Давление - одно из фундаментальных понятий физики. От того, насколько глубоко мы его понимаем, зависит успех в изучении многих разделов этой науки. Давайте разберемся, как в физике обозначается и вычисляется давление, в чем оно измеряется и какие используются формулы. Эти знания пригодятся нам не только для решения задач, но и в повседневной жизни.
1. Определение давления в физике и его физический смысл
Давление в физике определяется как скалярная величина, равная отношению силы F, действующей перпендикулярно на некоторую поверхность, к площади этой поверхности S:
Из этого определения видно, что единицей давления в СИ является 1 Н/м2, которая называется паскаль и обозначается Па.
Физический смысл давления состоит в том, что оно характеризует степень воздействия силы на единицу площади поверхности. Чем сильнее сжата данная поверхность, тем выше давление.
Например, если взять два тела с одинаковой силой тяжести по 10 Н и поставить их на стол - книгу площадью 0,01 м2 и острое шило площадью 0,0001 м2, то, несмотря на равные силы, давление у них будет существенно различаться:
- Давление от книги: p = F/S = 10 Н / 0,01 м2 = 1000 Па
- Давление от шила: p = F/S = 10 Н / 0,0001 м2 = 100000 Па
В 100 раз меньшая площадь шила увеличивает давление в 100 раз! Поэтому острые или заостренные предметы всегда оказывают бо́льшее давление при одинаковой силе по сравнению с тупыми или имеющими большую площадь опоры.
2. Единицы измерения давления в СИ и внесистемные
В системе СИ основной единицей давления является паскаль:
- 1 Па = 1 Н/м2
Это достаточно малая величина. Например, типичное атмосферное давление составляет около 100 кПа.
Помимо паскаля существует ряд внесистемных единиц давления:
- мм рт.ст. (миллиметры ртутного столба) - используется для измерения атмосферного давления и кровяного давления в медицине;
- атм - техническая атмосфера, примерно равная давлению атмосферы на уровне моря (1 атм = 1,013 бар = 101,3 кПа);
- бар - часто используется по отношению к давлению газа или жидкости в различных системах и емкостях;
Соотношения между некоторыми единицами давления приведены в таблице:
| 1 атм | = 760 мм рт.ст. |
| 1 бар | = 100 кПа ≈ 750 мм рт.ст. |
При записи значений давления обязательно нужно указывать единицу измерения. Например: давление в шинах автомобиля должно составлять 2,2 атм; атмосферное давление 735 мм рт.ст.
3. Обозначение давления буквенными символами
В физических формулах и уравнениях давление принято обозначать латинской буквой p. Это стандартизированный символ, который используется во всех справочниках, задачниках и учебниках по физике.
Однако в некоторых источниках можно встретить обозначение давления также буквами P, ρ, δ, f и др. Это тоже допустимо, главное - сразу дать пояснение, что именно обозначает используемый символ в конкретной задаче или формуле.
Например, обычно в формуле гидростатического давления
буквой p обозначается именно давление, а ρ - плотность жидкости. Но возможны и другие варианты обозначений.
При использовании символа давления в формулах нужно следить за размерностью. Если давление выражено не в паскалях, а в других единицах (атм, мм рт.ст. и т.п.), обязательно под формулой должно быть приведено пояснение с указанием единиц измерения.
4. Формулы для расчета различных видов давления
В зависимости от природы среды, на которую оказывается давление, различают несколько его видов с соответствующими формулами для расчета:
- Давление жидкости на дно или стенки сосуда вычисляется по формуле p=ρgh, где ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, h - высота столба жидкости.
- Давление газа находится из уравнения Клапейрона-Менделеева: pV = μRT, где μ - масса газа, R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура.
- Атмосферное давление рассчитывается по барометрической формуле с учетом высоты над уровнем моря.
Кроме того, для расчета давления газов и жидкостей используется закон Паскаля. Он гласит, что внешнее давление на замкнутую систему передается всем ее элементам и не меняет своего значения. Это позволяет вычислить давление в любой точке гидравлической или пневматической системы.
5. Графическое изображение давления
Для наглядности давление часто изображают в виде векторов или с помощью графиков - эпюр давлений. Вектор, направленный по нормали к поверхности, характеризует величину и направление силы давления в данной точке. Эпюра позволяет оценить распределение давления на некоторой площади.
Например, для замкнутого сосуда с жидкостью вектора давления будут направлены от каждой точки к центру, а их длина возрастет с глубиной по мере увеличения высоты столба жидкости над данной точкой.
А на эпюре давлений равномерно распределенной по поверхности силы все векторы будут одной длины.
6. Приборы для измерения давления
Для определения давления газов, паров и жидкостей используются различные измерительные приборы:
- Манометры для измерения избыточного давления в гидравлических и пневматических системах.
- Вакуумметры, показывающие разрежение или давление ниже атмосферного.
- Мановакуумметры, совмещающие функции манометра и вакуумметра.
Принцип действия этих приборов основан на зависимости механических деформаций упругого элемента от величины приложенного давления. Показания отсчитывают по шкале с нанесенными на ней значениями давления в необходимых единицах измерения.
7. Значение знаний о давлении на практике
Понимание физической природы давления, умение его вычислять и измерять имеет важнейшее практическое значение во многих областях науки и техники:
- При конструировании и расчетах прочности различных машин, механизмов и сооружений.
- В гидравлике и пневматике для определения характеристик рабочих сред и расходов.
- В метеорологии для измерения и прогноза атмосферного давления.
- В медицине для диагностики кровяного давления пациентов.
Более глубокое изучение давления как физического явления открывает новые горизонты для создания передовых технологий в этих и других областях человеческой деятельности.
