Формула тиску у фізиці

Тиск – дуже важлива фізична величина, що грає величезну роль, як в навколишній природі, так і житті людини. Зовні непомітний людському оку тиск може дуже добре відчуватися кожним з нас. Особливо добре це засвоїли люди у віці, які часто страждають від підвищеного тиску (або навпаки від зниженого). Але в нашій статті ми поговоримо саме про тиск у фізиці, про те, як він вимірюється і розраховується, які є формули для розрахунків тиску різних речовин: повітря, рідини або твердого тіла.

Визначення

Під тиском у фізиці розуміється термодинамічна величина, виражена співвідношенням перпендикулярної сили тиску на площу поверхні, на яку вона впливає. При цьому згідно з законом Паскаля якщо система знаходиться в стані рівноваги, то тиск на неї буде однаковим для всіх точок системи.

У фізиці, як втім і хімії, тиск позначають великою буквою Р, що походить від латинського слова «pressura» – тиск. (В англійській мові тиск так і залишився майже без зміни -pressure).

Загальна формула

З класичного визначення того, що таке тиск можна вивести загальну формулу для його розрахунку. Виглядати вона буде таким чином:

P = F/S

Де F – це сила тиску, а S – площа поверхні на яку вона діє. Тобто іншими словами формула знаходження тиску – це сила, що діє на певну поверхню, розділена на площу цієї самої поверхні.

Як видно з формули, при розрахунку тиску завжди діє наступний принцип: чим менше простір, на який діє сила, тим більша кількість сили на нього припадає і навпаки.

Це можна проілюструвати простим життєвим прикладом: хліб найлегше порізати гострим ножем, тому що у гострого ножа заточене лезо, тобто площа поверхні S з формули у нього мінімальна, а значить, тиск ножа на хліб буде максимально рівним прикладеній силі F того хто тримає ніж. А ось тупим ножем порізати хліб вже складніше, так як у його леза велика площа поверхні S, і тиск ножа на хліб буде меншим, і значить, щоб відрізати собі шматок хліба потрібно докласти більшу кількість сили F.

Загальна формула тиску, по суті, відмінно описує формулу тиску твердого тіла.

Одиниці

Відповідно до стандартів Міжнародної метричної системи тиск вимірюється в паскалях. Один паскаль з класичної формули дорівнює одному Ньютону (Як ми знаємо, Ньютон у нас одиниця виміру сили) розділеному на один квадратний метр.

Але на жаль на практиці паскаль виявляється дуже малою одиницею і використовувати його для вимірювання тиску не завжди зручно, тому часто для вимірювання тиску застосовують інші одиниці:

• Бари – один бар дорівнює 105 паскалей
• Міліметри водяного стовпа
• Метри водяного стовпа
• Технічні та фізичні атмосфери

Формула гідростатичного тиску

Як ми знаємо, різні агрегатні стани речовини, мають різні фізичні властивості. Рідини своїми властивостями відрізняються від твердих тіл, а гази в свою чергу відрізняються від них усіх. Тому цілком логічно, що способи визначення тиску для рідин, твердих тіл і газів також будуть різними. Так, наприклад, формула тиску води (або гідростатичного тиску) матиме наступний вигляд:

P = p*g*h

Де маленька p – щільність речовини, g – прискорення вільного падіння, h – висота.

Зокрема ця формула пояснює, чому при зануренні водолазів (або батискафа або підводного човна) на глибину все більше зростає тиск навколишньої води. Також з цієї формули зрозуміло, чому на предмет, занурений в якийсь кисіль, буде впливати більший тиск, ніж на предмет, занурений просто у воду, так як щільність кисіля (p) вище, ніж у води, а чим вище щільність рідини, тим вище її гідростатичний тиск.

Наведена нами формула гідростатичного тиску справедлива не тільки для рідин, але і для газів. Тому піднімаючись високо в гори (де повітря більш розріджене, а значить менший тиск), як і спускаючись у підводні глибини, людина, водолаз або альпініст повинен пройти спеціальну адаптацію, звикнути до того, що на нього буде діяти інший тиск.

Різка зміна тиску може призвести до кесоної хвороби (у випадку з водолазами) або до «гірської» хвороби (у випадку з альпіністами). І «кесонка» і «горняшка», як їх сленгово називають водолази і альпіністи, викликана різкою змінної тиску навколишнього середовища. Тобто, якщо не підготовлена людина почне раптом підніматися на Еверест, то вона швидко зловить «горняшку», а якщо ця ж людина почне опускатися на дно Маріїнської западини, то гарантовано отримає «кесонку». У першому випадку причиною буде не адаптація організму до зниженого тиску, а в другому – до підвищеного.

Американські водолази у декомпрессіоній камері, покликаній підготувати їх до глибоководних занурень і адаптувати організм до високого тиску океанських глибин.

Парціальний тиск та його формула

Хоча формула гідростатичного тиску застосовна для газів, але тиск для них зручніше обчислювати за іншою формулою, формулою парціального тиску.

Справа в тому, що в природі рідко зустрічаються абсолютно чисті речовини, причому це стосується як рідин, так і газів. Зазвичай на практиці в навколишньому світі переважають різні суміші, і логічно, що кожен з компонентів такої суміші може надавати різний тиск, такий різний тиск і називають парціальним. Визначити парціальний тиск просто – він рівний сумі тисків кожного компонента даної суміші. Звідси формула парціального тиску матиме наступний вигляд:

P = P₁+P₂+P₃

Де P₁, P₂ и P₃ – тиски кожного з компонентів газової суміші, так званий «ідеальний газ».

Наприклад, щоб визначити тиск повітря звичайної формули гідростатичного тиску обчисленої тільки з киснем недостатньо, так як повітря в реальності являє собою суміш різних газів, де крім основного компонента кисню, яким ми всі дихаємо, є й інші: азот, аргон і т. д.

Такі розрахунки потрібно проробляти за допомогою формули парціального тиску.

Формула тиску ідеального газу

Також варто зауважити, що тиск ідеального газу, тобто кожного окремого з компонентів газової суміші зручно порахувати за формулою молекулярно-кінетичної теорії.

P = n*k*T

Де n – концентрація молекул газу, T – абсолютна температура газу, k – постійна Больцмана (вказує на взаємозв’язок між кінетичною енергією частинки газу і її абсолютною температурою), вона дорівнює 1,38*10^-23 Дж/К.

Прилади для вимірювання

Зрозуміло, людство винайшло багато приладів, що дозволяють швидко і зручно вимірювати рівень тиску. Для вимірювання тиску навколишнього середовища, він же атмосферний тиск, використовують такий прилад як манометр або барометр.

Так виглядає класичний барометр для вимірювання атмосферного тиску.

Щоб дізнатися артеріальний тиск у людини, що часто служить причиною нездужань використовується прилад відомий більшості під назвою неінвазивний тонометр. Таких приладів існує безліч різновидів.

Також біологи в своїх дослідженнях займаються розрахунками осмотичного тиску – це тиск всередині і зовні клітини. А метеорологи, зокрема по перепадах тиску в навколишньому середовищі прогнозують нам погоду.

Рекомендована література та корисні посилання

• ДСТУ 3651.1-97. Метрологія. Одиниці фізичних величин. Похідні одиниці фізичних величин міжнародної системи одиниць та позасистемні одиниці. Основні поняття, назви та позначення.
• E. R. Cohen et al, «Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry», IUPAC Green Book, 3rd Edition, 2nd Printing, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge (2008). — p. 14.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.

Сторінка про автора