Давление

Физика > Давление

Давление – скалярная величина. Это сила на единицу площади, где она влияет в перпендикулярном поверхности направлении.

Задача обучения

• Выявить факторы, характеризующие давление газа.

Основные пункты

• Давление – скалярная величина, рассчитанная как сила на единицу площади. Давление касается только компонента силы, расположенного перпендикулярно поверхности. Так что, если сила влияет под углом, то придется использовать силовой компонент, перпендикулярный поверхности.
• Давление возрастает с увеличением массы объекта или уменьшением площади поверхности.
• Давление, созданное идеальными газами в закрытых контейнерах, обусловливается средним числом столкновений молекул газа об стены контейнера за временную единицу. Давление зависит от количества молекул, температуры и объема контейнера.

Термины

• Кинетическая энергия – энергия в смещающихся объектах с определенной массой.
• Идеальный газ – теоретическое понятие, основанное на случайном движении, где молекулы лишены контакта между собою и с химической точки зрения выступают инертными.

Пример

Рассмотрим давление в шине. Предполагая, что молекулы воздуха внутри нее ведут себя по принципам идеального газа, а объем стабильный, найдите дополнительное количество молекул (nΔ), которое нужно добавить при максимально низком температурном показателе (Tmin) для достижения такого же давления в шинах (P₀), которое просматривается при максимальной температуре (Tmax).

Давление – важная физическая величина, занимающая весомое место во многих вопросах (от термодинамики до твердотельной и жидкой механики). Это скалярное понятие (есть величина, но нет направления) и выступает силой на единицу площади, расположенная перпендикулярно поверхности.

Единицы, уравнения и представления

Измеряется в Па (Паскаль) – Н/м². Элементарная математическая формула:

Давление p =  F / A  (p – давление, F – сила, влияющая перпендикулярно поверхности, A – площадь поверхности).

 

Объект с массой (статичный или движущийся) создает давление на поверхность, с которой находится в контакте. Величина давления рассчитывается из его веса, воздействующего в направлении, перпендикулярном поверхности, разделенном на общую площадь. На рисунке вы также увидите, что будет, если сила действует под углом (θ).

Это графические отображения давления с соответствующими математическими формулами. Справа – случай, когда сила влияет под углом (θ) относительно поверхности

Давление как функция поверхности

Давление зависит от перпендикулярной поверхности силы. Давление растет с увеличением силы и уменьшением площади или уменьшается при противоположных значениях. Допустим у нас есть прямоугольник с весом в 1000 Н, расположенный горизонтально. Площадь контакта – 0.1 м², а давление на этом участке – 1000 Па. Затем берем точно такой же блок, но ставим вертикально, поэтому площадь контакта уменьшается до 0.01 м², оказывая давление в 10 раз больше (10000 Па).

Давление можно повысить через увеличение силы и уменьшение площади или уменьшение силы и увеличение площади

Проще всего это проиллюстрировать на примере ножа: чем он острее, тем лучше режет. Также человек, стоящий на батуте одной ногой, вызовет большее смещение, чем при двух. И все потому, что площадь уменьшается, а давление на батут растет. То же самое касается и веса. Более полный человек давит на поверхность сильнее. Кроме того, чем больше угол воздействия силы, тем она выше. Максимум наступает, если сила перпендикулярна.

Жидкости и газы

Жидкости и газы подобно твердым телам давят на поверхность и объекты, с которыми вступают в контакт. Если столкнулись с идеальным газом, запертым в замкнутый контейнер, то лучше всего анализировать на молекулярном уровне. Молекулы внутри двигаются хаотично, ударяясь в стены контейнера и друг об друга. Вычислив общую среднюю силу всех столкновений за единицу времени, вы сможете точно измерить эффективную силу молекул газа на стенках.

Контейнер выступает ограничителем для чистой силы, поэтому молекулы давят на него. Решить задачу поможет формула:

p = nRT / V (n – число молекул газа, R – идеальная газовая постоянная (8.314 Дж моль^-1 K^-1), T – температура газа, V – объем контейнера).

Давление газа можно увеличить при помощи роста количества столкновений или добавления самих молекул, а также уменьшения площади контейнера. Есть также гидростатическое давление. Его легко вычислить, если воспринимать жидкость как непрерывное вещество, выраженное в энергии на единицу объема.

Здесь вы можете посмотреть, как выглядит идеальный газ, а также то, как перемены в параметрах влияют на давление

---