Ciśnienie

pojęcie

Ciśnienie to stosunek siły do powierzchni, na którą jest wywierana. Chociaż ciała stałe wywierają ciśnienie, najciekawsze przykłady ciśnienia obejmują płyny – to znaczy gazy i ciecze-w szczególności wodę i powietrze. Ciśnienie odgrywa wiele ważnych ról w życiu codziennym, wśród nich jego funkcja w pracy pomp i pras hydraulicznych. Utrzymanie zwykłego ciśnienia powietrza jest niezbędne dla zdrowia i dobrego samopoczucia człowieka: ciało jest doskonale przystosowane do zwykłego ciśnienia atmosferycznego, a jeśli ciśnienie to zostanie znacznie zmienione, osoba może doświadczyć szkodliwych lub nawet śmiertelnych skutków ubocznych.

Jak to działa

siła i Pole powierzchni

gdy siła jest przyłożona prostopadle do pola powierzchni, wywiera nacisk na tę powierzchnię równy stosunkowi F do a, gdzie F jest siłą, a a powierzchnią. Stąd wzór na ciśnienie (p) wynosi P = F /A. Interesującą konsekwencją tego stosunku jest fakt, że ciśnienie może wzrastać lub zmniejszać się bez zmiany siły—innymi słowy, jeśli powierzchnia staje się mniejsza, ciśnienie staje się większe i odwrotnie.

gdyby jedna cheerleaderka trzymała drugą cheerleaderkę na ramionach, z dziewczyną powyżej stojącą na łopatkach dziewczyny poniżej, górne stopy dziewczyny wywierałyby pewien nacisk na Ramiona niższej dziewczyny. Ciśnienie to byłoby równe masie górnej dziewczynki (F, która w tym przypadku jest jej masą pomnożoną przez przyspieszenie w dół spowodowane grawitacją) podzielone przez powierzchnię jej stóp. Przypuśćmy więc, że górna dziewczyna wykonuje trudny ruch akrobatyczny, podnosząc lewą stopę, aby oprzeć się o prawe kolano, tak że sama prawa stopa wywiera pełną siłę swojego ciężaru. Teraz powierzchnia, na którą wywierana jest siła, została zmniejszona do połowy swojej wielkości, a tym samym nacisk na dolne ramię dziewczyny jest dwa razy większy.

z tego samego powodu—czyli tego, że zmniejszenie powierzchni zwiększa ciśnienie netto—dobrze wykonany cios karate jest o wiele skuteczniejszy niż klaps z otwartą ręką. Jeśli ktoś uderzyłby deskę prosto w dłoń, jedynym prawdopodobnym rezultatem byłby silny ból na dłoni. Ale jeśli zamiast jednego cios do deski, z ręką trzymaną prostopadle-pod warunkiem, oczywiście, jeden był ekspertem w karate-deska może być podzielona na dwie części. W pierwszym przypadku pole wysiłku siłowego jest duże, a nacisk netto na deskę stosunkowo niewielki, natomiast w przypadku uderzenia karate pole powierzchni jest znacznie mniejsze-a co za tym idzie, nacisk jest znacznie większy.

czasami preferowana jest większa powierzchnia. Tak więc rakiety śnieżne są znacznie bardziej skuteczne w chodzeniu po śniegu niż zwykłe buty lub buty. Zwykłe obuwie jest niewiele większe niż powierzchnia stopy, doskonale nadaje się do chodzenia po chodniku lub trawie. Ale przy głębokim śniegu ta stosunkowo niewielka powierzchnia zwiększa nacisk na śnieg i powoduje, że stopy opadają. Rakietka śnieżna, ponieważ ma powierzchnię znacznie większą niż zwykły but, zmniejsza stosunek siły do powierzchni, a tym samym obniża ciśnienie netto.

ta sama zasada dotyczy nart śnieżnych i wodnych. Podobnie jak w rakietach śnieżnych, narty umożliwiają narciarzowi przebywanie na nawierzchni, ale w przeciwieństwie do rakiet śnieżnych, narty są długie i cienkie, dzięki czemu narciarz może skuteczniej ślizgać się po ośnieżonym wzgórzu. Jeśli chodzi o jazdę na nartach po wodzie, ludzie, którzy są doświadczeni w tym sporcie, mogą jeździć boso, ale jest to trudne. Większość początkujących narciarzy wymaga nart wodnych, które po raz kolejny zmniejszają ciśnienie netto wywierane przez ciężar narciarza na powierzchnię wody.

pomiar ciśnienia

ciśnienie jest mierzone za pomocą kilku jednostek w języku angielskim i metrycznych—lub, jak to się nazywa w środowisku naukowym, SI—systems. Ponieważ p = F / a, wszystkie jednostki ciśnienia reprezentują pewien stosunek siły do powierzchni. Podstawową jednostką SI jest pascal (Pa), czyli 1 N / m2. Newton (N), Jednostka siły SI, jest równa sile potrzebnej do przyspieszenia 1 kilograma masy z szybkością 1 metra na sekundę do kwadratu. Tak więc Pascal jest równy ciśnieniu 1 Newtona na powierzchni 1 metra kwadratowego.

w systemie angielskim lub brytyjskim ciśnienie jest mierzone w funtach na cal kwadratowy, w skrócie lbs./ in2 Jest to równe 6,89 * 103 Pa, czyli 6890 Pa. Naukowcy—nawet ci w Stanach Zjednoczonych, gdzie panuje Brytyjski system jednostek-wolą używać jednostek SI. Jednak brytyjska jednostka ciśnienia jest znaną częścią codziennego życia amerykańskiego kierowcy, ponieważ ciśnienie w oponach w Stanach Zjednoczonych jest zwykle liczone w funtach na cal kwadratowy. (Zalecane ciśnienie w oponach dla średniej wielkości samochodu wynosi zwykle 30-35 lb / in2.)

inną ważną miarą ciśnienia jest atmosfera (atm), czyli średnie ciśnienie wywierane przez powietrze na poziomie morza. W jednostkach angielskich jest to równe 14,7 funta./ in2, a w jednostkach SI do 1,013 * 105 Pa-czyli 101,300 Pa. Istnieją również dwie inne wyspecjalizowane jednostki pomiaru ciśnienia w układzie SI: bar, równy 105 Pa, i torr, równy 133 Pa. Meteorolodzy, naukowcy badający wzorce pogodowe, używają milibara (mb), który, jak sama nazwa wskazuje, jest równy 0,001 barów. Na poziomie morza ciśnienie atmosferyczne wynosi około 1013 mb.

barometr.

torr, znany kiedyś jako „milimetr rtęci”, jest równy ciśnieniu wymaganemu do podniesienia kolumny rtęci (symbol chemiczny Hg) 1 mm. nazwa pochodzi od włoskiego fizyka Evangelisty Torricelli (1608-1647), który wynalazł barometr, przyrząd do pomiaru ciśnienia atmosferycznego.

barometr, skonstruowany przez Torricelli ’ ego w 1643 roku, składał się z długiej szklanej rurki wypełnionej rtęcią. Rurka była otwarta na jednym końcu i odwrócona do góry nogami w naczynie zawierające więcej rtęci: stąd otwarty koniec był zanurzony w rtęci, podczas gdy zamknięty koniec na górze stanowił próżnię-czyli obszar, w którym ciśnienie jest znacznie niższe niż 1 atm.

ciśnienie otaczającego powietrza spychało się w dół na powierzchnię rtęci w misce, podczas gdy próżnia na górze rurki zapewniała obszar praktycznie bez ciśnienia, do którego rtęć mogła wzrosnąć. Tak więc wysokość, do której wzrosła rtęć w szklanej rurce, reprezentowała normalne ciśnienie powietrza (to jest 1 atm.) Torricelli odkrył, że przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym kolumna rtęci wzrosła do 760 milimetrów.

wartość 1 atm została zatem ustalona jako równa ciśnieniu wywieranemu na kolumnę rtęci o wysokości 760 mm w temperaturze 0°C (32°F). Co więcej, wynalazek Torricelli ’ ego ostatecznie stał się oprawą zarówno laboratoriów naukowych, jak i gospodarstw domowych. Ponieważ zmiany ciśnienia atmosferycznego mają wpływ na wzorce pogodowe, wiele domowych termometrów wewnętrznych i zewnętrznych zawiera dziś również barometr.

ciśnienie i płyny

pod względem fizycznym zarówno gazy, jak i ciecze nazywane są cieczami—czyli substancjami, które odpowiadają kształtowi ich pojemnika. Ciśnienie powietrza i ciśnienie wody są więc specyficznymi tematami pod większym nagłówkiem ” ciśnienie płynu.”Płyn reaguje na ciśnienie zupełnie inaczej niż ciało stałe. Gęstość ciała stałego sprawia, że jest on odporny na małe naciski, ale jeśli ciśnienie wzrośnie, doświadcza napięcia i ostatecznie deformacji. W przypadku płynu, jednak stres powoduje, że przepływ, a nie do deformacji.

istnieją trzy istotne cechy ciśnienia wywieranego na płyny przez zbiornik. Po pierwsze, płyn w pojemniku nie doświadczającym ruchu zewnętrznego wywiera siłę prostopadłą do ścian pojemnika. Podobnie ściany pojemnika wywierają siłę na płyn, aw obu przypadkach siła jest zawsze prostopadła do ścian.

w każdej z tych trzech cech przyjmuje się, że pojemnik jest skończony: innymi słowy, płyn nie ma dokąd pójść. Stąd drugie stwierdzenie: ciśnienie zewnętrzne wywierane na płyn jest przenoszone równomiernie. Zauważ, że poprzednie stwierdzenie było kwalifikowane terminem „zewnętrzny”: sam płyn wywiera ciśnienie, którego składowa siły jest równa jego masie. Dlatego płyn na dnie ma znacznie większe ciśnienie niż płyn na górze, ze względu na ciężar płynu nad nim.

Po trzecie, nacisk na każdą małą powierzchnię płynu jest taki sam, niezależnie od orientacji tej powierzchni. Innymi słowy, obszar płynu prostopadły do ścian pojemnika doświadcza takiego samego ciśnienia jak jeden równoległy lub pod kątem do ścian. Może się to wydawać sprzeczne z pierwszą zasadą, że siła jest prostopadła do ścian pojemnika. W rzeczywistości siła jest wielkością wektorową, co oznacza, że ma zarówno wielkość, jak i kierunek, podczas gdy ciśnienie jest skalarem, co oznacza, że ma wielkość, ale nie ma określonego kierunku.

zastosowania rzeczywiste

zasada Pascala i prasa hydrauliczna

trzy cechy ciśnienia płynu opisane powyżej mają szereg implikacji i zastosowań, wśród nich, co jest znane jako zasada Pascala. Podobnie jak jednostka ciśnienia SI, zasada Pascala została nazwana na cześć Blaise ’ a Pascala (1623-1662), francuskiego matematyka i fizyka, który sformułował drugie z trzech twierdzeń: że ciśnienie zewnętrzne przyłożone do płynu jest równomiernie przenoszone przez cały organizm tego płynu. Zasada Pascala stała się podstawą jednej z najważniejszych maszyn, jaką kiedykolwiek stworzono-prasy hydraulicznej.

prosta prasa hydrauliczna odmiany używanej do podnoszenia samochodu w warsztacie samochodowym zazwyczaj składa się z dwóch dużych cylindrów obok siebie. Każdy cylinder zawiera tłok, a cylindry są połączone na dole kanałem zawierającym płyn. Zawory sterują przepływem między dwoma cylindrami. Gdy ktoś przyłoży siłę przez naciśnięcie tłoka w jednym cylindrze (cylindrze wejściowym), daje to jednolite ciśnienie, które powoduje wyjście w drugim cylindrze, popychając tłok, który podnosi samochód.

zgodnie z zasadą Pascala ciśnienie w prasie hydraulicznej jest takie samo i zawsze będzie równe stosunkowi siły do ciśnienia. Tak długo, jak ten stosunek jest taki sam, wartości F I A mogą się różnić. W przypadku gniazda samochodowego auto-shop cylinder wejściowy ma stosunkowo małą powierzchnię, a zatem ilość siły, którą należy przyłożyć, jest również stosunkowo niewielka. Cylinder wyjściowy ma stosunkowo dużą powierzchnię, a zatem wywiera stosunkowo dużą siłę do podnoszenia samochodu. To, w połączeniu z różnicą wysokości między dwoma cylindrami (omówione w kontekście przewagi mechanicznej gdzie indziej w tej książce), umożliwia podniesienie ciężkiego samochodu przy stosunkowo niewielkim wysiłku.

siłownik hydrauliczny.

podnośnik samochodowy jest prostym modelem działającej prasy hydraulicznej, ale w rzeczywistości zasada Pascala ma o wiele więcej zastosowań. Wśród nich jest siłownik hydrauliczny, stosowany w maszynach od spychaczy po podnośniki hydrauliczne używane przez strażaków i pracowników użyteczności publicznej, aby osiągnąć wysokość. Jednak w siłownikach hydraulicznych charakterystyka cylindrów wejściowych i wyjściowych jest odwrócona od charakterystyki gniazda samochodowego.

cylinder wejściowy, zwany cylindrem głównym, ma dużą powierzchnię, podczas gdy cylinder wyjściowy (zwany cylindrem podrzędnym) ma małą powierzchnię. Ponadto – choć ponownie jest to czynnik związany z przewagą mechaniczną, a nie z ciśnieniem, per se—cylinder główny jest krótki, podczas gdy cylinder podrzędny jest wysoki. Ze względu na większą powierzchnię cylindra głównego w porównaniu do cylindra podrzędnego, siłownik hydrauliczny nie jest uważany za wydajny pod względem przewagi mechanicznej: innymi słowy, Siła wejściowa jest znacznie większa niż siła wyjściowa.

mimo to, siłownik hydrauliczny jest równie dobrze dopasowany do swojego przeznaczenia jak podnośnik samochodowy. Podczas gdy podnośnik jest przeznaczony do podnoszenia ciężkiego samochodu przez niewielką odległość pionową, hydrauliczny siłownik przenosi znacznie lżejszy ładunek (zwykle tylko jedną osobę) przez znacznie większy zakres pionowy—na przykład na szczyt drzewa lub budynku.

wykorzystanie różnic ciśnienia

pompy.

pompa wykorzystuje zasadę Pascala, ale zamiast trzymać płyn w pojedynczym pojemniku, pompa pozwala na ucieczkę płynu. W szczególności pompa wykorzystuje różnicę ciśnień, powodując przemieszczanie się płynu z obszaru o wyższym ciśnieniu do obszaru o niższym ciśnieniu. Bardzo prostym tego przykładem jest wąż syfonowy, używany do pobierania ropy naftowej ze zbiornika paliwa samochodu. Zasysanie na jednym końcu węża tworzy obszar niskiego ciśnienia w porównaniu do obszaru stosunkowo wysokiego ciśnienia zbiornika gazu. W końcu Benzyna wyjdzie z niskociśnieniowego końca węża. (A przy odrobinie szczęścia osoba syfująca będzie w stanie to przewidzieć, aby nie dostać kęsa benzyny!)

pompa tłokowa, bardziej złożona, ale wciąż dość podstawowa, składa się z pionowego cylindra, wzdłuż którego tłok unosi się i opada. W pobliżu dna cylindra znajdują się dwa zawory, zawór wlotowy, przez który płyn przepływa do cylindra i zawór wylotowy, przez który płyn wypływa z niego. Po skoku ssania, gdy tłok porusza się w górę, zawór wlotowy otwiera się i pozwala płynowi dostać się do cylindra. Przy uderzeniu w dół zawór wlotowy zamyka się, podczas gdy zawór wylotowy otwiera się, a ciśnienie dostarczane przez tłok na płyn wymusza go przez zawór wylotowy.

jednym z najbardziej oczywistych zastosowań pompy tłokowej jest silnik samochodu. W tym przypadku, oczywiście, płyn jest pompowana benzyna, która popycha tłoki poprzez zapewnienie serii kontrolowanych wybuchów utworzonych przez zapłon świecy zapłonowej gazu. W innej odmianie pompy tłokowej-rodzaju używanego do pompowania opony do koszykówki lub roweru-powietrze jest pompowane płynem. Następnie jest pompa do wody, która pompuje wodę pitną z ziemi, może być również używana do usuwania pożądanej wody z obszaru, w którym jest przeszkodą, na przykład na dnie łodzi.

zasada Bernoulliego.

chociaż Pascal dostarczył cennego zrozumienia w odniesieniu do stosowania ciśnienia do wykonywania pracy, myślicielem, który jako pierwszy sformułował ogólne zasady dotyczące zależności między płynami a ciśnieniem, był szwajcarski matematyk i fizyk Daniel Bernoulli (1700-1782). Bernoulli jest uważany za ojca mechaniki płynów, badania zachowania gazów i cieczy w spoczynku i w ruchu.

przeprowadzając eksperymenty z cieczami, Bernoulli zauważył, że gdy średnica rury jest zmniejszona, woda płynie szybciej. To zasugerowało mu, że jakaś siła musi działać na wodzie, siła, którą uważał, musi wynikać z różnic w ciśnieniu. W szczególności, wolniej poruszający się płyn w szerszym obszarze rury miał większe ciśnienie niż część płynu poruszająca się przez węższą część rury. W rezultacie doszedł do wniosku, że ciśnienie i prędkość są odwrotnie powiązane—innymi słowy, gdy jedno wzrasta, drugie maleje.

stąd sformułował zasadę Bernoulliego, która mówi, że dla wszystkich zmian w ruchu suma ciśnienia statycznego i dynamicznego w płynie pozostaje taka sama. Płyn w spoczynku wywiera ciśnienie statyczne, które jest powszechnie rozumiane jako „ciśnienie”, jak w ” Ciśnienie wody.”Gdy jednak płyn zaczyna się poruszać, część ciśnienia statycznego-proporcjonalna do prędkości płynu-jest przekształcana w to, co jest znane jako ciśnienie dynamiczne lub ciśnienie ruchu. W rurze cylindrycznej ciśnienie statyczne wywierane jest prostopadle do powierzchni zbiornika, podczas gdy ciśnienie dynamiczne jest do niego równoległe.

zgodnie z zasadą Bernoulliego, im większa prędkość przepływu w cieczy, tym większe ciśnienie dynamiczne i mniejsze ciśnienie statyczne: innymi słowy, wolniej poruszający się płyn wywiera większe ciśnienie niż szybciej poruszający się płyn. Odkrycie tej zasady umożliwiło ostatecznie rozwój samolotu.

gdy płyn przemieszcza się z szerszej rury do węższej, objętość tego płynu, który przemieszcza się na daną odległość w danym okresie czasu, nie zmienia się. Ale ponieważ szerokość węższej rury jest mniejsza, płyn musi poruszać się szybciej (to znaczy z większym ciśnieniem dynamicznym), aby przesunąć tę samą ilość płynu w tej samej odległości w tym samym czasie. Jednym ze sposobów zobrazowania tego jest obserwacja zachowania rzeki: w szerokim, niekontrolowanym regionie płynie ona powoli, ale jeśli jej przepływ jest zwężony przez ściany kanionu, to gwałtownie przyspiesza.

zasada Bernoulliego stała się ostatecznie podstawą płata, konstrukcji skrzydła samolotu widzianego od końca. Płatowiec ma kształt asymetrycznej łzy ułożonej na boku ,z” grubym ” końcem w kierunku przepływu powietrza. Gdy powietrze uderza w przednią część płata, strumień powietrza dzieli się, część przechodzi nad skrzydłem, a część pod nim. Górna powierzchnia płata jest jednak zakrzywiona, podczas gdy dolna powierzchnia jest znacznie prostsza.

w rezultacie powietrze przepływające nad wierzchołkiem ma większą odległość do pokrycia niż powietrze przepływające pod skrzydłem. Ponieważ płyny mają tendencję do kompensowania wszystkich przedmiotów, z którymi się stykają, powietrze na górze będzie płynąć szybciej, aby spotkać się z powietrzem na dole na tylnym końcu skrzydła. Szybszy przepływ powietrza, jak wykazał Bernoulli, wskazuje na niższe ciśnienie, co oznacza, że ciśnienie Na spodzie skrzydła utrzymuje samolot w górze.

wyporność i ciśnienie

sto dwadzieścia lat przed pierwszym udanym lotem samolotu przez braci Wright w 1903 roku inna para braci—Mont-golfiers z Francji—opracowała inny sposób lotu. Był to balon, który opierał się na zupełnie innej zasadzie, aby wydostać się z ziemi: wyporności lub skłonności obiektu zanurzonego w płynie do pływania. Podobnie jak w przypadku Zasady Bernoulliego, jednak pojęcie wyporu jest związane z ciśnieniem.

w III wieku p. n. e.grecki matematyk, fizyk i wynalazca Archimedes (ok. 287-212 p. n. e.)) odkrył to, co stało się znane jako zasada Archimedesa, która głosi, że siła pływająca obiektu zanurzonego w płynie jest równa masie płynu przemieszczonego przez obiekt. To jest powód, dla którego statki pływają: ponieważ Wyporność lub siła podnoszenia ich jest mniejsza niż równa masie wypieranej wody.

kadłub statku ma na celu wypieranie lub przemieszczanie ilości wody, której masa jest większa niż masy samego statku. Masa przemieszczonej wody-to znaczy jej masa pomnożona przez przyspieszenie w dół spowodowane przez grawitację – jest równa sile wyporności, jaką ocean wywiera na statek. Jeśli statek waży mniej niż woda, którą wypiera, będzie unosił się; ale jeśli waży więcej, zatonie.

czynniki związane z zasadą Archimedesa zależą od gęstości, grawitacji i głębokości, a nie od ciśnienia. Jednak im większa głębokość w płynie, tym większe ciśnienie, które popycha na obiekt zanurzony w płynie. Co więcej, całkowite ciśnienie na danej głębokości w cieczy jest częściowo związane zarówno z gęstością, jak i grawitacją, składowymi siły wyporu.

ciśnienie i głębokość.

ciśnienie wywierane przez ciecz na dno pojemnika jest równe dgh, gdzie d to gęstość, g przyspieszenie spowodowane grawitacją, a h głębokość pojemnika. Dla dowolnej części płynu, h jest równe jego głębokości wewnątrz pojemnika, co oznacza, że im głębszy jest, tym większe ciśnienie. Ponadto całkowite ciśnienie wewnątrz płynu jest równe DGH + P zewnętrzne, gdzie p zewnętrzne jest ciśnieniem wywieranym na powierzchnię płynu. W zespole tłokowo-cylindrycznym ciśnienie to pochodzi z tłoka, ale w wodzie ciśnienie pochodzi z atmosfery.

w tym kontekście ocean może być postrzegany jako rodzaj „kontenera.”Na swojej powierzchni powietrze wywiera ciśnienie spadkowe równe 1 atm. Gęstość samej wody jest jednolita, podobnie jak przyspieszenie w dół spowodowane grawitacją; jedyną zmienną jest h, czyli odległość pod powierzchnią. W najgłębszych zakątkach Oceanu ciśnienie jest niewiarygodnie wielkie-znacznie większe niż jakikolwiek człowiek mógłby znieść. Ta ogromna ilość ciśnienia popycha w górę, opierając się naciskowi w dół obiektów na jej powierzchni. W tym samym czasie, jeśli ciężar Łodzi jest właściwie rozłożony wzdłuż kadłuba, statek maksymalizuje powierzchnię i minimalizuje siłę, wywierając w ten sposób ciśnienie w dół na powierzchni wody, które jest mniejsze niż ciśnienie w górę samej wody. Stąd pływa.

ciśnienie i Ludzkie ciało

ciśnienie powietrza.

Montgolfierowie używali Zasady wyporu nie po to, aby unosić się na wodzie, ale aby unosić się na niebie z łodzią lżejszą od powietrza. Szczegóły tego osiągnięcia są omawiane gdzie indziej, w kontekście pływalności; ale temat lotu lżejszego od powietrza sugeruje inną koncepcję, do której wielokrotnie nawiązywano w tym eseju: ciśnienie powietrza.

tak jak ciśnienie wody jest największe na dnie oceanu, tak ciśnienie powietrza jest największe na powierzchni Ziemi—która w rzeczywistości znajduje się na dnie „oceanu” powietrza. Zarówno ciśnienie powietrza, jak i wody są przykładami ciśnienia hydrostatycznego-ciśnienia, które istnieje w dowolnym miejscu w ciele płynu ze względu na ciężar płynu powyżej. W przypadku ciśnienia powietrza powietrze jest ściągane w dół przez siłę grawitacji Ziemi, a powietrze wzdłuż powierzchni ma większe ciśnienie ze względu na ciężar (funkcję grawitacji) powietrza nad nim. Jednak na dużych wysokościach nad powierzchnią ziemi siła grawitacji jest zmniejszona, a tym samym ciśnienie powietrza jest znacznie mniejsze.

w zwykłym doświadczeniu ciało człowieka jest poddawane imponującej presji. Biorąc pod uwagę omawianą wcześniej wartość ciśnienia atmosferycznego, jeśli wyciągnie się rękę—zakładając, że powierzchnia wynosi około 20 in2 (0,129 m2)—Siła spoczywającego na niej powietrza wynosi prawie 300 funtów (136 kg)! Jak to jest, że ktoś nie jest zmiażdżony przez ten cały ciężar? Powodem jest to, że samo ciało ludzkie jest pod ciśnieniem, a wnętrze ciała wywiera ciśnienie równe ciśnieniu powietrza.

reakcja na zmiany ciśnienia powietrza.

Ludzkie ciało jest w rzeczywistości przystosowane do normalnego ciśnienia powietrza 1 atm, a jeśli to ciśnienie zewnętrzne zostanie zmienione, ciało ulega zmianom, które mogą być szkodliwe lub nawet śmiertelne. Drobnym przykładem tego jest „popping” w uszach, które występuje, gdy jeden jedzie przez góry lub jedzie w samolocie. Wraz ze zmianami wysokości nadchodzą zmiany ciśnienia, a tym samym ciśnienie w uszach również się zmienia.

jak wspomniano wcześniej, na większych wysokościach ciśnienie powietrza jest zmniejszone, co utrudnia oddychanie. Ponieważ powietrze jest gazem, jego cząsteczki mają tendencję do nieatrakcyjności: innymi słowy, gdy ciśnienie jest niskie, mają tendencję do oddalania się od siebie, co powoduje, że osoba na dużej wysokości ma trudności z dostaniem wystarczającej ilości powietrza do płuc. Biegacze biorący udział w Igrzyskach Olimpijskich w 1968 roku w Mexico City, mieście w górach, musieli trenować w środowiskach wysokogórskich, aby mogli oddychać podczas zawodów. W przypadku drużyn baseballowych rywalizujących w Denver, Colorado (znanym jako” Mile-High City”), ta wada w oddychaniu jest kompensowana przez fakt, że obniżone ciśnienie i opór pozwala baseballowi łatwiej poruszać się w powietrzu.

jeśli osoba jest wychowywana w tak dużym środowisku, oczywiście przyzwyczaja się do oddychania w warunkach niskiego ciśnienia powietrza. Na przykład w peruwiańskich Andach ludzie spędzają całe życie na wysokości ponad dwa razy większej niż w Denver, ale osoba z obszarów o niskiej wysokości powinna odwiedzić takie miejsce dopiero po podjęciu środków ostrożności. Oczywiście na bardzo dużych wysokościach żaden człowiek nie może oddychać: dlatego kabiny samolotu są pod ciśnieniem. Większość samolotów jest wyposażona w maski tlenowe, które spadają z sufitu, jeśli we wnętrzu kabiny wystąpi spadek ciśnienia. Bez tych masek wszyscy w kabinie zginęliby.

ciśnienie krwi.

innym aspektem ciśnienia i ludzkiego ciała jest ciśnienie krwi. Tak jak wizja 20/20 jest idealna, lekarze zalecają docelowe ciśnienie krwi „120 na 80” – ale co to oznacza? Gdy mierzy się ciśnienie krwi, nadmuchiwany mankiet jest owinięty wokół ramienia na tym samym poziomie co serce. Jednocześnie stetoskop umieszcza się wzdłuż tętnicy w dolnym ramieniu, aby monitorować dźwięk przepływu krwi. Mankiet jest napompowany, aby zatrzymać przepływ krwi, a następnie ciśnienie jest uwalniane, dopóki krew nie zacznie ponownie płynąć, wytwarzając bulgoczący dźwięk w stetoskopie.

ciśnienie wymagane do zatrzymania przepływu krwi jest znane jako ciśnienie skurczowe, które jest równe maksymalnemu ciśnieniu wytwarzanemu przez serce. Po zmniejszeniu ciśnienia na mankiecie, aż krew zacznie normalnie płynąć-co znajduje odzwierciedlenie w ustaniu bulgoczącego dźwięku w stetoskopie-ciśnienie tętnicy jest mierzone ponownie. Jest to ciśnienie rozkurczowe lub ciśnienie, które istnieje w tętnicy między udarami serca. Dla zdrowej osoby ciśnienie skurczowe powinno wynosić 120 torr, a ciśnienie rozkurczowe 80 torr.

gdzie można dowiedzieć się więcej

„ciśnienie atmosferyczne: siła wywierana przez ciężar powietrza” (strona internetowa). <http://kids.earth.nasa.gov/archive/air_pressure/> (7 kwietnia 2001).

Beiser Artur. Fizyka, wyd.5 Reading, MA: Addison-Wesley, 1991.

„ciśnienie krwi” (strona internetowa). <http://www.mckinley.uiuc.edu/health-info/dis-cond/bloodpr/bloodpr.html> (7 kwietnia 2001).

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

Cobb, Allan B. Super projekty naukowe o oceanach. Nowy Jork: Rosen, 2000.

„Fizyka nurkowania podwodnego: Lekcja ciśnienia” (strona internetowa). <http://www.uncwil.edu/nurc/aquarius/lessons/pressure.html> (7 kwietnia 2001).

Provenzo, Eugene F. and Asterie Baker Provenzo. 47 łatwych do wykonania klasycznych eksperymentów. Illustrations by Peter A. Zorn, Jr. New York: Dover Publications, 1989.

„Understanding Air Pressure” USA Today (strona internetowa). <http://www.usatoday.com/weather/wbarocx.html> (7 kwietnia 2001).

Żubrowski Balony: Budowanie i eksperymentowanie z dmuchanymi zabawkami. Ilustrowany przez Roya Doty. New York: Morrow Junior Books, 1990.

kluczowe terminy

atmosfera:

miara ciśnienia, w skrócie „atm” i równa średniemu ciśnieniu wywieranemu przez powietrze na poziomie morza. W jednostkach angielskich jest to równe 14,7 funta na cal kwadratowy, a w jednostkach SI 101,300 Pascal.

barometr:

przyrząd do pomiaru ciśnienia atmosferycznego.

Wyporność:

tendencja pływającego obiektu w płynie.

płyn:

każda substancja, zarówno gazowa, jak i ciekła, która odpowiada kształtowi jej ciała.

Mechanika płynów:

badanie zachowania się gazów i cieczy w spoczynku i w ruchu.

ciśnienie hydrostatyczne:

ciśnienie, które istnieje w dowolnym miejscu w ciele płynu ze względu na ciężar płynu powyżej.

PASCAL:

zasada SI lub metryczna jednostka ciśnienia, w skrócie „Pa” i równa 1 N / m2.

zasada Pascala:

twierdzenie, sformułowane przez francuskiego matematyka i fizyka Blaise ’ a Pascala (1623-1662), które głosi, że zewnętrzne ciśnienie wywierane na płyn jest równomiernie przenoszone przez cały jego organizm.

ciśnienie:

stosunek siły do powierzchni, gdy siła jest przyłożona w kierunku prostopadłym do tej powierzchni. Wzór na ciśnienie (p ) to p = F /a, gdzie F to siła, a a Pole powierzchni.