Druk

vloeistofdruk

vloeistofdruk is meestal de drukspanning op een bepaald punt in een vloeistof. (De term vloeistof verwijst naar zowel vloeistoffen als gassen – voor meer informatie specifiek over vloeistofdruk, zie hieronder.)

vloeistofdruk treedt op in een van de twee situaties:

1. een open toestand, genaamd “open channel flow”, bijvoorbeeld de oceaan, een zwembad, of de atmosfeer.
2. een gesloten toestand, “gesloten leiding” genoemd, bijvoorbeeld een waterleiding of gasleiding.

druk in open omstandigheden kan gewoonlijk worden benaderd als de druk in “statische” of niet-bewegende omstandigheden (zelfs in de oceaan waar er golven en stromingen zijn), omdat de bewegingen slechts verwaarloosbare veranderingen in de druk veroorzaken. Dergelijke voorwaarden voldoen aan de principes van vloeibare statica. De druk op een bepaald punt van een niet-bewegende (statische) vloeistof wordt de hydrostatische druk genoemd.

gesloten vloeistoflichamen zijn ofwel “statisch” wanneer de vloeistof niet beweegt, ofwel “dynamisch” wanneer de vloeistof kan bewegen zoals in een leiding of door een luchtspleet in een gesloten tank te comprimeren. De druk in gesloten omstandigheden voldoet aan de principes van vloeistofdynamica.

de begrippen vloeistofdruk worden voornamelijk toegeschreven aan de ontdekkingen van Blaise Pascal en Daniel Bernoulli. Bernoulli ‘ s vergelijking kan in bijna elke situatie worden gebruikt om de druk op elk punt in een vloeistof te bepalen. De vergelijking maakt een aantal veronderstellingen over de vloeistof, zoals de vloeistof die ideaal en incompressible. Een ideale vloeistof is een vloeistof waarin geen wrijving is, het is onzichtbaar (nul viscositeit). De vergelijking voor alle punten van een systeem gevuld met een vloeistof met constante dichtheid is

p γ + v 2 2 g + z = c o n S t, {\displaystyle {\frac {p} {\gamma }} +{\frac {v^{2}}{2g}}+z=\mathrm {const} ,}

waarbij:

p, de druk van de vloeistof, γ {\displaystyle {\gamma }}

= pg, dichtheid × versnelling van de zwaartekracht is de (volume-) het soortelijk gewicht van de vloeistof, v, de snelheid van de vloeistof, g de versnelling van de zwaartekracht, z, hoogte, p γ {\displaystyle {\frac {p}{\gamma }}}

, druk hoofd, v 2 2 g {\displaystyle {\frac {v^{2}}{2g}}}

, snelheid hoofd.

Applicatiededit

• hydraulische remmen
• geboorde put
• bloeddruk
• hydraulische kop
• turgidity
• Pythagorean cup

Explosiedruk of deflagratiedruk

Explosiedruk of deflagratiedruk zijn het resultaat van de ontbranding van explosieve gassen, nevels, stof/lucht suspensies, in onbeperkte en beperkte ruimten.

onderdruk

hoewel de druk over het algemeen positief is, zijn er verschillende situaties waarin negatieve druk kan optreden:

• bij het omgaan met relatieve (gauge) druk. Een absolute druk van 80 kPa kan bijvoorbeeld worden omschreven als een overdruk van -21 kPa (d.w.z. 21 kPa onder een atmosferische druk van 101 kPa). Abdominale decompressie is bijvoorbeeld een obstetrische procedure waarbij een negatieve ijkdruk met tussenpozen wordt toegepast op de buik van een zwangere vrouw.
• absolute negatieve drukken zijn mogelijk. Ze zijn effectief spanning, en zowel bulk vaste stoffen en bulk vloeistoffen kunnen onder negatieve absolute druk worden gezet door eraan te trekken. Microscopisch, hebben de molecules in vaste stoffen en vloeistoffen aantrekkelijke interactie die de thermische kinetische energie overmeesteren, zodat sommige spanning kan worden gehandhaafd. Thermodynamisch is een bulkmateriaal onder onderdruk echter in een metastabiele toestand en is het vooral kwetsbaar in het geval van vloeistoffen waarbij de onderdruktoestand vergelijkbaar is met oververhitting en gemakkelijk vatbaar is voor cavitatie. In bepaalde situaties kan de cavitatie worden vermeden en negatieve druk onbeperkt aanhouden, bijvoorbeeld, vloeibaar kwik is waargenomen te houden tot -425 atm in schone glazen containers. Men vermoedt dat negatieve vloeistofdrukken betrokken zijn bij de opklimming van sap in planten groter dan 10 m (de atmosferische druk van het water).
• het Casimir-effect kan een kleine aantrekkingskracht veroorzaken door interacties met vacuümenergie; deze kracht wordt soms “vacuümdruk” genoemd (niet te verwarren met de negatieve ijkdruk van een vacuüm).
• voor niet-isotrope spanningen in stijve lichamen kan, afhankelijk van de keuze van de oriëntatie van een oppervlak, dezelfde verdeling van krachten een component van positieve druk langs één normaal oppervlak hebben, waarbij een component van negatieve druk langs een ander normaal oppervlak werkt.
  • de spanningen in een elektromagnetisch veld zijn in het algemeen niet-isotroop, waarbij de druk die normaal is voor één oppervlak-element (de normale spanning) negatief is en de druk die loodrecht daarop staat, positief is.
• in de kosmologie creëert donkere energie een zeer kleine maar kosmisch significante hoeveelheid negatieve druk, die de expansie van het universum versnelt.

Stagnatiedruk

Stagnatiedruk is de druk die een vloeistof uitoefent wanneer deze wordt gedwongen te stoppen met bewegen. Bijgevolg, hoewel een vloeistof die met een hogere snelheid beweegt een lagere statische druk zal hebben, kan het een hogere stagnatiedruk hebben wanneer het tot stilstand wordt gedwongen. Statische druk en stagnatiedruk zijn gerelateerd aan:

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

waar

p 0 {\displaystyle p_{0}}

is de stagnatie druk, ρ {\displaystyle \rho }

is de dichtheid, v {\displaystyle v}

is de stroomsnelheid, p {\displaystyle p}

is de statische druk.

de druk van een bewegende vloeistof kan worden gemeten met behulp van een pitotbuis of een van zijn variaties, zoals een Kiel-of Cobra-sonde, verbonden met een manometer. Afhankelijk van waar de inlaatgaten zich op de sonde bevinden, kan deze statische druk of stagnatiedruk meten.

oppervlaktedruk en oppervlaktespanning

er is een tweedimensionaal analoog van druk – de laterale kracht per lengte-eenheid die wordt uitgeoefend op een lijn loodrecht op de kracht.

oppervlaktedruk wordt aangegeven door π:

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

en deelt veel vergelijkbare eigenschappen met driedimensionale druk. Eigenschappen van oppervlaktechemicaliën kunnen worden onderzocht door druk – / Oppervlakte-isothermen te meten, als het tweedimensionale analoog van Boyle ‘ s wet, nA = k, bij constante temperatuur.

oppervlaktespanning is een ander voorbeeld van oppervlaktedruk, maar met een omgekeerd teken, omdat “spanning” het tegenovergestelde is van “druk”.Hoofdartikel: ideale gaswet

in een ideaal gas hebben moleculen geen volume en hebben ze geen interactie. Volgens de ideale gaswet varieert de druk lineair met temperatuur en hoeveelheid en omgekeerd met volume:

p = n R T V, {\displaystyle p={\frac {nRT}{V}},}

waarbij:

p de absolute druk van het gas is, n de hoeveelheid stof, T de absolute temperatuur, V het volume, R de ideale gasconstante.

reële gassen zijn complexer afhankelijk van de toestandsvariabelen.Vapour pressuredit

Vapour pressure is de druk van een damp in thermodynamisch evenwicht met zijn gecondenseerde fasen in een gesloten systeem. Alle vloeistoffen en vaste stoffen hebben de neiging om te verdampen in een gasvormige vorm, en alle gassen hebben de neiging om terug te condenseren naar hun vloeibare of vaste vorm.

het kookpunt van een vloeistof (ook bekend als het normale kookpunt) is de temperatuur waarbij de dampdruk gelijk is aan de atmosferische druk. Bij een toenemende temperatuurstijging wordt de dampdruk voldoende om de atmosferische druk te overwinnen en de vloeistof op te heffen om dampbellen te vormen in het grootste deel van de stof. Bellenvorming dieper in de vloeistof vereist een hogere druk, en dus hogere temperatuur, omdat de vloeistofdruk stijgt boven de atmosferische druk als de diepte toeneemt.

de dampdruk die een enkel bestanddeel in een mengsel bijdraagt tot de totale druk in het systeem wordt partiële dampdruk genoemd.

vloeibare druk

wanneer een persoon onder water zwemt, wordt de waterdruk gevoeld die op de trommelvliezen van de persoon inwerkt. Hoe dieper die persoon zwemt, hoe groter de druk. De druk voelde is te wijten aan het gewicht van het water boven de persoon. Als iemand dieper zwemt, is er meer water boven de persoon en dus meer druk. De druk van een vloeistof is afhankelijk van de diepte ervan.De vloeistofdruk is ook afhankelijk van de dichtheid van de vloeistof. Als iemand ondergedompeld werd in een vloeistof die dichter is dan water, zou de druk dienovereenkomstig groter zijn. Zo kunnen we zeggen dat de diepte, dichtheid en vloeistofdruk direct evenredig zijn. De druk als gevolg van een vloeistof in vloeibare kolommen met constante dichtheid of op een diepte binnen een stof wordt weergegeven door de volgende formule:

p = ρ g h , {\displaystyle p= \ rho gh,}

waarbij:

p de vloeistofdruk is, G de zwaartekracht aan het oppervlak van het overlappende materiaal, ρ de dichtheid van de vloeistof, h de hoogte van de vloeistofkolom of de diepte in een stof.

een andere manier om dezelfde formule te zeggen is de volgende:

p = gewichtsdichtheid × diepte . {\displaystyle p={\text {weight density}} \ times {\text{depth}}.}

afleiding van deze vergelijking

deze is afgeleid van de definities van druk en gewichtsdichtheid. Overweeg een gebied op de bodem van een vat met vloeistof. Het gewicht van de kolom vloeistof direct boven dit gebied produceert druk. Uit de definitie van het gewicht dichtheid = massa volume {\displaystyle {\text{gewicht dichtheid}}={\frac {\text{weight}}{\text{volume}}}}

we kunnen dit uiten gewicht van de vloeistof als

gewicht = gewicht dichtheid × volume , {\displaystyle {\text{weight}}={\text{gewicht dichtheid}}\times {\text{volume}},}

waar het volume van de kolom is gewoon de oppervlakte vermenigvuldigd met de diepte. Dan hebben we

druk = kracht area = gebied gewicht = gewicht dichtheid × volume gebied , {\displaystyle {\text{druk}}={\frac {\text{force}}{\text{omgeving}}}={\frac {\text{weight}}{\text{omgeving}}}={\frac {{\text{gewicht dichtheid}}\times {\text{volume}}}{\text{gebied}}},}

druk = gewicht dichtheid × (gebied × diepte) gebied . {\displaystyle {\text {pressure}}={\frac {{\text{weight density}} \ times {\text {(area}} \ times {\text{depth)}}} {\text{area}}}.}

als de” oppervlakte “in de teller en de” oppervlakte ” in de noemer elkaar opheffen, blijven we over met

druk = gewichtsdichtheid × diepte . {\displaystyle {\text {pressure}}={\text{weight density}} \ times {\text{depth}}.}

geschreven met symbolen, dit is onze oorspronkelijke vergelijking:

p = ρ g h . {\displaystyle p= \ rho gh.}

de druk die een vloeistof uitoefent tegen de zijkanten en de bodem van een container hangt af van de dichtheid en de diepte van de vloeistof. Als de atmosferische druk wordt verwaarloosd, is de vloeistofdruk tegen de bodem tweemaal zo groot bij tweemaal de diepte; bij driemaal de diepte is de vloeistofdruk drievoudig; enz. Of, als de vloeistof twee of drie keer zo dicht is, is de vloeistofdruk dienovereenkomstig twee of drie keer zo groot voor een bepaalde diepte. Vloeistoffen zijn praktisch niet te drukken – dat wil zeggen, hun volume kan nauwelijks worden veranderd door druk (watervolume neemt met slechts 50 miljoenste van zijn oorspronkelijke volume voor elke atmosferische toename van de druk). Dus, behalve kleine veranderingen veroorzaakt door temperatuur, de dichtheid van een bepaalde vloeistof is vrijwel hetzelfde op alle dieptes.

bij het opsporen van de totale druk die op een vloeistof werkt, moet rekening worden gehouden met het persen van de atmosferische druk op het oppervlak van een vloeistof. De totale druk van een vloeistof is dan pgh plus de druk van de atmosfeer. Wanneer dit onderscheid belangrijk is, wordt de term totale druk gebruikt. Anders hebben discussies over vloeistofdruk betrekking op druk zonder rekening te houden met de normaal altijd aanwezige Atmosferische druk.

de druk is niet afhankelijk van de hoeveelheid aanwezige vloeistof. Volume is niet de belangrijke factor-diepte is. De gemiddelde waterdruk die tegen een dam werkt, hangt af van de gemiddelde diepte van het water en niet van de hoeveelheid water die wordt tegengehouden. Bijvoorbeeld, een breed maar ondiep meer met een diepte van 3 m (10 ft) oefent slechts de helft van de gemiddelde druk uit die een kleine 6 m (20 ft) diepe vijver doet. (De totale kracht die op de langere dam wordt uitgeoefend, zal groter zijn, vanwege de grotere totale oppervlakte waarop de druk moet worden uitgeoefend. Maar voor een gegeven 1,5 m brede sectie van elke dam zal het 3,0 m diepe water van 10 ft een kwart van de kracht van 6,1 m diepe water van 20 ft uitoefenen. Een persoon zal dezelfde druk voelen of zijn / haar hoofd een meter onder het wateroppervlak wordt gedompeld in een klein zwembad of op dezelfde diepte in het midden van een groot meer. Als vier vazen verschillende hoeveelheden water bevatten, maar allemaal tot dezelfde diepten gevuld zijn, dan zal een vis met een kop die enkele centimeters onder het oppervlak is gedompeld, worden beïnvloed door een waterdruk die in elk van de vazen gelijk is. Als de vis een paar centimeter dieper zwemt, zal de druk op de vis toenemen met de diepte en hetzelfde zijn ongeacht in welke vaas de vis zich bevindt. Als de vis naar de bodem zwemt, zal de druk groter zijn, maar het maakt niet uit in welke vaas hij zit. Alle vazen zijn gevuld tot gelijke dieptes, zodat de waterdruk is hetzelfde aan de onderkant van elke vaas, ongeacht de vorm of het volume. Als de waterdruk aan de onderkant van een vaas groter was dan de waterdruk aan de onderkant van een naburige vaas, zou de grotere druk water zijwaarts dwingen en vervolgens de smallere vaas naar een hoger niveau brengen totdat de druk aan de onderkant gelijk was. Druk is diepte afhankelijk, Niet volume afhankelijk, dus er is een reden dat water zoekt zijn eigen niveau.

de energie per volume-eenheid in een ideale, niet-drukbare vloeistof is constant in het hele vat. Aan het oppervlak is de potentiële gravitatieenergie groot, maar de vloeibare drukenergie laag. Aan de onderkant van het vat wordt alle potentiële gravitatieenergie omgezet in drukenergie. De som van drukenergie en gravitatiepotentiaal energie per volume-eenheid is constant door het volume van de vloeistof en de twee energiecomponenten veranderen lineair met de diepte. Wiskundig wordt het beschreven met de vergelijking van Bernoulli, waar de snelheid nul is en vergelijkingen per volume-eenheid in het vat

p γ + z = c o n S t zijn . {\displaystyle {\frac {p} {\gamma }}+z= \ mathrm {const} .}

termen hebben dezelfde betekenis als in sectie vloeistofdruk.

richting van de vloeistofdruk

een experimenteel bepaald feit over de vloeistofdruk is dat deze in alle richtingen gelijkelijk wordt uitgeoefend. Als iemand wordt ondergedompeld in water, ongeacht welke kant die persoon zijn/haar hoofd kantelt, zal de persoon dezelfde hoeveelheid waterdruk op zijn/haar oren voelen. Omdat een vloeistof kan stromen, is deze druk niet alleen naar beneden. De druk wordt zijwaarts gezien wanneer water zijdelings uit een lek in de zijkant van een rechtop kan spurt. De druk werkt ook naar boven, zoals blijkt wanneer iemand een strandbal Onder het wateroppervlak probeert te duwen. De bodem van een boot wordt omhoog geduwd door waterdruk (drijfvermogen).

wanneer een vloeistof tegen een oppervlak drukt, is er een nettokracht die loodrecht op het oppervlak staat. Hoewel druk geen specifieke richting heeft, heeft kracht wel een specifieke richting. Een ondergedompeld driehoekig blok heeft water geforceerd tegen elk punt uit vele richtingen, maar componenten van de kracht die niet loodrecht op het oppervlak elkaar opheffen, waardoor alleen een netto loodrecht punt. Dit is de reden waarom het water dat uit een gat in een emmer komt, in eerste instantie de emmer verlaat in een richting die loodrecht staat op het oppervlak van de emmer waarin het gat zich bevindt. Dan buigt het naar beneden vanwege de zwaartekracht. Als er drie gaten in een emmer (boven, onder en Midden), dan zal de kracht vectoren loodrecht op het binnenste containeroppervlak toenemen met toenemende diepte – dat wil zeggen, een grotere druk aan de onderkant maakt het zo dat het onderste gat water uit het verste zal schieten. De kracht die door een vloeistof op een glad oppervlak wordt uitgeoefend, staat altijd loodrecht op het oppervlak. De snelheid van vloeistof uit het gat is 2 g h {\displaystyle \ scriptstyle {\sqrt {2gh}}}

, waarbij h de diepte onder het vrije oppervlak is. Dit is dezelfde snelheid het water (of iets anders) zou hebben als vrij vallen dezelfde verticale afstand h.

kinematische drukwaarde

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

is de kinematische druk, waarbij p {\displaystyle p}

is de druk en ρ 0 {\displaystyle \ rho _{0}}

constante massa dichtheid. De SI-eenheid van P is m2 / s2. Kinematische druk wordt op dezelfde wijze gebruikt als kinematische viscositeit ν {\displaystyle \ nu }

om de Navier-Stokes vergelijking te berekenen zonder expliciet de dichtheid ρ 0 {\displaystyle \ rho _{0}}

. Navier-Stokes vergelijking met kinematische grootheden ∂ u ∂ t + (u ∇ ) u = − P P + ν 2 2 u . {\displaystyle {\frac {\partial u} {\partial t}}+(u\nabla )u= – \nabla P+\nu \ nabla ^{2}u.}