Fără îndoială, ați auzit cuvântul „presiune” folosit în legătură cu sângele (tensiune arterială ridicată sau scăzută) și în legătură cu vremea (sisteme meteorologice de înaltă și joasă presiune). Acestea sunt doar două dintre multele exemple de presiune în fluide. (Reamintim că am introdus ideea de presiune în Echilibrul static și elasticitatea, în contextul tensiunii și deformării în masă.)
PRESIUNE
Presiunea (p) este definită ca forța normală F pe unitatea de suprafață A peste care se aplică forța sau (14.3) p = F/A. Pentru a defini presiunea într-un anumit punct, presiunea este definită ca forța dF exercitată de un fluid asupra unui element infinitezimal de suprafață dA care conține punctul, rezultând p = dF/dA. |
O anumită forță poate avea un efect semnificativ diferit, în funcție de zona pe care se exercită forța. De exemplu, o forță aplicată pe o suprafață de 1 mm2 are o presiune de 100 de ori mai mare decât aceeași forță aplicată pe o suprafață de 1 cm2. De aceea, un ac ascuțit este capabil să pătrundă prin piele atunci când se exercită o forță mică, dar aplicarea aceleiași forțe cu un deget nu perforează pielea (Figura 14.5).
Figura 14.5 (a) O persoană care este înțepată cu un deget poate fi iritată, dar forța are un efect de durată redus. (b) În schimb, aceeași forță aplicată pe o zonă de dimensiunea capătului ascuțit al unui ac este suficientă pentru a rupe pielea.
Rețineți că, deși forța este un vector, presiunea este un scalar. Presiunea este o mărime scalară deoarece este definită ca fiind proporțională cu mărimea forței care acționează perpendicular pe suprafață. Unitatea SI pentru presiune este pascalul (Pa), numit după matematicianul și fizicianul francez Blaise Pascal (1623–1662), unde
1 Pa = 1 N/m2.
Mai multe alte unități sunt folosite pentru presiune, despre care vom discuta mai târziu în capitol.
Variația presiunii cu adâncimea într-un fluid de densitate constantă
Presiunea este definită pentru toate stările materiei, dar este deosebit de importantă atunci când discutăm despre fluide. O caracteristică importantă a fluidelor este că nu există o rezistență semnificativă la componenta unei forțe aplicate paralel cu suprafața unui fluid. Moleculele fluidului pur și simplu curg pentru a se acomoda cu forța orizontală. O forță aplicată perpendicular pe suprafață comprimă sau extinde fluidul. Dacă încercați să comprimați un fluid, descoperiți că în fiecare punct din interiorul fluidului se dezvoltă o forță de reacție în direcția exterioară, echilibrând forța aplicată asupra moleculelor la suprafață.
Luați în considerare un fluid de densitate constantă, așa cum se arată în Figura 14.6. Presiunea din fundul recipientului se datorează presiunii atmosferei (p0) plus presiunea datorată greutății fluidului. Presiunea datorată fluidului este egală cu greutatea fluidului împărțită la suprafață. Greutatea fluidului este egală cu masa lui înmulțită cu accelerația datorată gravitației.
Figura 14.6 Fundul acestui recipient susține întreaga greutate a fluidului din el. Laturile verticale nu pot exercita o forță ascendentă asupra fluidului (deoarece nu poate rezista la o forță de forfecare), așa că fundul trebuie să susțină tot.
Deoarece densitatea este constantă, greutatea poate fi calculată folosind densitatea:
w = mg = ρVg = ρAhg.
Prin urmare, presiunea din partea de jos a recipientului este egală cu presiunea atmosferică adăugată la greutatea fluidului împărțită la suprafață:
p = p0 + ρAhg/A = p0 + ρhg.
Această ecuație este bună numai pentru presiunea la o adâncime pentru un fluid de densitate constantă.
PRESIUNEA LA ADÂNCIME PENTRU UN FLUID CU DENSITATE CONSTANTĂ
Presiunea la adâncime într-un fluid cu densitate constantă este egală cu presiunea atmosferei plus presiunea datorată greutății fluidului sau (14.4) p = p0 + ρhg, unde p este presiunea la o anumită adâncime, p0 este presiunea atmosferei, ρ este densitatea fluidului, g este accelerația datorată gravitației și h este adâncimea. |
Figura 14.7 Barajul celor Trei Chei, ridicat pe râul Yangtze în centrul Chinei în 2008, a creat un rezervor masiv care a strămutat peste un milion de oameni. (credit: „Le Grand Portage”/Flickr, licența CC BY 2.0)
EXERCIȚIUL 14.1
Dacă rezervorul din Exemplul 14.1 ar fi acoperit de două ori suprafața, dar ar fi fost menținut la aceeași adâncime, ar trebui să fie reproiectat barajul? |
Răspuns:
Presiunea găsită în partea (a) a exemplului este complet independentă de lățimea și lungimea lacului; depinde doar de adâncimea medie la baraj. Astfel, forța depinde doar de adâncimea medie a apei și de dimensiunile barajului, nu de întinderea orizontală a rezervorului. În diagramă, rețineți că grosimea barajului crește odată cu adâncimea pentru a echilibra forța în creștere din cauza presiunii în creștere.
Sursa: Physics, University Physics (OpenStax), https://openstax.org/books/university-physics-volume-1/pages/1-introductionacces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere și adaptare de Nicolae Sfetcu
© 2022 MultiMedia Publishing, Fizica, Volumul 1
Lasă un răspuns