Paine

käsite

paine on voiman suhde pinta-alaan, jolle se kohdistuu. Kiintoaineet aiheuttavat painetta, mutta kiinnostavimmat esimerkit paineesta liittyvät nesteisiin-eli kaasuihin ja nesteisiin—ja erityisesti veteen ja ilmaan. Paineella on useita tärkeitä rooleja jokapäiväisessä elämässä, muun muassa sen tehtävä pumppujen ja hydraulisten puristimien toiminnassa. Tavallisen ilmanpaineen ylläpitäminen on välttämätöntä ihmisten terveydelle ja hyvinvoinnille: keho sopii täydellisesti ilmakehän tavalliseen paineeseen, ja jos tätä painetta muutetaan merkittävästi, henkilö voi kokea haitallisia tai jopa kuolemaan johtavia sivuvaikutuksia.

miten se toimii

voima ja pinta-ala

kun voima kohdistetaan kohtisuoraan pinta-alaan, se kohdistaa kyseiseen pintaan paineen, joka on yhtä suuri kuin F: n suhde A: han, missä F on voima ja A: n pinta-ala. Näin ollen paineen (p ) kaava on p = F /A. Yksi mielenkiintoinen seuraus tästä suhteesta on se, että paine voi kasvaa tai laskea ilman voiman muutosta—toisin sanoen, jos pinta pienenee, paine kasvaa ja päinvastoin.

Jos toinen cheerleadereista pitelisi toista cheerleaderia olkapäillään siten, että yläpuolella oleva tyttö seisoisi alapuolella olevan tytön lapaluiden päällä, ylemmän tytön jalat kohdistaisivat tietynlaista painetta alemman tytön hartioihin. Tämä paine olisi yhtä suuri kuin ylemmän tytön paino (F, joka tässä tapauksessa on hänen massansa kerrottuna painovoiman aiheuttamalla kiihtyvyydellä alaspäin) jaettuna hänen jalkojensa pinta-alalla. Otaksukaamme siis, että ylempi tyttö suorittaa haastavan akrobaattisen liikkeen, jolloin hänen vasen jalkansa nousee lepäämään oikeaa polveaan vasten, niin että hänen oikea jalkansa yksin käyttää hänen painonsa koko voimaa. Nyt se pinta-ala, johon voima kohdistuu, on pienentynyt puoleen sen suuruudesta, ja siten alemman tytön olkapäähän kohdistuva paine on kaksi kertaa suurempi.

samasta syystä—eli siitä, että pinta—alan pienentäminen lisää nettopainetta-hyvin toteutettu karatelyönti on paljon tehokkaampi kuin avokätinen Läpsäisy. Jos lautaa lyödään suoraan kämmenellä, ainoa todennäköinen seuraus olisi kova pistävä kipu kädessä. Mutta jos joku sen sijaan antoi isku laudalle, jossa käsi pidetään kohtisuorassa—edellyttäen tietenkin, että joku oli karaten asiantuntija—lauta voitaisiin jakaa kahtia. Ensinnäkin voimankäytön pinta—ala on suuri ja laudalle kohdistuva nettopaine suhteellisen pieni, kun taas karatepilvessä pinta-ala on paljon pienempi-ja siten paine on paljon suurempi.

joskus suositellaan suurempaa pinta-alaa. Näin ollen lumikengät ovat paljon tehokkaampia lumessa kävelemiseen kuin tavalliset kengät tai saappaat. Tavalliset jalkineet eivät ole paljon suurempia kuin jalan pinta, jotka sopivat täydellisesti jalkakäytävällä tai ruoholla kävelemiseen. Syvässä lumessa tämä suhteellisen pieni pinta-ala kuitenkin lisää lumeen kohdistuvaa painetta ja saa jalat vajoamaan. Koska lumikenkä on pinta-alaltaan huomattavasti suurempi kuin tavallinen kenkä, se vähentää voiman suhdetta pinta-alaan ja siten alentaa nettopainetta.

sama periaate pätee lumi-ja vesisuksiin. Lumikengän tavoin suksi mahdollistaa hiihtäjän pysymisen navan pinnalla, mutta toisin kuin lumikenkä, suksi on pitkä ja ohut, jolloin hiihtäjä pystyy liukumaan tehokkaammin alas lumen peittämää mäkeä. Mitä hiihto vesillä, ihmiset, jotka ovat kokeneet tämän lajin voi hiihtää paljain jaloin, mutta se on hankalaa. Useimmat aloittelijat tarvitsevat vesisukset, jotka jälleen kerran vähentävät hiihtäjän painon aiheuttamaa nettopainetta veden pinnalla.

Mittapaine

paine mitataan Englannin ja metriikan yksiköillä—tai, kuten tiedeyhteisössä sitä kutsutaan, SI—järjestelmillä. Koska p = F / A, kaikki paineen yksiköt edustavat jonkinlaista voiman suhdetta pinta-alaan. Periaatteen SI-yksikköä kutsutaan pascaliksi (Pa) eli 1 N/m2. Voiman SI-yksikkö newton (N)on yhtä suuri kuin voima, joka tarvitaan kiihdyttämään 1 kilogramman massaa nopeudella 1 metri sekunnissa potenssiin. Näin Pascal on yhtä suuri kuin 1 Newtonin paine 1 neliömetrin pinta-alalla.

englantilaisessa tai Brittiläisessä järjestelmässä paine mitataan paunoina neliötuumaa kohti, lyhennettynä lbs./ in2. Tämä on yhtä kuin 6,89 * 103 Pa eli 6,890 Pa. Tutkijat—jopa Yhdysvalloissa, jossa vallitsee Brittiläinen yksikköjärjestelmä-käyttävät mieluummin SI-yksiköitä. Brittiläinen paineyksikkö on kuitenkin tuttu osa Amerikkalaiskuskin arkea, sillä Yhdysvalloissa rengaspaineet lasketaan yleensä kiloina neliösenttiä kohden. (Suositeltava rengaspaine keskikokoiselle autolle on tyypillisesti 30-35 lb / in2.)

toinen tärkeä paineen mittari on ilmakehä (atm), joka on ilman aiheuttama keskimääräinen paine merenpinnan tasolla. Englanninkielisissä yksiköissä tämä on yhtä kuin 14.7 lbs./in2, ja SI-yksiköinä 1,013 * 105 Pa-eli 101,300 Pa. SI-järjestelmässä on myös kaksi muuta paineen mittaamiseen erikoistunutta yksikköä: Baari, yhtä suuri kuin 105 Pa, ja torr, yhtä suuri kuin 133 Pa. Meteorologit, tiedemiehet, jotka tutkivat säämalleja, käyttävät millibaaria (mb), joka nimensä mukaisesti on 0,001 baaria. Merenpinnan tasolla ilmanpaine on noin 1 013 mb.

barometri.

torr, joka aikoinaan tunnettiin ”elohopeamillimetrinä”, on yhtä suuri kuin paine, joka tarvitaan elohopeapatsaan nostamiseen (kemiallinen tunnus Hg) 1 mm. se on nimetty italialaisen fyysikon Evangelista Torricellin (1608-1647) mukaan, joka keksi ilmanpaineen mittaamiseen käytettävän barometrin.

Torricellin vuonna 1643 rakentama ilmapuntari koostui pitkästä lasiputkesta, joka oli täytetty elohopealla. Putki oli toisesta päästä avoin ja kääntyi ylösalaisin astiaksi, joka sisälsi enemmän elohopeaa: näin ollen avoin pää upotettiin elohopeaan, kun taas yläosassa oleva suljettu pää muodosti tyhjiön—eli alueen, jossa paine on paljon pienempi kuin 1 atm.

ympäröivän ilman paine painoi maljassa olevan elohopean pintaa alaspäin, kun taas putken yläosassa oleva tyhjiö tarjosi käytännössä paineettoman alueen, johon elohopea saattoi nousta. Siten korkeus, johon elohopea nousi lasiputkessa, edusti normaalia ilmanpainetta (eli 1 atm.) Torricelli havaitsi, että normaalissa ilmanpaineessa elohopeapatsas nousi 760 millimetriin.

näin ollen 1 atm: n arvoksi vahvistettiin paine, joka kohdistuu 760 mm korkeaan elohopeakolonniin 0°C: n (32°F) lämpötilassa. Lisäksi Torricellin keksinnöstä tuli lopulta sekä tieteellisten laboratorioiden että kotitalouksien kiinnike. Koska ilmanpaineen muutokset vaikuttavat sääolosuhteisiin, monissa kodin sisä-ja ulkolämpömittareissa on nykyään myös ilmapuntari.

paine ja nesteet

fysiikassa sekä kaasuista että nesteistä käytetään nimitystä nesteet—eli aineet, jotka vastaavat säiliönsä muotoa. Ilmanpaine ja vedenpaine ovat siis erityisaiheita laajemman otsikon ”nestepaine.”Neste reagoi paineeseen aivan eri tavalla kuin kiinteä aine. Kiinteän aineen tiheys tekee siitä vastustuskykyisen pienille painesovelluksille, mutta jos paine kasvaa, se kokee jännitystä ja lopulta muodonmuutoksen. Kun kyse on nesteestä, stressi saa sen kuitenkin virtaamaan eikä vääntymään.

säiliön nesteisiin kohdistamalla paineella on kolme merkittävää ominaisuutta. Ensinnäkin säiliössä oleva neste, joka ei koe ulkoista liikettä, aiheuttaa voiman, joka on kohtisuorassa astian seinämiin nähden. Samoin kontin seinämät vaikuttavat nesteeseen, ja molemmissa tapauksissa voima on aina kohtisuorassa seiniin nähden.

kussakin näistä kolmesta ominaisuudesta oletetaan, että säiliö on äärellinen: toisin sanoen fluidilla ei ole muuta paikkaa minne mennä. Näin ollen toinen toteamus: nesteeseen kohdistuva ulkoinen paine välittyy tasaisesti. Huomaa, että edellistä lauseketta kvalifioitiin termillä ”ulkoinen”: neste itse käyttää painetta, jonka voimakomponentti on yhtä suuri kuin sen paino. Siksi pohjassa olevalla nesteellä on paljon suurempi paine kuin päällä olevalla nesteellä, johtuen sen yläpuolella olevan nesteen painosta.

kolmanneksi paine millä tahansa nesteen pienellä pinnalla on sama pinnan suunnasta riippumatta. Toisin sanoen nesteen pinta-ala, joka on kohtisuorassa kontin seinämiin nähden, kokee saman paineen kuin yhdensuuntainen tai kulmassa seiniin nähden. Tämä saattaa näyttää olevan ristiriidassa ensimmäisen periaatteen kanssa, jonka mukaan voima on kohtisuorassa säiliön seinämiin nähden. Itse asiassa voima on vektorisuure, eli sillä on sekä magnitudi että suunta, kun taas paine on skalaari, eli sillä on magnitudi, mutta ei tiettyä suuntaa.

tosielämän Sovellukset

Pascalin periaate ja hydraulipuristin

edellä kuvatuilla kolmella nestepaineen ominaisuudella on useita vaikutuksia ja sovelluksia, muun muassa niin sanotulla Pascalin periaatteella. Kuten si-yksikön paine, Pascalin periaate on nimetty ranskalaisen matemaatikon ja fyysikon Blaise Pascalin (1623-1662) mukaan, joka muotoili toisen kolmesta lauseesta: että fluidiin kohdistuva ulkoinen paine välittyy tasaisesti koko kyseisen nesteen kehoon. Pascalin periaatteesta tuli perusta yhdelle tärkeistä koskaan kehitetyistä koneista, hydraulipuristimelle.

yksinkertainen hydraulipuristin, jota käytetään auton nostamiseen autokorjaamolla, koostuu tyypillisesti kahdesta suuresta sylinteristä vierekkäin. Jokainen sylinteri sisältää männän, ja sylinterit on yhdistetty alareunassa nestettä sisältävällä kanavalla. Venttiilit ohjaavat kahden sylinterin välistä virtausta. Kun voima kohdistetaan painamalla mäntää alas yhdessä sylinterissä (tulosylinteri), tämä tuottaa tasaisen paineen, joka aiheuttaa ulostulon toisessa sylinterissä, työntäen mäntää, joka nostaa auton.

Pascalin periaatteen mukaisesti paine koko hydraulipuristimessa on sama ja on aina yhtä suuri kuin voiman ja paineen suhde. Niin kauan kuin suhde on sama, F: n ja A: n arvot voivat vaihdella. Kun kyseessä on autokaupan autojätin, tulosylinterin pinta-ala on suhteellisen pieni, ja siten myös kohdistettavan voiman määrä on suhteellisen pieni. Lähtösylinterin pinta-ala on suhteellisen suuri, ja siksi se käyttää suhteellisen suurta voimaa auton nostamiseen. Tämä yhdistettynä kahden sylinterin väliseen korkeuseroon (josta on keskusteltu mekaanisen edun yhteydessä muualla tässä kirjassa) mahdollistaa raskaan auton nostamisen suhteellisen pienellä vaivalla.

hydraulinen RAM.

autojätti on yksinkertainen malli käytössä olevasta hydraulipuristimesta, mutta todellisuudessa Pascalin periaatteella on paljon muitakin sovelluksia. Näiden joukossa on hydraulinen ram, jota käytetään koneissa, jotka vaihtelevat puskutraktoreista palomiesten ja hyötytyöntekijöiden käyttämään hydrauliseen hissiin päästäkseen korkeuksiin. Hydraulisessa Ramissa Tulo-ja lähtösylinterien ominaisuudet ovat kuitenkin päinvastaiset kuin auton tunkin.

pääsylinteriksi kutsutun tulosylinterin pinta-ala on suuri, kun taas lähtösylinterin (orjasylinteriksi) pinta-ala on pieni. Lisäksi—joskin tämäkin seikka liittyy mekaaniseen hyötyyn eikä paineeseen sinänsä-pääsylinteri on lyhyt, kun taas orjasylinteri on korkea. Koska pääsylinterin pinta-ala on suurempi kuin orjasylinterin pinta-ala, hydraulista pässiä ei pidetä mekaanisen edun kannalta tehokkaana: toisin sanoen voimansyöttö on paljon suurempi kuin voimantuotto.

siitä huolimatta hydraulinen pässi sopii käyttötarkoitukseensa yhtä hyvin kuin auton tunkki. Siinä missä tunkki on tehty raskaan auton nostamiseen lyhyen pystysuoran matkan läpi, hydraulinen ram kuljettaa paljon kevyemmän lastin (yleensä vain yhden henkilön) paljon suuremman pystysuoran alueen läpi—esimerkiksi puun tai rakennuksen latvaan.

hyödyntävät paine-eroja

pumput.

pumppu hyödyntää Pascalin periaatetta, mutta sen sijaan, että se pitäisi nestettä yhdessä säiliössä, pumppu päästää nesteen karkaamaan. Erityisesti pumppu hyödyntää paine-eroa, jolloin neste siirtyy korkeamman paineen alueelta matalamman paineen alueelle. Hyvin yksinkertainen esimerkki tästä on imuletku, jota käytetään raakaöljyn vetämiseen auton bensatankista. Imeminen letkun toisesta päästä luo matalapaineen alueen verrattuna kaasusäiliön suhteellisen korkeapaineiseen alueeseen. Lopulta bensiini irtoaa letkun matalapainepäästä. (Ja hyvällä tuurilla imijä pystyy ennakoimaan tämän, jottei hän saa suullista bensaa!)

mäntäpumppu, monimutkaisempi, mutta silti melko alkeellinen, koostuu pystysuorasta sylinteristä, jota pitkin mäntä nousee ja laskee. Lähellä sylinterin pohjaa on kaksi venttiiliä, imuventtiili, jonka kautta neste virtaa sylinteriin, ja poistoventtiili, jonka kautta neste virtaa ulos siitä. Imuvedossa männän liikkuessa ylöspäin imuventtiili avautuu ja päästää nestettä sylinteriin. Syöksyventtiilissä imuventtiili sulkeutuu poistoventtiilin auetessa, ja männän antama paine nesteeseen pakottaa sen poistoventtiilin läpi.

yksi mäntäpumpun ilmeisimmistä sovelluksista on auton moottorissa. Tällöin pumpattava neste on tietenkin bensiiniä, joka työntää mäntiä tuottamalla sarjan kontrolloituja räjähdyksiä, jotka syntyvät sytytystulpan sytyttäessä kaasua. Toisessa mäntäpumpussa—jollaista käytetään koripallon tai polkupyörän renkaan täyttämiseen-ilma on pumpattavaa nestettä. Sitten on vesipumppu, joka pumppaa juomavettä maasta, sillä voidaan myös poistaa haluttua vettä alueelta, jossa se on esteenä, esimerkiksi veneen pohjassa.

Bernoullin periaate.

vaikka Pascal tarjosi arvokasta ymmärrystä paineen käytöstä työn suorittamiseen, ajattelija, joka ensimmäisenä muotoili yleiset periaatteet nesteiden ja paineen suhteesta, oli sveitsiläinen matemaatikko ja fyysikko Daniel Bernoulli (1700-1782). Bernoullia pidetään virtausmekaniikan isänä, joka tutki kaasujen ja nesteiden käyttäytymistä levossa ja liikkeessä.

tehdessään kokeita nesteillä Bernoulli havaitsi, että kun putken halkaisija pienenee, vesi virtaa nopeammin. Tämä ehdotti hänelle, että jokin voima täytyy vaikuttaa veden, voima, että hän järkeili täytyy johtua eroavaisuuksia paine. Erityisesti hitaammin liikkuvalla nesteellä putken laajemmalla alueella oli suurempi paine kuin putken kapeamman osan läpi liikkuvalla nesteen osalla. Tämän seurauksena hän päätteli, että paine ja nopeus ovat kääntäen yhteydessä toisiinsa—toisin sanoen, kun toinen kasvaa, toinen pienenee.

näin ollen hän muotoili Bernoullin periaatteen, jonka mukaan kaikissa liikkeen muutoksissa staattisen ja dynaamisen paineen summa fluidissa pysyy samana. Levossa oleva neste aiheuttaa staattista painetta, jota yleisesti tarkoitetaan” paineella”, kuten ”veden paineella”.”Kun fluidi alkaa liikkua, osa staattisesta paineesta—joka on verrannollinen fluidin nopeuteen-muuttuu niin sanotuksi dynaamiseksi paineeksi eli liikkeen paineeksi. Sylinterimäisessä putkessa staattinen paine kohdistuu kohtisuoraan säiliön pintaan nähden, kun taas dynaaminen paine on sen suuntainen.

Bernoullin periaatteen mukaan mitä suurempi virtausnopeus fluidissa on, sitä suurempi on dynaaminen paine ja sitä pienempi staattinen paine: toisin sanoen hitaammin liikkuva neste aiheuttaa suuremman paineen kuin nopeammin liikkuva neste. Tämän periaatteen keksiminen mahdollisti lopulta lentokoneen kehittämisen.

fluidin siirtyessä leveämmästä putkesta kapeampaan, ei kyseisen fluidin tilavuus, joka liikkuu tietyn matkan tietyllä ajanjaksolla, muutu. Mutta koska kapeamman putken leveys on pienempi, nesteen on liikuttava nopeammin (eli suuremmalla dynaamisella paineella), jotta sama määrä nestettä voidaan siirtää samalla etäisyydellä samassa ajassa. Yksi tapa havainnollistaa tätä on tarkkailla joen käyttäytymistä: laajalla, rajoittamattomalla alueella se virtaa hitaasti, mutta jos sen virtausta kavennetaan kanjonin seinämillä, se kiihtyy dramaattisesti.

Bernoullin periaatteesta tuli lopulta perusta lentokoneen siiven muotoilulle, kun se nähdään päästä. Ilmapallo on epäsymmetrisen Pisaran muotoinen ja sen kyljessä on ”rasva” pää kohti ilmavirtaa. Kun ilma osuu lentokoneen etuosaan, ilmavirtaus jakaantuu siten, että osa siitä kulkee siiven yli ja osa alitse. Airfoilin yläpinta on kuitenkin kaareva, kun taas alapinta on paljon suorempi.

tämän vuoksi yläosan yli virtaavalla ilmalla on suurempi peittoetäisyys kuin siiven alla virtaavalla ilmalla. Koska nesteillä on taipumus kompensoida kaikkia kohteita, joiden kanssa ne joutuvat kosketuksiin, yläilmassa oleva ilma virtaa nopeammin kohdatakseen Siiven peräpäässä olevan alaosan ilman. Nopeampi ilmavirtaus kertoo Bernoullin mukaan matalammasta paineesta, eli Siiven pohjassa oleva paine pitää lentokoneen ilmassa.

kelluvuus ja paine

satakaksikymmentä vuotta ennen Wrightin veljesten ensimmäistä onnistunutta lentokonelentoa vuonna 1903 toinen veljespari—Ranskan Mont-golfiers—kehitti toisen lentovälineen. Kyseessä oli ilmapallo,joka tukeutui aivan toiseen periaatteeseen noustakseen maasta: kelluvuuteen eli nesteeseen upotetun esineen taipumukseen kellua. Bernoullin periaatteen tapaan kelluvuuden käsite liittyy kuitenkin paineeseen.

200-luvulla eaa.) oli kreikkalainen matemaatikko, fyysikko ja keksijä Arkhimedes (n. 287-212 eaa.) löysi Arkhimedeen periaatteen, jonka mukaan fluidiin upotetun kappaleen kelluva voima on yhtä suuri kuin kappaleen syrjäyttämän nesteen paino. Laivat kelluvat siksi, että niiden nostovoima on pienempi kuin niiden syrjäyttämän veden paino.

aluksen runko on suunniteltu syrjäyttämään tai siirtämään vesimäärä, jonka paino on suurempi kuin itse aluksen. Siirretyn veden paino—toisin sanoen sen massa kerrottuna painovoiman aiheuttamalla kiihtyvyydellä alaspäin-on yhtä suuri kuin meren laivaan kohdistama kelluva voima. Jos laiva painaa vähemmän kuin sen syrjäyttämä vesi, se kelluu; mutta jos se painaa enemmän, se uppoaa.

Arkhimedeen periaatteeseen liittyvät tekijät riippuvat paineen sijaan tiheydestä, painovoimasta ja syvyydestä. Mutta mitä suurempi syvyys nesteessä on, sitä suurempi on paine, joka painaa nesteeseen upotettua esinettä vastaan. Lisäksi kokonaispaine tietyssä syvyydessä nesteessä liittyy osittain sekä tiheyteen että painovoimaan, jotka ovat kelluvan voiman komponentteja.

paine ja syvyys.

nesteen säiliönsä pohjaan kohdistama paine on yhtä suuri kuin dgh, jossa d on tiheys, g painovoiman aiheuttama kiihtyvyys ja h säiliön syvyys. Mille tahansa osalle nestettä, h on yhtä suuri kuin sen syvyys säiliössä, mikä tarkoittaa, ettäsyvempi menee, sitä suurempi paine. Lisäksi kokonaispaine nesteen sisällä on yhtä suuri kuin dGH + P ulkoinen, missä p ulkoinen on nesteen pintaan kohdistuva paine. Männän ja sylinterin kokoonpanossa tämä paine tulee männästä, mutta vedessä paine tulee ilmakehästä.

tässä yhteydessä merta voidaan pitää eräänlaisena ”konttina.”Sen pinnalla ilma painaa alaspäin yhtä paljon kuin 1 atm. Itse veden tiheys on tasainen, samoin painovoiman aiheuttama kiihtyvyys alaspäin; ainoa muuttuja on siis h eli etäisyys pinnan alla. Meren syvimmillä alueilla paine on uskomattoman suuri—paljon enemmän kuin kukaan ihminen kestäisi. Tämä suunnaton painemäärä työntyy ylöspäin vastustaen sen pinnalla olevien esineiden syöksypainetta. Samalla, jos veneen paino hajaantuu kunnolla runkoaan pitkin, alus maksimoi pinta-alan ja minimoi voiman, jolloin veden pintaan kohdistuu matalapaine, joka on pienempi kuin itse veden nousupaine. Siksi se kelluu.

paine ja ihmiskeho

Ilmanpaine.

Montgolfierit eivät kelluneet veden päällä, vaan kelluivat taivaalla ilmaa kevyemmällä aluksella. Tämän saavutuksen yksityiskohtia käsitellään muualla, kelluvuuden yhteydessä; mutta ilmalentoa kevyempi aihe viittaa toiseen käsitteeseen, johon on viitattu useita kertoja tämän esseen aikana: Ilmanpaine.

aivan kuten veden paine on suurin meren pohjassa, ilmanpaine on suurin maan pinnalla—joka itse asiassa on ”valtameren” pohjalla ilmaa. Sekä ilman että veden paine ovat esimerkkejä hydrostaattisesta paineesta-paineesta, joka vallitsee missä tahansa nestekappaleessa yllä olevan nesteen painon vuoksi. Ilmanpaineessa ilmaa vetää alaspäin Maan vetovoiman vaikutuksesta, ja pinnalla olevalla ilmalla on suurempi paine sen yläpuolella olevan ilman painon (painovoimafunktion) vuoksi. Suurilla korkeuksilla maan pinnan yläpuolella painovoima on kuitenkin vähentynyt, ja siten ilmanpaine on paljon pienempi.

tavallisessa kokemuksessa ihmisen kehoon kohdistuu vaikuttava määrä painetta. Kun otetaan huomioon edellä mainittu ilmanpaineen arvo, niin jos ihminen ojentaa kätensä—olettaen, että pinta on noin 20 in2 (0,129 m2)—sen päällä lepäävän ilman voima on lähes 300 lb (136 kg)! Miten tämä paino ei muserra ketään? Syynä on se, että ihmiskeho itse on paineen alaisena, ja että kehon sisäosat tuottavat yhtä suuren paineen kuin ilma.

vaste ilmanpaineen muutoksiin.

ihmiskeho soveltuu itse asiassa 1 atm: n normaaliin ilmanpaineeseen, ja jos tätä ulkoista painetta muutetaan, elimistössä tapahtuu muutoksia, jotka voivat olla haitallisia tai jopa kuolemaan johtavia. Pieni esimerkki tästä on” poksahdus ” korvissa, joka tapahtuu ajettaessa vuorten läpi tai lentokoneessa. Korkeuden muutosten myötä paine muuttuu, ja siten myös korvien paine muuttuu.

kuten aiemmin todettiin, korkeammalla ilmanpaine laskee, mikä vaikeuttaa hengittämistä. Koska ilma on kaasu, sen molekyyleillä on taipumus olla puoleensavetäviä: toisin sanoen kun paine on alhainen, ne pyrkivät etääntymään toisistaan, ja seurauksena on, että korkealla olevan ihmisen on vaikea saada riittävästi ilmaa keuhkoihinsa. Vuoden 1968 olympialaisissa vuoristossa sijaitsevassa Méxicon kaupungissa kilpailleet juoksijat joutuivat harjoittelemaan korkealla, jotta he pystyivät hengittämään kilpailun aikana. Denverissä, Coloradossa (tunnetaan nimellä ”The Mile-High City”) kilpaileville baseball-joukkueille tämä hengityshaitta kompensoidaan sillä, että alentunut paine ja vastus mahdollistavat baseballin liikkumisen helpommin ilman läpi.

Jos ihminen kasvaa näin korkealla, tottuu hän tietysti hengittämään matalassa ilmanpaineessa. Esimerkiksi Perun Andeilla ihmiset viettävät koko elämänsä yli kaksi kertaa niin korkealla kuin Denverissä, mutta matalalta alueelta kotoisin olevan ihmisen pitäisi käydä sellaisessa paikassa vasta varotoimien jälkeen. Äärimmäisen korkeissa korkeuksissa kukaan ihminen ei tietenkään voi hengittää: siksi lentokoneen hytit on paineistettu. Useimmat lentokoneet on varustettu happinaamareilla, jotka putoavat katosta, jos matkustamon sisätilat kokevat painehäviön. Ilman näitä naamioita kaikki mökissä olisivat kuolleet.

verenpaine.

toinen paineen ja ihmiskehon osa-alue on verenpaine. Aivan kuten 20/20-visio on ihanteellinen, lääkärit suosittelevat tavoiteverenpainetta ”120 yli 80” – mutta mitä se tarkoittaa? Kun henkilön verenpainetta mitataan, olkavarren ympärille kiedotaan puhallettava ranneke samalle tasolle sydämen kanssa. Samaan aikaan stetoskooppi asetetaan valtimoa pitkin alavarteen seuraamaan veren virtauksen ääntä. Mansetti puhalletaan veren virtauksen pysäyttämiseksi, sitten paine vapautetaan, kunnes veri vain alkaa virrata uudelleen, tuottaen kurnivan äänen stetoskoopissa.

verenkierron pysäyttämiseen tarvittava paine tunnetaan systolisena paineena, joka on yhtä suuri kuin sydämen tuottama maksimipaine. Kun mansetin paine vähenee, kunnes veri alkaa virrata normaalisti—mikä heijastuu stetoskoopin ulinan lopettamisesta-valtimon paine mitataan uudelleen. Tämä on diastolinen paine, tai paine, joka on olemassa valtimossa sydämen aivohalvausten välillä. Terveelle henkilölle systolinen paine on 120 torr ja diastolinen paine 80 torr.

WHERE TO LEARN MORE

”Atmospheric Pressure: The Force Expaned by the Weight of Air” (www-sivusto). <http://kids.earth.nasa.gov/archive/air_pressure/> (7.

Beiser, Arthur. Fysiikka, 5. Reading, MA: Addison-Wesley, 1991.

”verenpaine” (Web-sivusto). <http://www.mckinley.uiuc.edu/health-info/dis-cond/bloodpr/bloodpr.html> (7.huhtikuuta 2001).

Clark, John Owen Edward. tunnelma. New York: Gloucester Press, 1992.

Cobb, Allan B. Super Science Projects About Oceans. New York: Rosen, 2000.

”the Physics of Underwater Diving: Pressure Lesson”(www. <http://www.uncwil.edu/nurc/aquarius/lessons/pressure.html> (7.huhtikuuta 2001).

Provenzo, Eugene F. ja Asterie Baker Provenzo. 47 helppoa Klassikkokoetta. Illustrations by Peter A. Zorn, Jr. New York: Dover Publications, 1989.

”Understanding Air Pressure” USA Today (verkkosivu). <http://www.usatoday.com/weather/wbarocx.html> (7.huhtikuuta 2001).

Zubrowski, Bernie. Ilmapallot: puhallettavien lelujen Rakentaminen ja kokeileminen. Kuvittanut Roy Doty. New York: Morrow Junior Books, 1990.

keskeiset termit

ilmakehä:

paineen mitta, lyhennettynä ”atm” ja yhtä suuri kuin ilman keskimääräinen paine merenpinnan tasolla. Englanninkielisissä yksiköissä tämä vastaa 14,7 paunaa neliötuumaa kohti ja SI-yksiköissä 101 300 Pascalia.

ilmapuntari:

ilmanpainetta helpottava mittarimuoto.

kelluvuus:

nesteessä olevan objektimerkin taipumus kellua.

neste:

mikä tahansa aine, joko kaasu tai neste, joka vastaa pitimensä muotoa.

Virtausmekaniikka:

tutkimus kaasujen ja nesteiden käyttäytymisestä levossa ja liikkeessä.

hydrostaattinen paine:

paine, joka vallitsee missä tahansa nestekappaleessa yllä olevan nesteen painon vuoksi.

PASCAL:

paineen periaate SI tai metricunit, lyhennettynä ”Pa” ja yhtä suuri kuin 1 N / m2.

Pascalin periaate:

ranskalaisen matemaatikon ja fyysikon Blaise Pascalin (1623-1662) muotoilema lausunto, jonka mukaan fluidiin kohdistuva ulkoinen paine välittyy tasaisesti koko kyseisen fluidin kehoon.

paine:

voiman suhde pinta-alaan, kun voima kohdistetaan kohtisuoraan kyseiseen pintaan nähden. Paineen (p ) kaava on p = F /A, missä F on voima ja A pinta-ala.