Home » Articole » Articole » Știință » Fizica » Mecanica » Măsurarea presiunii

Măsurarea presiunii

postat în: Mecanica 0

Măsurătorile presiunii sunt importante în viața de zi cu zi, precum și în aplicațiile de știință și inginerie. În această secțiune, discutăm diferite moduri prin care presiunea poate fi raportată și măsurată.

Presiune manometrică vs. presiunea absolută

Să presupunem că manometrul unui rezervor de scuba plin arată 3000 psi, adică aproximativ 207 atmosfere. Când supapa este deschisă, aerul începe să scape deoarece presiunea din interiorul rezervorului este mai mare decât presiunea atmosferică din exteriorul rezervorului. Aerul continuă să iasă din rezervor până când presiunea din interiorul rezervorului este egală cu presiunea atmosferei din afara rezervorului. În acest moment, manometrul de pe rezervor indică zero, chiar dacă presiunea din interiorul rezervorului este de fapt de 1 atmosferă – aceeași cu presiunea aerului din afara rezervorului.

Majoritatea manometrelor, precum cel de pe rezervorul de scuba, sunt calibrate pentru a citi zero la presiunea atmosferică. Citirile de presiune de la astfel de manometre se numesc presiune manometrică, care este presiunea relativă la presiunea atmosferică. Când presiunea din interiorul rezervorului este mai mare decât presiunea atmosferică, manometrul raportează o valoare pozitivă.

Unele manometre sunt concepute pentru a măsura presiunea negativă. De exemplu, multe experimente de fizică trebuie să aibă loc într-o cameră cu vid, o cameră rigidă din care este pompat o parte din aer. Presiunea din interiorul camerei de vid este mai mică decât presiunea atmosferică, astfel încât manometrul de pe cameră indică o valoare negativă.

Spre deosebire de presiunea manometrică, presiunea absolută reprezintă presiunea atmosferică, care de fapt se adaugă la presiunea în orice fluid care nu este închis într-un recipient rigid.

PRESIUNEA ABSOLUTĂ

Presiunea absolută sau presiunea totală este suma presiunii manometrice și a presiunii atmosferice:

(14.11)   pabs = pg + patm

unde pabs este presiunea absolută, pg este presiunea manometrică și patm este presiunea atmosferică.

 

De exemplu, dacă un manometru pentru anvelope arată 34 psi, atunci presiunea absolută este de 34 psi plus 14,7 psi (patm în psi) sau 48,7 psi (echivalent cu 336 kPa).

În majoritatea cazurilor, presiunea absolută în fluide nu poate fi negativă. Fluidele împing mai degrabă decât trag, astfel încât cea mai mică presiune absolută dintr-un fluid este zero (o presiune absolută negativă este o tragere). Astfel, cea mai mică presiune manometrică posibilă este pg = −patm (ceea ce face pabs zero). Nu există o limită teoretică a cât de mare poate fi o presiune manometrică.

Măsurarea presiunii

O serie de dispozitive sunt utilizate pentru măsurarea presiunii, de la manometre pentru anvelope la monitoare de tensiune arterială. Multe alte tipuri de manometre sunt utilizate în mod obișnuit pentru a testa presiunea fluidelor, cum ar fi manometrele mecanice. Vom explora unele dintre acestea în această secțiune.

Orice proprietate care se modifică cu presiunea într-un mod cunoscut poate fi utilizată pentru a construi un manometru. Unele dintre cele mai comune tipuri includ tensometre, care folosesc schimbarea formei unui material cu presiune; manometre de capacitate, care utilizează modificarea capacității electrice din cauza modificării formei cu presiunea; manometre piezoelectrice, care generează o diferență de tensiune pe un material piezoelectric sub o diferență de presiune între cele două părți; și manometre de ioni, care măsoară presiunea prin ionizarea moleculelor în camere foarte evacuate. Diferite manometre sunt utile în diferite domenii de presiune și în diferite situații fizice. Câteva exemple sunt prezentate în Figura 14.11.

Manometre Figura 14.11 (a) Manometrele sunt utilizate pentru măsurarea și monitorizarea presiunii în buteliile de gaz. Gazele comprimate sunt utilizate în multe aplicații industriale și medicale. (b) Manometrele pentru anvelope sunt disponibile în multe modele diferite, dar toate au același scop: să măsoare presiunea internă a anvelopei. Acest lucru îi permite șoferului să mențină anvelopele umflate la o presiune optimă pentru greutatea încărcăturii și condițiile de conducere. (c) Un manometru de ionizare este un dispozitiv de înaltă sensibilitate utilizat pentru a monitoriza presiunea gazelor într-un sistem închis. Moleculele de gaz neutru sunt ionizate prin eliberarea de electroni, iar curentul este tradus într-o citire a presiunii. Manometrele de ionizare sunt utilizate în mod obișnuit în aplicațiile industriale care se bazează pe sisteme de vid.

Manometre

Una dintre cele mai importante clase de manometre aplică proprietatea că presiunea datorată greutății unui fluid de densitate constantă este dată de p = hρg. Tubul în formă de U prezentat în Figura 14.12 este un exemplu de manometru; în partea (a), ambele părți ale tubului sunt deschise către atmosferă, permițând presiunii atmosferice să împingă în jos pe fiecare parte în mod egal, astfel încât efectele sale să se anuleze.

Un manometru cu o singură parte deschisă către atmosferă este un dispozitiv ideal pentru măsurarea presiunilor manometrice. Presiunea manometrică este pg = hρg și se găsește prin măsurarea h. De exemplu, să presupunem că o parte a tubului în U este conectată la o sursă de presiune, cum ar fi balonul din partea (b) a figurii sau borcanul de arahide ambalat în vid prezentat în partea (c). Presiunea este transmisă nediminuată la manometru, iar nivelurile fluidului nu mai sunt egale. În partea (b), pabs este mai mare decât presiunea atmosferică, în timp ce în partea (c), pabs este mai mică decât presiunea atmosferică. În ambele cazuri, pabs diferă de presiunea atmosferică printr-o cantitate hρg, unde ρ este densitatea fluidului din manometru. În partea (b), pabs poate susține o coloană de fluid de înălțime h, deci trebuie să exercite o presiune hρg mai mare decât presiunea atmosferică (presiunea manometrică pg este pozitivă). În partea (c), presiunea atmosferică poate susține o coloană de fluid cu înălțimea h, astfel încât pabs este mai mică decât presiunea atmosferică cu o cantitate hρg (presiunea manometrică pg este negativă).

Manometru cu tub deschisFigura 14.12 Un manometru cu tub deschis are o parte deschisă către atmosferă. (a) Adâncimea fluidului trebuie să fie aceeași pe ambele părți, sau presiunea pe care o exercită fiecare parte în partea inferioară va fi inegală și lichidul va curge din partea mai adâncă. (b) O presiune manometrică pozitivă pg = hρg transmisă pe o parte a manometrului poate susține o coloană de fluid cu înălțimea h. (c) În mod similar, presiunea atmosferică este mai mare decât o presiune manometrică negativă pg cu o cantitate hρg. Rigiditatea vasului împiedică transmiterea presiunii atmosferice către alune.

Barometre

Manometrele folosesc de obicei un tub în formă de U al unui fluid (adesea mercur) pentru a măsura presiunea. Un barometru (vezi Figura 14.13) este un dispozitiv care utilizează de obicei o singură coloană de mercur pentru a măsura presiunea atmosferică. Barometrul, inventat de matematicianul și fizicianul italian Evangelista Torricelli (1608–1647) în 1643, este construit dintr-un tub de sticlă închis la un capăt și umplut cu mercur. Tubul este apoi răsturnat și plasat într-un bazin de mercur. Acest dispozitiv măsoară presiunea atmosferică, mai degrabă decât presiunea manometrică, deoarece există un vid aproape pur deasupra mercurului din tub. Înălțimea mercurului este astfel încât hρg = patm. Când presiunea atmosferică variază, mercurul crește sau scade.

Meteorologii monitorizează îndeaproape schimbările presiunii atmosferice (deseori raportate ca presiune barometrică), deoarece creșterea mercurului semnalează de obicei o îmbunătățire a vremii, iar scăderea mercurului indică o deteriorare a vremii. Barometrul poate fi folosit și ca altimetru, deoarece presiunea atmosferică medie variază în funcție de altitudine. Barometrele și manometrele cu mercur sunt atât de comune încât unitățile de mm Hg sunt adesea citate pentru presiunea atmosferică și tensiunea arterială.

Barometru cu mercurFigura 14.13 Un barometru cu mercur măsoară presiunea atmosferică. Presiunea datorată greutății mercurului, hρg, este egală cu presiunea atmosferică. Atmosfera este capabilă să forțeze mercurul din tub la o înălțime h, deoarece presiunea deasupra mercurului este zero.

EXEMPLUL 14.2

Înălțimile fluidului într-un tub în U deschis

Un tub în U cu ambele capete deschise este umplut cu un lichid de densitate ρ1 până la o înălțime h pe ambele părți (Figura 14.14). Într-o parte se toarnă un lichid cu densitatea ρ2 < ρ1 și lichidul 2 se depune deasupra lichidului 1. Înălțimile de pe cele două părți sunt diferite. Înălțimea până la vârful lichidului 2 de la interfață este h2 și înălțimea până la vârful lichidului 1 de la nivelul interfeței este h1. Deduceți o formulă pentru diferența de înălțime.

Două lichide de densități diferite sunt prezentate într-un tub în UFigura 14.14 Două lichide de densități diferite sunt prezentate într-un tub în U.

Strategie

Presiunea în puncte la aceeași înălțime de pe cele două părți ale unui tub în U trebuie să fie aceeași atâta timp cât cele două puncte sunt în același lichid. Prin urmare, luăm în considerare două puncte la același nivel în cele două brațe ale tubului: un punct este interfața de pe partea laterală a lichidului 2 și celălalt este un punct în brațul cu lichidul 1 care este la același nivel cu interfață în celălalt braț. Presiunea în fiecare punct se datorează presiunii atmosferice plus greutatea lichidului de deasupra acestuia.

Presiune pe partea cu lichid 1 = p0 + ρ1gh1

Presiune pe partea cu lichid 2 = p0 + ρ2gh2

Soluție

Deoarece cele două puncte sunt în lichidul 1 și sunt la aceeași înălțime, presiunea în cele două puncte trebuie să fie aceeași. Prin urmare, avem

p0 + ρ1gh1 = p0 + ρ2gh2.

Prin urmare,

ρ1h1 = ρ2h2.

Aceasta înseamnă că diferența de înălțimi pe cele două părți ale tubului în U este

h2 − h1 = (1 − ρ21)h2.

Rezultatul are sens dacă setăm ρ2 = ρ1, ceea ce dă h2 = h1. Dacă cele două laturi au aceeași densitate, ele au aceeași înălțime.

 

EXERCIȚIUL 14.2

Mercurul este o substanță periculoasă. De ce credeți că mercurul este folosit de obicei în barometre în loc de un fluid mai sigur, cum ar fi apa?

Unități de presiune

După cum sa menționat mai devreme, unitatea SI pentru presiune este pascalul (Pa), unde

1Pa = 1N/m2.

În plus față de pascal, multe alte unități de presiune sunt de uz comun (Tabelul 14.3). În meteorologie, presiunea atmosferică este adesea descrisă în unitatea de milibari (mbar), unde

1000 mbar = 1×105 Pa.

Milibarul este o unitate convenabilă pentru meteorologi, deoarece presiunea atmosferică medie la nivelul mării pe Pământ este de 1,013×105 Pa = 1013 mbar = 1atm. Folosind ecuațiile derivate atunci când luăm în considerare presiunea la o adâncime dintr-un fluid, presiunea poate fi măsurată și ca milimetri sau inci de mercur. Presiunea din partea inferioară a unei coloane de mercur de 760 mm la 0 °C într-un recipient în care partea superioară este evacuată este egală cu presiunea atmosferică. Astfel, se folosește și 760 mm Hg în loc de 1 atmosferă de presiune. În laboratoarele de fizică în vid, oamenii de știință folosesc adesea o altă unitate numită torr, numită după Torricelli, care, așa cum tocmai am văzut, a inventat manometrul cu mercur pentru măsurarea presiunii. Un torr este egal cu o presiune de 1 mm Hg.

Unitate Definiție
Unitate SI: Pascal 1Pa = 1N/m2
Unitate anglo-saxonă: livra per inci pătrat (lb/in2 sau psi) 1psi = 6,895×103 Pa
Alte unități de presiune 1atm = 760 mm Hg = 1,013×105 Pa = 14,7psi = 29,9 inci de Hg = 1013 mbar
1bar = 105 Pa
1torr = 1 mm Hg = 133,3 Pa

Tabelul 14.3 Rezumat al unităților de presiune

Sursa: Physics, University Physics (OpenStax), gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere și adaptare de Nicolae Sfetcu. © 2022 MultiMedia Publishing, Fizica, Volumul 1

Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 2
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9.99 Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.
Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9.99$35.00 Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.
Mecanica fenomenologică
Mecanica fenomenologică

O privire de ansamblu asupra mecanicii clasice, care intenționează să ofere o acoperire a principiilor și tehnicilor fundamentale, un domeniu vechi dar care se află la baza întregii fizicii, și care în ultimii ani a cunoscut o dezvoltare rapidă. Se … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $4.99 Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *