля, Бойля и Гей-Люссака
• Перевод единиц  – Сравнение различных шкал
• Критическая точка (термодинамика)  – точка температуры и давления, при которой исчезают границы фаз.
• Анализ размерностей  – Анализ взаимосвязей между различными физическими величинами.
• Динамическое давление  – кинетическая энергия на единицу объема жидкости.
• Электрический потенциал  – линейный интеграл электрического поля
• Давление вырождения электронов  – Сила отталкивания в квантовой механике
• Высокое давление  – большая сила, распределенная на небольшой площади.
• Гидравлика  – прикладная инженерия, связанная с жидкостями
• Гидростатическое напряжение  – Компонент механического напряжения без сдвига
• 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  – Понимание свойств газа с точки зрения молекулярного движения.
• Микрофон  — устройство, преобразующее звук в электрический сигнал.
• Порядки величин (давления)  – Сравнение широкого диапазона давлений
• Парциальное давление  – давление компонента газа в смеси.
• Измерение давления
• Датчик давления
• Звуковое давление  – локальное отклонение давления, вызванное звуковой волной.
• Статическое давление  – Термин в механике жидкости
• Хронология развития технологий измерения температуры и давления
• Закон Торричелли  – Теорема в механике жидкости
• Вакуумный насос  – оборудование, создающее относительный вакуум.
• Вертикальное изменение давления  – Изменение давления в зависимости от высоты

Примечания

1. Предпочтительный вариант написания варьируется в зависимости от страны и даже отрасли. Кроме того, оба варианта написания часто используются в пределах определенной отрасли или страны. Отрасли в странах, говорящих на британском английском, обычно используют вариант написания "gauge".

Ссылки

1. Найт, Рэндалл Д. (2007). «Механика жидкости». Физика для ученых и инженеров: стратегический подход (google books) (2-е изд.). Сан-Франциско: Pearson Addison Wesley. стр. 1183. ISBN 978-0-321-51671-8. Получено 6 апреля 2020 г. . Само по себе давление не является Силой, хотя мы иногда говорим «неформально» о «силе, оказываемой давлением». Правильное утверждение заключается в том, что Жидкость оказывает силу на поверхность. Кроме того, Давление является скаляром, а не вектором.
2. Giancoli, Douglas G. (2004). Физика: принципы с приложениями . Upper Saddle River, NJ: Pearson Education. ISBN 978-0-13-060620-4.
3. Макнот, А.Д.; Уилкинсон, А.; Ник, М.; Джират, Дж.; Косата, Б.; Дженкинс, А. (2014). ИЮПАК. Компендиум химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга»). 2.3.3. Оксфорд: Blackwell Scientific Publications. doi :10.1351/goldbook.P04819. ISBN 978-0-9678550-9-7. Архивировано из оригинала 2016-03-04.
4. R Nave. «Давление». Гиперфизика . Университет штата Джорджия, кафедра физики и астрономии . Получено 05.03.2022 .
5. Альберти, Роберт А. (2001). «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ЛЕЖАНДРА В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ (Технический отчет ИЮПАК)» (PDF) . Pure Appl. Chem . 73 (8): 1349–1380. doi :10.1351/pac200173081349. S2CID  98264934 . Получено 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 2007-06-30 . Получено 2012-03-27 .
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 2021-06-04 , извлечено 2021-12-16
8. "Правила и соглашения по стилю для выражения значений величин". NIST . 2 июля 2009 г. Архивировано из оригинала 2009-07-10 . Получено 2009-07-07 .
9. Лаутруп, Бенни (2005). Физика непрерывной материи: экзотические и повседневные явления в макроскопическом мире . Бристоль: Институт физики. стр. 50. ISBN 9780750307529.
10. Брейтхаупт, Джим (2015). Физика (Четвертое изд.). Basingstoke: Palgrave Macmillan. стр. 106. ISBN 9781137443243.
11. Институт инженеров электротехники и электроники (1992). 268-1992 .
12. "Руководство по изучению давления газа - Inspirit Learning Inc". 2023-03-28 . Получено 2024-02-11 .
13. "Thermal-FluidsPedia | Давление (термодинамика) | Thermal-Fluids Central". www.thermalfluidscentral.org . Получено 2024-02-11 .
14. Вишвакарма, Рам Гопал (2009). «Гравитация Эйнштейна под давлением». Астрофизика и космическая наука . 321 (2): 151–156. arXiv : 0705.0825 . Bibcode : 2009Ap&SS.321..151V. doi : 10.1007/s10509-009-0016-8. S2CID  218673952.
15. Финнемор, Джон, Э. и Джозеф Б. Францини (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)
16. Основы инженерного дела: прилагаемый справочный справочник . Клемсон, Южная Каролина: NCEES. 2011. стр. 64. ISBN 978-1-932613-59-9.
17. Имре, АР (2007). «Как создать и измерить отрицательное давление в жидкостях?». Мягкая материя под экзогенными воздействиями . NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry. Vol. 242. pp. 379–388. doi :10.1007/978-1-4020-5872-1_24. ISBN 978-1-4020-5871-4. ISSN  1568-2609.
18. Имре, А. Р.; Марис, Х. Дж.; Уильямс, П. Р., ред. (2002). Жидкости под отрицательным давлением (Nato Science Series II) . Springer. doi :10.1007/978-94-010-0498-5. ISBN 978-1-4020-0895-5.
19. Бриггс, Лайман Дж. (1953). «Предельное отрицательное давление ртути в стекле пирекс». Журнал прикладной физики . 24 (4): 488–490. Bibcode : 1953JAP....24..488B. doi : 10.1063/1.1721307. ISSN  0021-8979.
20. Карен Райт (март 2003 г.). «Физика отрицательного давления». Discover . Архивировано из оригинала 8 января 2015 г. . Получено 31 января 2015 г. .
21. П. Аткинс, Дж. де Паула Элементы физической химии , 4-е изд., WH Freeman, 2006. ISBN 0-7167-7329-5 . 
22. Стритер, В.Л., Механика жидкости , пример 3.5, McGraw–Hill Inc. (1966), Нью-Йорк.
23. Hewitt 251 (2006) ^{[ необходима полная цитата ]}

Внешние ссылки

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