Hydrostatyka · Ciśnienie
7.1 Ciśnienie i prawo Pascala
1. Ciśnienie — definicja, jednostki i nacisk na podłoże
### Czym jest ciśnienie?
Ciśnienie opisuje, jak duża wartość siły działającej prostopadle do powierzchni przypada na jednostkę pola tej powierzchni:
gdzie oznacza ciśnienie, — wartość składowej siły prostopadłej do powierzchni, a — pole powierzchni. Ciśnienie jest wielkością skalarną.
Dla ciała stałego spoczywającego na podłożu mówimy o **sile nacisku** na podłoże. Dla cieczy lub gazu działających na ściankę naczynia używamy określenia **siła parcia**. Siła wywołana ciśnieniem jest skierowana prostopadle do powierzchni.
Jeżeli ciało spoczywa na poziomym podłożu, pozostaje w równowadze i nie działają na nie inne siły mające składową pionową, wtedy wartość siły nacisku wynosi:
### Jednostka ciśnienia
Podstawową jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskal:
Przydatne przeliczenia:
- ,
- ,
- ,
- ,
- ,
- .
### Wpływ pola powierzchni na ciśnienie
Przy tej samej sile nacisku:
- mniejsze pole oznacza większe ciśnienie,
- większe pole oznacza mniejsze ciśnienie.
Dlatego narty lub rakiety śnieżne zmniejszają zapadanie się w śniegu: zwiększają pole styku, a przez to zmniejszają ciśnienie.
### Szczególny przypadek jednorodnej bryły
Dla jednorodnej bryły o pionowych ścianach, polu podstawy , wysokości i gęstości , która spoczywa na poziomej podstawie bez dodatkowego obciążenia:
oraz
Stąd:
Jest to wynik dla tej szczególnej geometrii i tych warunków — nie jest ogólnym wzorem na ciśnienie wywierane przez dowolną bryłę.
Dla jednorodnego sześcianu o krawędzi :
2. Prawo Pascala i urządzenia hydrauliczne
### Prawo Pascala
W zamkniętym płynie będącym w równowadze **zmiana ciśnienia wywołana działaniem zewnętrznym jest przekazywana jednakowo do wszystkich punktów płynu oraz na ścianki naczynia**.
Prawo Pascala dotyczy przekazywania zmiany ciśnienia. Nie oznacza ono, że ciśnienie bezwzględne musi być jednakowe w punktach leżących na różnych wysokościach.
W doświadczeniu z naczyniem mającym otwory skierowane w różne strony zwiększenie ciśnienia tłokiem powoduje wypływ cieczy przez otwory. Pokazuje to, że zmiana ciśnienia przenosi się w całej cieczy, a siła parcia cieczy na powierzchnię jest do niej prostopadła.
### Prasa i podnośnik hydrauliczny
Rozważmy idealny układ hydrauliczny z nieściśliwą cieczą. Pomijamy tarcie, straty oraz wpływ niewielkiej różnicy wysokości tłoków.
Jeżeli na mały tłok o polu działa siła , wytwarza ona przyrost ciśnienia:
Ten sam przyrost ciśnienia działa na duży tłok o polu :
Zatem:
i
To **ciśnienie**, a nie siła, jest przekazywane przez ciecz. Większa siła na dużym tłoku wynika z jego większego pola.
Dla tłoków kołowych:
Dlatego dwukrotnie większa średnica tłoka daje czterokrotnie większe pole, a w modelu idealnym — czterokrotnie większą siłę.
### Zysk na sile oznacza stratę na drodze
Nieściśliwość cieczy oznacza zachowanie objętości:
Stąd:
Jeżeli na sile zyskujemy razy, mały tłok musi przebyć drogę razy większą niż duży tłok.
W idealnym urządzeniu bez strat:
Urządzenie hydrauliczne nie wytwarza energii — zwiększenie siły odbywa się kosztem drogi.
### Połączenie dźwigni z układem hydraulicznym
Jeżeli mały tłok jest naciskany za pomocą dźwigni, najpierw stosujemy warunek równowagi momentów:
Stąd:
a następnie:
Ramiona i muszą być mierzone względem osi obrotu odpowiednio dla sił, które im przypisujemy.
### Liczba cykli pompowania
Jeżeli jednorazowy roboczy skok małego tłoka wynosi , wyparta objętość cieczy to:
Duży tłok unosi się wtedy o:
Aby unieść go na wysokość , potrzeba:
Jeżeli zadanie pyta o liczbę **pełnych** cykli i z obliczeń wychodzi liczba niecałkowita, wynik należy zaokrąglić w górę.
3. Pułapki i najczęstsze błędy maturalne
### 1. Błędne przeliczanie jednostek pola
Nie wolno przeliczać na tak samo jak centymetrów na metry:
Podobnie:
### 2. Mylenie siły z ciśnieniem
Siła ma jednostkę niuton (), a ciśnienie — paskal (). Wzór
pokazuje, że ta sama siła może wywoływać różne ciśnienia zależnie od pola powierzchni.
### 3. Prawo Pascala nie przekazuje „tej samej siły”
W cieczy przekazywana jest zmiana ciśnienia:
Jeżeli , to .
### 4. Średnica tłoka wchodzi do wzoru w kwadracie
Dla tłoka kołowego:
więc:
Trzykrotny wzrost średnicy oznacza dziewięciokrotny wzrost pola, a nie trzykrotny.
### 5. Nie zawsze
Równość
można zastosować dla ciała spoczywającego na poziomym podłożu, gdy nie występują inne siły ze składową pionową. W innych sytuacjach siłę nacisku trzeba wyznaczyć z warunku dynamiki lub równowagi.
### 6. Zysk na sile nie oznacza zysku energii
W idealnym układzie hydraulicznym:
Jeżeli duży tłok działa siłą wielokrotnie większą, przesuwa się odpowiednio na krótszej drodze. W rzeczywistym urządzeniu praca wejściowa jest większa od użytecznej pracy wyjściowej z powodu strat.