Ciśnienie

ciśnienie Płynuedytuj

ciśnienie płynu jest najczęściej naprężeniem ściskającym w pewnym punkcie płynu. (Termin płyn odnosi się zarówno do cieczy, jak i gazów-więcej informacji na temat ciśnienia cieczy znajduje się w sekcji poniżej.)

woda z dużą prędkością ucieka z uszkodzonego hydrantu, który zawiera wodę pod wysokim ciśnieniem

ciśnienie płynu występuje w jednej z dwóch sytuacji:

1. stan otwarty, zwany “przepływem otwartego kanału”, np. ocean, basen lub atmosfera.
2. stan zamknięty, zwany “zamkniętym przewodem”, np. linia wodociągowa lub gazowa.

Ciśnienie w warunkach otwartych zwykle może być przybliżone jako ciśnienie w warunkach “statycznych” lub nie poruszających się (nawet w oceanie, gdzie występują fale i prądy), ponieważ ruchy powodują tylko nieznaczne zmiany ciśnienia. Takie warunki są zgodne z zasadami statyki płynów. Ciśnienie w danym punkcie płynu nie poruszającego się (statycznego) nazywa się ciśnieniem hydrostatycznym.

zamknięte ciała płynu są albo “statyczne”, gdy płyn nie porusza się, albo “dynamiczne”, gdy płyn może poruszać się jak w rurze lub przez ściskanie szczeliny powietrznej w zamkniętym pojemniku. Ciśnienie w warunkach zamkniętych jest zgodne z zasadami dynamiki płynów.

koncepcje ciśnienia cieczy są głównie przypisywane odkryciom Blaise ‘ a Pascala i Daniela Bernoulliego. Równanie Bernoulliego można wykorzystać w niemal każdej sytuacji do określenia ciśnienia w dowolnym punkcie płynu. Równanie zawiera pewne założenia dotyczące płynu, na przykład płynu idealnego i niezrozumiałego. Płyn idealny to płyn, w którym nie ma tarcia, jest niewidoczny (lepkość zerowa). Równanie dla wszystkich punktów układu wypełnionego płynem o stałej gęstości wynosi

P γ + v 2 2 g + z = c o N s T, {\displaystyle {\frac {p}{\gamma }}+{\frac {V^{2}}{2G}}+z=\mathrm {const} ,}

gdzie:

P, ciśnienie płynu, γ {\displaystyle {\gamma }}

= PG, gęstość × przyspieszenie grawitacyjne to (objętościowo) ciężar właściwy płynu, v, prędkość płynu, g, przyspieszenie grawitacyjne, z, wzniesienie, P γ {\displaystyle {\frac {p} {\gamma }}}

, Głowica ciśnieniowa, v 2 2 g {\displaystyle {\frac {V^{2}} {2g}}}

, Głowica velocity.

Zastosowaniaedytuj

• Hamulce Hydrauliczne
• studnia artezyjska
• ciśnienie krwi
• głowica hydrauliczna
• ciśnienie deflagracjedytuj

  ciśnienie wybuchu lub deflagracji jest wynikiem zapłonu wybuchowych gazów, mgieł, pyłów/zawieszeń powietrza w pomieszczeniach zamkniętych i zamkniętych.

  ciśnienie Ujemneedytuj

  

  komora niskiego ciśnienia w Bundesleistungszentrum Kienbaum, Niemcy

  chociaż ciśnienia są na ogół dodatnie, istnieje kilka sytuacji, w których można napotkać ujemne ciśnienia:

  • przy ciśnieniach względnych (skrajni). Na przykład ciśnienie bezwzględne 80 kPa można opisać jako ciśnienie manometru -21 kPa (tj. 21 kPa poniżej ciśnienia atmosferycznego 101 kPa). Na przykład dekompresja brzucha jest procedurą położniczą, podczas której ujemne ciśnienie manometru jest stosowane sporadycznie do brzucha kobiety ciężarnej.
  • możliwe są ujemne ciśnienia bezwzględne. Są one skutecznie naprężone, a zarówno masowe ciała stałe, jak i ciecze luzem można umieścić pod ujemnym ciśnieniem bezwzględnym, ciągnąc je. Mikroskopowo cząsteczki w ciałach stałych i cieczach mają atrakcyjne interakcje, które obezwładniają energię kinetyczną termiczną, więc pewne napięcie może być utrzymywane. Termodynamicznie jednak materiał sypki pod podciśnieniem jest w stanie metastabilnym i jest szczególnie delikatny w przypadku cieczy, w których stan podciśnienia jest podobny do przegrzania i jest łatwo podatny na kawitację. W pewnych sytuacjach można uniknąć kawitacji i ujemnych ciśnień utrzymywanych w nieskończoność, na przykład zaobserwowano, że ciekła rtęć utrzymuje się do -425 atm w czystych szklanych pojemnikach. Uważa się, że ujemne ciśnienie cieczy bierze udział w wynurzaniu się soku w roślinach wyższych niż 10 m (ciśnienie atmosferyczne wody).
  • efekt Casimira może wytworzyć niewielką siłę przyciągania w wyniku interakcji z energią próżni; siła ta jest czasami określana jako “ciśnienie próżni” (nie mylić z ujemnym ciśnieniem próżni).
  • dla naprężeń nieizotropowych w ciałach sztywnych, w zależności od tego, jak wybrana jest orientacja powierzchni, ten sam rozkład sił może mieć składową dodatniego ciśnienia wzdłuż jednej powierzchni normalnej, a składową ujemnego ciśnienia działającą wzdłuż innej powierzchni normalnej.
    • naprężenia w polu elektromagnetycznym są na ogół nieizotropowe, przy czym ciśnienie normalne dla jednego elementu powierzchniowego (naprężenie normalne) jest ujemne, a dodatnie dla elementów powierzchniowych prostopadłych do tego.
  • w kosmologii ciemna energia tworzy bardzo małą, ale kosmicznie znaczącą ilość podciśnienia, które przyspiesza ekspansję wszechświata.

  ciśnienie Stagnacjiedytuj

  ciśnienie stagnacji to ciśnienie, które wywiera płyn, gdy jest zmuszony do zatrzymania ruchu. W związku z tym, chociaż płyn poruszający się z większą prędkością będzie miał niższe ciśnienie statyczne, może mieć wyższe ciśnienie stagnacji, gdy zostanie zmuszony do zatrzymania. Ciśnienie statyczne i ciśnienie stagnacji są związane przez:

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

  

  gdzie

  P 0 {\displaystyle p_{0}}

  

  to ciśnienie stagnacji, ρ {\displaystyle \rho }

  

  to gęstość, v {\displaystyle v}

  

  jest prędkością przepływu, p {\displaystyle p}

  

  to ciśnienie statyczne.

  ciśnienie poruszającego się płynu można zmierzyć za pomocą rurki Pitota lub jednej z jej odmian, takiej jak sonda Kiel lub sonda Cobra, podłączona do manometru. W zależności od tego, gdzie znajdują się otwory wlotowe sondy, może ona mierzyć ciśnienie statyczne lub ciśnienie stagnacji.

  ciśnienie powierzchniowe i naprężenie powierzchniedytuj

  istnieje dwuwymiarowy analogia ciśnienia – siła boczna na jednostkę długości przyłożona na linię prostopadłą do siły.

  ciśnienie powierzchniowe jest oznaczane π:

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

  

  i ma wiele podobnych właściwości z trójwymiarowym ciśnieniem. Właściwości substancji powierzchniowych można badać mierząc izotermy ciśnienia/powierzchni, jako dwuwymiarowy analog prawa Boyle ‘ a, nA = k, w stałej temperaturze.

  napięcie powierzchniowe jest kolejnym przykładem ciśnienia powierzchniowego, ale ze znakiem odwróconym, ponieważ ” napięcie “jest przeciwieństwem”ciśnienia”.

  ciśnienie gazu idealnegoedytuj

  Główny artykuł: prawo gazu idealnego

  w gazie idealnym cząsteczki nie mają objętości i nie wchodzą w interakcje. Zgodnie z prawem gazu idealnego ciśnienie zmienia się liniowo w zależności od temperatury i ilości, a odwrotnie w zależności od objętości:

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

  

  gdzie:

  p to ciśnienie bezwzględne gazu, n to ilość substancji, T to Temperatura bezwzględna, V to objętość, R to stała gazu idealnego.

  gazy rzeczywiste wykazują bardziej złożoną zależność od zmiennych stanu.

  ciśnienie Paryedytuj

  Główny artykuł: prężność pary

  prężność pary jest ciśnieniem pary w równowadze termodynamicznej z jej fazami skondensowanymi w układzie zamkniętym. Wszystkie ciecze i ciała stałe mają tendencję do odparowywania do postaci gazowej, a wszystkie gazy mają tendencję do kondensacji z powrotem do postaci ciekłej lub stałej.

  temperatura wrzenia cieczy pod ciśnieniem atmosferycznym (znana również jako normalna temperatura wrzenia) to temperatura, w której ciśnienie pary jest równe ciśnieniu atmosferycznemu otoczenia. Przy każdym stopniowym wzroście tej temperatury ciśnienie pary staje się wystarczające do przezwyciężenia ciśnienia atmosferycznego i podniesienia cieczy do postaci pęcherzyków pary wewnątrz masy substancji. Tworzenie się pęcherzyków głębiej w cieczy wymaga wyższego ciśnienia, a zatem wyższej temperatury, ponieważ ciśnienie płynu wzrasta powyżej ciśnienia atmosferycznego wraz ze wzrostem głębokości.

  ciśnienie pary, które pojedynczy składnik mieszaniny przyczynia się do całkowitego ciśnienia w układzie, nazywa się częściowym ciśnieniem pary.

  ciśnienie Cieczuedytuj

  Zobacz także: statyka płynów § Ciśnienie w płynach w spoczynku

  gdy osoba pływa pod wodą, ciśnienie wody jest odczuwalne, działając na błony bębenkowe osoby. Im głębiej pływa, tym większe ciśnienie. Odczuwalne ciśnienie jest spowodowane ciężarem wody nad osobą. Gdy ktoś pływa głębiej, jest więcej wody nad osobą, a tym samym większe ciśnienie. Ciśnienie wywierane przez ciecz zależy od jej głębokości.

  ciśnienie cieczy zależy również od gęstości cieczy. Gdyby ktoś był zanurzony w cieczy gęstszej od wody, ciśnienie byłoby odpowiednio większe. Można więc powiedzieć, że głębokość, gęstość i ciśnienie cieczy są wprost proporcjonalne. Ciśnienie cieczy w kolumnach cieczy o stałej gęstości lub na głębokości wewnątrz substancji jest reprezentowane przez następujący wzór:

  p = ρ g H, {\displaystyle p = \Rho gh,}

  

  gdzie:

  p to ciśnienie cieczy, g to grawitacja na powierzchni materiału pokrywającego, ρ to gęstość cieczy, h to wysokość kolumny cieczy lub głębokość wewnątrz substancji.

  inny sposób wyrażenia tego samego wzoru jest następujący:

  p = gęstość masy × głębokość . {\displaystyle p = {\text {weight density}} \times {\text{depth}}.}

  
  wyprowadzenie tego równania

  wynika z definicji gęstości ciśnienia i masy. Rozważ obszar na dnie naczynia z cieczą. Ciężar kolumny cieczy bezpośrednio nad tym obszarem wytwarza ciśnienie. Z definicji gęstość wagi = objętość wagi {\displaystyle {\text {weight density}}={\frac {\text{weight}} {\text{volume}}}}

  

  możemy wyrazić tę wagę cieczy jako

  weight = weight density × volume, {\displaystyle {\text {weight}}={\text {weight density}} \ times {\text {volume}},}

  

  gdzie objętość kolumny to po prostu powierzchnia pomnożona przez głębokość. Następnie mamy

  pressure = force area = weight area = weight density × volume area, {\displaystyle {\text{pressure}}={\frac {force}} {\text {area}}} = {\frac {weight}} {\text {weight density}} \times {\text {volume}}} {\text {area}}},}

  

  ciśnienie = gęstość masy × (powierzchnia × głębokość) powierzchnia . {\displaystyle {\text{pressure}}={\frac {{\text {weight density}} \ times {\text{(area}} \ times {\text{depth)}}} {\text {area}}}.}

  

  z “obszarem” w liczniku i” obszarem ” w mianowniku anulującym się nawzajem, pozostajemy z

  ciśnienie = gęstość wagi × głębokość . {\displaystyle {\text {pressure}}={\text {weight density}} \times {\text{depth}}.}

  

  zapisane symbolami, to jest nasze pierwotne równanie:

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

  

  ciśnienie wywierane przez ciecz na boki i dno pojemnika zależy od gęstości i głębokości cieczy. Jeśli ciśnienie atmosferyczne jest zaniedbane, ciśnienie cieczy na dnie jest dwa razy większe przy dwukrotnej głębokości; przy trzykrotnej głębokości ciśnienie cieczy jest trzykrotne; itp. Lub, jeśli ciecz jest dwa lub trzy razy gęsta, ciśnienie cieczy jest odpowiednio dwa lub trzy razy większe dla danej głębokości. Ciecze są praktycznie niezrozumiałe – to znaczy, że ich objętość nie może być zmieniona przez ciśnienie (objętość wody zmniejsza się tylko o 50 milionowych części swojej pierwotnej objętości dla każdego wzrostu ciśnienia atmosferycznego). Tak więc, z wyjątkiem niewielkich zmian spowodowanych temperaturą, gęstość danej cieczy jest praktycznie taka sama na wszystkich głębokościach.

  ciśnienie atmosferyczne naciskające na powierzchnię cieczy musi być brane pod uwagę przy próbie odkrycia całkowitego ciśnienia działającego na ciecz. Całkowite ciśnienie cieczy to pgh plus ciśnienie atmosferyczne. Gdy rozróżnienie to jest ważne, używa się terminu ciśnienie całkowite. W przeciwnym razie dyskusje na temat ciśnienia cieczy odnoszą się do ciśnienia bez względu na normalnie obecne ciśnienie atmosferyczne.

  ciśnienie nie zależy od ilości cieczy. Objętość nie jest ważnym czynnikiem-głębokość jest. Średnie ciśnienie wody działające na zaporę zależy od średniej głębokości wody, a nie od objętości zatrzymywanej wody. Na przykład, szerokie, ale płytkie jezioro o głębokości 3 m (10 stóp) wywiera tylko połowę średniego ciśnienia, niż mały staw o głębokości 6 m (20 stóp). (Całkowita siła przyłożona do dłuższej zapory będzie większa, ze względu na większą całkowitą powierzchnię nacisku, na którą ma działać. Ale dla danego odcinka każdej tamy o szerokości 1,5 m, woda o głębokości 10 stóp (3,0 m) będzie miała jedną czwartą siły wody o głębokości 20 stóp (6,1 m)). Osoba będzie odczuwać ten sam nacisk, czy jego głowa zostanie zanurzona metr pod powierzchnią wody w małym basenie lub na tę samą głębokość w środku dużego jeziora. Jeśli cztery wazy zawierają różne ilości wody, ale wszystkie są wypełnione na jednakowej głębokości, wtedy ryba z głową zanurzoną kilka centymetrów pod powierzchnią będzie działać pod ciśnieniem wody, które jest takie samo w każdej z waz. Jeśli ryba pływa kilka centymetrów głębiej, nacisk na rybę wzrasta wraz z głębokością i jest taki sam, bez względu na to, w którym wazonie znajduje się ryba. Jeśli ryba wypłynie na dno, ciśnienie będzie większe, ale nie ma znaczenia, w jakim wazonie jest. Wszystkie wazony są wypełnione na równych głębokościach, więc ciśnienie wody jest takie samo na dnie każdego wazonu, niezależnie od jego kształtu lub objętości. Jeśli ciśnienie wody na dnie wazonu było większe niż ciśnienie wody na dnie sąsiedniego wazonu, większe ciśnienie zmuszało wodę na boki, a następnie do Węższego wazonu do wyższego poziomu, aż ciśnienie na dole zostało wyrównane. Ciśnienie zależy od głębokości, a nie od objętości, więc nie bez powodu woda szuka własnego poziomu.

  przekształcając to jako równanie Energetyczne, Energia na jednostkę objętości w idealnej, niezrozumiałej cieczy jest stała w całym jej naczyniu. Na powierzchni grawitacyjna energia potencjalna jest duża, ale energia ciśnienia cieczy jest niska. Na dnie naczynia Cała potencjalna energia grawitacyjna jest przekształcana w energię ciśnienia. Suma energii ciśnienia i energii potencjalnej grawitacji na jednostkę objętości jest stała w całej objętości płynu, a dwa składniki energii zmieniają się liniowo wraz z głębokością. Matematycznie jest to opisane równaniem Bernoulliego, gdzie prędkość głowicy wynosi zero, a porównania na jednostkę objętości w naczyniu wynoszą

  P γ + z = c o N s t . {\displaystyle {\frac {p} {\gamma }} +z=\mathrm {const}.}

  

  terminy mają takie samo znaczenie jak w sekcji ciśnienie płynu.

  kierunek ciśnienia cieczuedytuj

  doświadczalnie ustalonym faktem dotyczącym ciśnienia cieczy jest to, że jest ono wywierane jednakowo we wszystkich kierunkach. JeĹ “li ktoĹ” jest zanurzony w wodzie, bez wzglÄ ™ du na to, w jaki sposĂłb ta osoba przechyla gĹ ‘owÄ™, odczuje on tak samo DuĹĽe ciĹ” nienie wody na swoich uszach. Ponieważ ciecz może płynąć, to ciśnienie nie jest tylko w dół. Ciśnienie jest widoczne na boki, gdy woda tryska na boki z wycieku z boku wyprostowanej puszki. Ciśnienie działa również w górę, jak pokazano, gdy ktoś próbuje wepchnąć piłkę plażową pod powierzchnię wody. Dno łodzi jest wypychane do góry przez ciśnienie wody (Wyporność).

  kiedy ciecz naciska na powierzchnię, istnieje siła netto, która jest prostopadła do powierzchni. Chociaż ciśnienie nie ma określonego kierunku, siła ma. Zanurzony trójkątny blok ma wodę wymuszoną na każdym punkcie z wielu kierunków, ale składniki siły, które nie są prostopadłe do powierzchni, znoszą się nawzajem, pozostawiając tylko prostopadły Punkt Sieci. To dlatego woda tryskająca z otworu w wiadrze początkowo wypływa z wiadra w kierunku prostopadłym do powierzchni wiadra w którym ten otwór się znajduje. Następnie zakrzywia się w dół z powodu grawitacji. Jeśli w wiadrze znajdują się trzy otwory (górny, dolny i środkowy), to wektory siły prostopadłe do wewnętrznej powierzchni pojemnika zwiększają się wraz ze wzrostem głębokości – to znaczy większe ciśnienie na dnie sprawia, że dolny otwór wypycha wodę najdalej. Siła wywierana przez płyn na gładką powierzchnię jest zawsze pod kątem prostym do powierzchni. Prędkość cieczy z otworu wynosi 2 g h {\displaystyle \ scriptstyle {\sqrt {2gh}}}

  

  , gdzie h to głębokość pod swobodną powierzchnią. Jest to ta sama prędkość, jaką miałaby woda (lub cokolwiek innego), gdyby swobodnie spadała z tej samej odległości pionowej h.

  ciśnienie Kinematyczneedit

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

  

  to ciśnienie kinematyczne, gdzie p {\displaystyle p}

  

  jest ciśnieniem i ρ 0 {\displaystyle \rho _{0}}

  

  stała gęstość masy. Jednostką SI P jest m2 / s2. Ciśnienie kinematyczne jest używane w taki sam sposób jak lepkość kinematyczna ν {\displaystyle \nu }

  

  w celu obliczenia równania Naviera-Stokesa bez wyraźnego pokazania gęstości ρ 0 {\displaystyle \rho _{0}}

  

  . Równanie Naviera-Stokesa z wielkościami kinematycznymi ∂ u ∂ t + (u ∇) u = − ∇ p + ν ∇ 2 u . {\displaystyle {\frac {\partial u} {\partial T}}+(u\nabla) u=-\nabla p+ \ nu \nabla ^{2} u.}