Hydrostatyka · Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczne
7.2 Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczne
1. Ciśnienie hydrostatyczne i zależność ciśnienia od głębokości
### Ciśnienie i siła parcia
Ciecz spoczywająca działa na stykającą się z nią powierzchnię **siłą parcia**, skierowaną prostopadle do tej powierzchni. Jeżeli ciśnienie na całej rozpatrywanej powierzchni jest jednakowe, to:
Jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskal:
Często używamy również , , i barów:
- ,
- ,
- ,
- .
Jeżeli ciśnienie zmienia się na powierzchni, jak na pionowej ścianie zbiornika, nie wolno po prostu pomnożyć ciśnienia maksymalnego przez całe pole. W takim przypadku korzystamy z ciśnienia średniego.
### Skąd bierze się wzór ?
Rozważmy pionowy słup jednorodnej cieczy o gęstości , wysokości i polu podstawy .
Objętość i masa słupa wynoszą:
Ciężar słupa cieczy:
Przyrost ciśnienia między powierzchnią cieczy a punktem położonym na głębokości wynosi więc:
Wielkość nazywamy **ciśnieniem hydrostatycznym**. Jest to przyrost ciśnienia wywołany ciężarem cieczy.
### Ogólna zależność w jednorodnej cieczy
Jeżeli na powierzchni cieczy panuje ciśnienie , to na głębokości :
W zbiorniku otwartym , gdzie jest ciśnieniem atmosferycznym, dlatego:
Dla stałych i ciśnienie hydrostatyczne rośnie liniowo z pionową głębokością. Wykres jest prostą przechodzącą przez początek układu, a jego nachylenie wynosi . Wykres ciśnienia bezwzględnego ma takie samo nachylenie, ale dla zaczyna się od .
### Co oznacza głębokość ?
We wzorze wielkość jest zawsze **pionową różnicą poziomów**. Nie jest to długość mierzona wzdłuż pochyłej ścianki naczynia.
Wzór stosujemy w przybliżeniu stałej gęstości cieczy i stałego przyspieszenia grawitacyjnego. Ciśnienie hydrostatyczne nie zależy od kształtu naczynia ani od całkowitej objętości cieczy.
2. Ciśnienie atmosferyczne, bezwzględne i różnica ciśnień
### Ciśnienie atmosferyczne
Atmosfera wywiera ciśnienie na powierzchnię Ziemi i na wszystkie znajdujące się w niej ciała. Przy poziomie morza typowa wartość wynosi około:
W zbiorniku otwartym ciśnienie bezwzględne w cieczy na głębokości wynosi:
W takim otwartym zbiorniku ciśnienie hydrostatyczne jest jednocześnie nadciśnieniem względem atmosfery:
Dlatego w zadaniu trzeba najpierw ustalić, czy pytanie dotyczy ciśnienia **bezwzględnego**, czy tylko przyrostu względem atmosfery.
### Wypadkowa siła na przegrodę
Jeżeli na dwie strony płaskiej przegrody o polu działają ciśnienia i , które są jednakowe w każdym punkcie danej strony, to wartość wypadkowej siły jest równa:
Przykładowo dla **poziomego** włazu na głębokości , jeżeli na zewnątrz panuje , a wewnątrz kabiny , to:
Ciśnienie atmosferyczne redukuje się tylko dlatego, że działa po obu stronach przegrody.
### Krótko o pomiarze ciśnienia atmosferycznego
W barometrze rtęciowym słup rtęci jest utrzymywany przez ciśnienie atmosferyczne. W przybliżeniu:
Dla normalnego ciśnienia atmosferycznego wysokość słupa rtęci wynosi około . Najważniejsza jest tu ta sama zasada hydrostatyczna: na tym samym poziomie w tej samej spoczywającej i połączonej cieczy ciśnienia są równe.
2. Ciśnienie atmosferyczne, bezwzględne i różnica ciśnień
### Dlaczego woda może przestać wypływać z otworu?
Jeżeli butelka jest szczelnie zamknięta, a nad wodą znajduje się uwięzione powietrze, wypływanie wody zwiększa objętość tego powietrza i obniża jego ciśnienie. Po pewnym czasie może ustalić się równowaga.
Na poziomie otworu ciśnienie od strony wnętrza butelki wynosi:
Od zewnątrz działa ciśnienie atmosferyczne . W chwili ustania wypływu:
Stąd:
To ważny przykład pokazujący, że w hydrostatyce nie zawsze można automatycznie przyjąć . Najpierw trzeba ustalić, jakie ciśnienie panuje nad powierzchnią cieczy.
3. Siła parcia na dno i pionowe ściany
### Poziome dno
Na poziomym dnie wszystkie punkty znajdują się na tej samej głębokości , więc ciśnienie hydrostatyczne jest jednakowe na całym dnie:
Siła parcia hydrostatycznego cieczy na dno o polu wynosi:
Jeżeli interesuje nas siła wynikająca z ciśnienia bezwzględnego po jednej stronie powierzchni, wtedy używamy . Jeżeli po drugiej stronie działa to samo ciśnienie atmosferyczne, wkład redukuje się przy obliczaniu siły wypadkowej.
### Pionowa prostokątna ściana od powierzchni do głębokości
Ciśnienie hydrostatyczne rośnie liniowo od przy powierzchni do przy dnie. Dlatego średnie ciśnienie hydrostatyczne wynosi:
Jeżeli ściana ma szerokość , jej zanurzone pole wynosi:
Zatem siła parcia hydrostatycznego:
Jeżeli potrzebujemy średniego **ciśnienia bezwzględnego** po stronie cieczy w zbiorniku otwartym, to:
Nie należy mylić tych dwóch wielkości.
### Wrota śluzy — woda po obu stronach
Jeżeli pionowe wrota o szerokości oddzielają wodę o głębokościach i , gdzie , to:
Wypadkowa siła ma wartość:
3. Siła parcia na dno i pionowe ściany
### Paradoks hydrostatyczny
Niech kilka naczyń ma takie samo pole dna , jest napełnionych tą samą cieczą do tej samej wysokości , ale ma różne kształty. W każdym z nich:
oraz:
Siła parcia na dno jest więc taka sama, mimo że ilość i ciężar cieczy mogą być różne.
Wyjaśnienie wynika z działania ścianek naczynia na ciecz. W zależności od ich nachylenia siła reakcji ścianek może mieć składową pionową skierowaną w górę albo w dół. Dlatego parcie na dno nie musi być równe ciężarowi całej cieczy.
### Dlaczego mała ilość wody może wywołać duże parcie?
Jeżeli do pełnego zbiornika dołączymy bardzo wąską, pionową rurkę i podniesiemy w niej poziom wody o dużą wysokość , ciśnienie na poziomie połączenia wzrośnie o:
Nie decyduje o tym masa wody znajdującej się w cienkiej rurce, lecz wysokość słupa. Duże ciśnienie działające na dużą powierzchnię ścian zbiornika może dawać bardzo dużą siłę parcia.
Nie oznacza to jednak, że ciśnienie ma tę samą wartość w każdym punkcie zbiornika. W cieczy spoczywającej nadal rośnie ono wraz z głębokością.
4. Ciecze warstwowe, naczynia połączone i manometr U-rurkowy
### Kilka warstw cieczy
Jeżeli nad punktem znajduje się kilka warstw niemieszających się cieczy, przyrosty ciśnienia sumują się. Dla dwóch warstw:
Ogólnie przechodząc w dół przez warstwę cieczy o gęstości i wysokości , dodajemy . Przechodząc w górę — odejmujemy tę wartość.
### Naczynia połączone z tą samą cieczą
Jeżeli oba ramiona są otwarte do tej samej atmosfery i zawierają tę samą ciecz, poziomy swobodnych powierzchni ustalają się na tej samej wysokości.
Najważniejsza zasada brzmi: **w tej samej spoczywającej i połączonej cieczy punkty leżące na tym samym poziomie mają takie samo ciśnienie**.
### Dwie ciecze o różnych gęstościach
Jeżeli w U-rurce znajdują się dwie niemieszające się ciecze, wybieramy poziom odniesienia przecinający tę samą ciągłą ciecz w obu ramionach. Dla ramion otwartych do atmosfery:
Po skróceniu :
Ciecz o mniejszej gęstości tworzy wyższy słup.
### Przesunięcie poziomów w symetrycznej U-rurce
Jeżeli oba ramiona mają jednakowy przekrój, obniżenie poziomu w jednym ramieniu o powoduje podniesienie poziomu w drugim o tę samą wartość. Różnica poziomów wynosi wtedy:
### Otwarty manometr cieczowy
Manometr mierzy **różnicę ciśnień**. Dla cieczy manometrycznej o gęstości :
Jeżeli poziom cieczy po stronie gazu jest niżej, to i:
Jeżeli poziom po stronie gazu jest wyżej, to i:
Najbezpieczniej nie zapamiętywać znaku na pamięć: większe ciśnienie spycha ciecz w swoim ramieniu niżej.
### Wieża ciśnień
Jeżeli zwierciadło wody w wieży znajduje się o pionową różnicę wysokości ponad kranem, to nadciśnienie hydrostatyczne w kranie wynosi:
Ciśnienie bezwzględne wynosi natomiast:
5. Strategia rozwiązywania zadań i pułapki
### Krok 1: Ustal, jakie ciśnienie jest potrzebne
Rozróżnij:
- ciśnienie hydrostatyczne: ,
- ciśnienie bezwzględne w otwartym zbiorniku: ,
- różnicę ciśnień lub nadciśnienie: .
### Krok 2: Wybierz właściwą pionową różnicę poziomów
We wzorze używamy pionowej głębokości. W naczyniach połączonych zaznacz poziom, na którym porównujesz ciśnienia.
### Krok 3: Sprawdź, czy ciśnienie jest stałe na powierzchni
Dla poziomego dna można bezpośrednio użyć . Dla pionowej prostokątnej ściany od powierzchni do głębokości korzystamy z ciśnienia średniego:
### Krok 4: Dla kilku cieczy zapisuj bilans warstwa po warstwie
Schodząc w dół dodawaj , a idąc w górę odejmuj tę wartość. Na tym samym poziomie w tej samej połączonej cieczy ciśnienia są równe.
### Krok 5: Dopiero potem podstaw wartości
Najpierw zapisz wzór symboliczny i ewentualnie go przekształć. Następnie zamień dane na jednostki SI i wykonaj obliczenia.
Przydatne przeliczenia:
- ,
- ,
- ,
- ,
- .
5. Strategia rozwiązywania zadań i pułapki
### Nie myl z ciśnieniem bezwzględnym
W otwartym zbiorniku:
### Nie używaj ciśnienia maksymalnego dla całej pionowej ściany
Dla ściany od powierzchni do głębokości :
a nie .
### Ciśnienie atmosferyczne nie zawsze trzeba dodawać
Przy obliczaniu siły wypadkowej sprawdź ciśnienie po obu stronach powierzchni. Jeżeli po obu stronach występuje ten sam składnik , redukuje się on w różnicy ciśnień.
### W U-rurce porównuj właściwe punkty
Równość ciśnień dotyczy punktów na tym samym poziomie w tej samej ciągłej cieczy. Nie można dowolnie przyrównywać ciśnień na różnych wysokościach.
### Uważaj na podwójne przesunięcie poziomów
W U-rurce o jednakowych przekrojach, jeżeli jeden poziom przesuwa się o w dół, drugi przesuwa się o w górę, więc różnica zmienia się o .
### W manometrze najpierw ustal, po której stronie poziom jest niżej
Większe ciśnienie spycha ciecz niżej. To pozwala poprawnie wybrać znak przy .
### W zamkniętym naczyniu ciśnienie nad cieczą nie musi być równe
Dla szczelnie zamkniętej butelki z otworem może zachodzić:
Dlatego zawsze ustal warunki na powierzchni cieczy, zanim użyjesz wzoru na ciśnienie na danej głębokości.