Давление как физическая величина¶

Давление — физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого. Численно давление равно отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. В Международной системе единиц (СИ) давление измеряется в паскалях (Па): один паскаль равен давлению, создаваемому силой в один ньютон, равномерно распределённой по поверхности площадью один квадратный метр.

¶Определение и формула

Для равномерно распределённой силы давление определяется формулой:

p = F / S,

где p — давление, F — сила, действующая перпендикулярно поверхности, S — площадь поверхности. Если сила распределена неравномерно, используют понятие давления в данной точке как предела отношения силы к площади при стремлении площади к нулю.

Давление — скалярная величина. Оно не имеет направления, хотя создающая его сила направлена по нормали к поверхности. Единица измерения названа в честь французского учёного Блеза Паскаля.

¶Единицы измерения

Помимо паскаля, в науке и технике применяются другие единицы:

В метеорологии традиционно используют миллибары и гектопаскали, в медицине — миллиметры ртутного столба, в технике — бары и мегапаскали.

¶Виды давления

Различают несколько видов давления в зависимости от природы и условий.

Атмосферное давление — давление, оказываемое атмосферой Земли на все находящиеся в ней тела. На уровне моря оно составляет около 101 325 Па. Атмосферное давление убывает с высотой: примерно на 1 мм рт. ст. на каждые 10–12 метров подъёма в нижних слоях тропосферы.

Гидростатическое давление — давление столба жидкости, обусловленное её весом. Определяется формулой p = ρgh, где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, h — глубина. Это давление зависит только от глубины и не зависит от формы сосуда (закон Паскаля).

Гидродинамическое давление — давление, возникающее в движущейся жидкости или газе.

Осмотическое давление — давление, возникающее при разделении растворов разной концентрации полупроницаемой мембраной.

Звуковое давление — переменное давление, возникающее при прохождении звуковой волны в среде.

¶Давление в газах и жидкостях

В газах давление создаётся ударами молекул о стенки сосуда. Согласно молекулярно-кинетической теории, давление идеального газа пропорционально концентрации молекул и их средней кинетической энергии:

p = (2/3) · n · E,

где n — концентрация молекул, E — средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы.

Для идеального газа справедливо уравнение состояния Менделеева — Клапейрона:

pV = (m/M) · RT,

где V — объём, m — масса газа, M — молярная масса, R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура.

Закон Паскаля утверждает, что давление, производимое на жидкость или газ, передаётся в любую точку без изменений во всех направлениях. Этот принцип лежит в основе работы гидравлических прессов, домкратов и тормозных систем.

¶Давление в твёрдых телах

В твёрдых телах давление связано с механическими напряжениями. При контакте двух тел давление распределяется по площади соприкосновения. Чем меньше площадь контакта при той же силе, тем больше давление. Этот принцип используется при заточке режущих инструментов, при движении гусеничной техники по мягким грунтам (увеличение площади снижает давление) и в конструкции шипов для обуви.

¶Применение и значение

Понимание давления имеет ключевое значение в технике, медицине, метеорологии и многих других областях.

В технике расчёт давления необходим при проектировании сосудов под давлением, трубопроводов, насосов, компрессоров, двигателей. Превышение допустимого давления ведёт к разрушению конструкций.

В медицине измеряют артериальное давление человека — важнейший показатель работы сердечно-сосудистой системы. Нормальным считается систолическое давление около 120 мм рт. ст. и диастолическое около 80 мм рт. ст.

В метеорологии атмосферное давление служит одним из главных параметров при прогнозировании погоды. Области высокого и низкого давления определяют направление ветров.

В геологии и геофизике изучают пластовое давление в недрах Земли, что важно при добыче нефти и газа.

¶Измерение давления

Для измерения давления применяются различные приборы:

• Барометр — для измерения атмосферного давления (ртутный, анероид, электронный).
• Манометр — для измерения избыточного давления в замкнутых системах.
• Вакуумметр — для измерения давления ниже атмосферного.
• Дифференциальный манометр — для измерения разности давлений.
• Тонометр — для измерения артериального давления.

Различают абсолютное давление (отсчитываемое от нуля), избыточное (разность между абсолютным и атмосферным) и давление разрежения (вакуум).

¶Давление в природе

Атмосферное давление определяет многие природные явления: ветры возникают из-за перепадов давления, циклоны и антициклоны формируют погоду. Гидростатическое давление в океане на больших глубинах достигает сотен атмосфер, что требует специальных конструкций для глубоководных аппаратов. Внутри Земли давление возрастает до миллионов атмосфер, влияя на свойства вещества в мантии и ядре.

¶Источники

• Физическая энциклопедия
• Сивухин Д. В. «Общий курс физики»
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Гидродинамика»
• Учебные материалы по молекулярной физике и термодинамике
• Метеорологические справочники