fizikzauglom

เกรด 7 · ความดัน

ความดันจากวัตถุแข็งและกฎของปาสคาล

พื้นที่สัมผัส ความดันแก๊ส และการส่งผ่านความดันในของเหลว

22 นาที7 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

ทำไมคนใส่รองเท้าจึงจมลงในหิมะมากกว่าตอนใส่สกี ทั้งที่มวลแทบเท่าเดิม? ผลจึงไม่ได้ขึ้นกับแรงทั้งหมดที่กระทำต่อหิมะเท่านั้น แต่ยังขึ้นกับพื้นที่ที่แรงกระจายไปด้วย

คนเดียวกันฐานแคบฐานกว้างFจมลงFไม่จมแรงเท่ากัน พื้นที่ต่างกัน
คนเดียวกันกดหิมะจมลงเมื่อใช้ฐานแคบ แต่คงอยู่ใกล้ผิวเมื่อใช้ฐานกว้าง น้ำหนักปรากฏไม่เปลี่ยน สิ่งที่เปลี่ยนคือพื้นที่ที่แรงกระจายไป

แรงกระจายบนพื้นที่

ลองแบ่งหิมะใต้เท้าเป็นบริเวณเล็ก ๆ ที่เท่ากันจำนวนมาก สกีกว้างกระจายแรงไปยังบริเวณเหล่านี้มากกว่า แต่ละบริเวณจึงรับแรงเฉลี่ยน้อยลง แรงกด F ที่ใช้ต้องตั้งฉากกับผิว และพื้นที่สัมผัส S วัดเป็น m² การกระจายแรงตั้งฉากนี้กำหนดความดันเฉลี่ย ส่วนแรงที่ดึงสกีไปตามผิวเป็นการกระทำอีกแบบ จึงนำมาแทน F ในการคำนวณนี้ไม่ได้

แท่งเดียว วางสองด้านFFS มากกว่าS น้อยกว่าp น้อยกว่าp มากกว่า
วางแท่งวัตถุเดิมบนด้านกว้างแล้วเปลี่ยนเป็นด้านแคบ เมื่อแรงกดเท่ากัน พื้นที่สัมผัสน้อยกว่าจะทำให้ความดันมากกว่า

ตัววัดการกระทำต่อผิว

เพื่อเปรียบเทียบสิ่งรองรับต่างขนาด ให้หาแรงตั้งฉากต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่: p = F/S นี่คือความดันเฉลี่ย ถ้าแรงกระจายสม่ำเสมอ ความดันจะเท่ากันทั่วบริเวณ หน่วยคือปาสคาล: 1 Па = 1 Н/м² เพิ่มแรงเป็นสองเท่าที่พื้นที่เดิม ความดันเป็นสองเท่า เพิ่มพื้นที่เป็นสองเท่าที่แรงเดิม ความดันเหลือครึ่งหนึ่ง ใบมีดแคบจึงตัดได้ง่ายกว่า ส่วนฐานกว้างกดยุบน้อยกว่า แต่สูตรไม่ได้บอกว่าวัสดุจะเปลี่ยนรูปอย่างไรโดยละเอียด

หารแรงด้วยพื้นที่F = 20 НS = 0,5 м²p =20 Н0,5 м²p = 40 Па1 Па คือ 1 Н บนพื้นที่ 1 м²
ในตัวอย่าง แรงตั้งฉาก 20 นิวตันกระจายสม่ำเสมอบนพื้นที่แนวราบ 0.5 m² ลูกศรหนึ่งอันแสดงแรงรวม ส่วนหน้าด้านบนที่ระบายสีแสดงพื้นที่ เมื่อหารจะได้ความดัน 40 ปาสคาล

อย่าสับสนพื้นที่กับความยาว

การเปลี่ยนหน่วยพื้นที่อาจทำให้คำนวณผิดถึงร้อยเท่าได้ง่าย สี่เหลี่ยมจัตุรัสด้านยาว 1 เซนติเมตรมีด้านยาว 0.01 เมตร ดังนั้น 1 см² = 0,01·0,01 м² = 0,0001 м² ต้องยกกำลังสองตัวคูณเปลี่ยนหน่วยความยาว ลองแบ่งหนึ่งตารางเมตรเป็นช่องหนึ่งตารางเซนติเมตร จะมี 100 แถว แถวละ 100 ช่อง รวม 10 000 ช่อง หากหารพื้นที่ใน cm² ด้วย 100 เท่านั้น ค่าใน m² จะมากเกินจริงร้อยเท่า และความดันจะน้อยเกินจริงร้อยเท่า

เปลี่ยนด้านเป็นเมตร แล้วจึงยกกำลังสอง1 см0,01 м0,01 мS = 0,01 м · 0,01 м= 0,0001 м²ไม่ใช่ 0,01 м² — ต้องยกกำลังสองตัวคูณ
เปลี่ยนความยาวด้านเป็นเมตรก่อน แล้วจึงคูณความยาวสองด้านที่เปลี่ยนหน่วยแล้ว หนึ่งตารางเซนติเมตรจึงเท่ากับหนึ่งส่วนหมื่นตารางเมตร ไม่ใช่หนึ่งส่วนร้อย

แก๊สกดผนังได้อย่างไร

แก๊สกดแม้แต่ผนังด้านบนของภาชนะ ทั้งที่โมเลกุลไม่ได้วางนิ่งเป็นก้อนมวลบนผนังนั้น โมเลกุลเคลื่อนที่ตลอดและชนผนังจากหลายทิศ การชนจำนวนมากทำให้เกิดความดันที่วัดได้ หากอัดแก๊สปริมาณเดิมโดยคงอุณหภูมิ อนุภาคมีที่ว่างน้อยลง การชนต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ผนังเกิดถี่ขึ้น ความดันจึงสูงขึ้น หากให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่ การชนจะแรงขึ้นโดยเฉลี่ยและความดันก็เพิ่มเช่นกัน

ความดันบนผนัง
โมเลกุลแก๊สเคลื่อนที่หลายทิศและชนผนัง การชนจำนวนมากทำให้เกิดความดันทั่วผิวด้านในของภาชนะ

ลูกสูบส่งผ่านความดันที่เพิ่มขึ้น

กดลูกสูบที่ปิดภาชนะบรรจุของเหลว หากความดันเพิ่มเฉพาะใต้ลูกสูบ ของเหลวจะเริ่มเคลื่อนจัดตัวใหม่ เมื่อเข้าสู่สมดุลแล้ว ความดันที่เพิ่มจะส่งผ่านไปทุกทิศโดยไม่เปลี่ยนค่า นี่คือกฎของปาสคาลสำหรับของเหลวหรือแก๊สในภาชนะปิด ความดันที่เพิ่มเท่ากันให้แรงเพิ่มมากกว่าบนพื้นที่มากกว่า: F = pS ความดันเท่ากันจึงไม่ได้หมายความว่าแรงบนลูกสูบต่างพื้นที่ต้องเท่ากัน

Fของเหลว
ลูกสูบเพิ่มความดันในของเหลวที่ต่อถึงกันภายในภาชนะปิด ลูกศรสีน้ำเงินแสดงแรงส่วนเพิ่มที่เท่ากันบนผนังบริเวณเล็ก ๆ ที่มีพื้นที่เท่ากันและทำเครื่องหมายด้วยเส้น สิ่งที่เท่ากันคือความดันส่วนเพิ่ม ไม่ใช่ความดันรวมที่ความลึกต่างกัน

สิ่งที่กฎนี้ไม่ได้กล่าว

กฎของปาสคาลขัดกับความดันที่มากขึ้นเมื่ออยู่ลึกหรือไม่? กฎกล่าวถึงความดันส่วนเพิ่มจากการกระทำภายนอก น้ำหนักของของเหลวเองทำให้ความดันต่างกันตามความลึกอยู่ก่อนแล้ว ลองบวกค่าเดียวกันให้ตัวเลขสองค่าที่ต่างกัน ผลต่างยังเท่าเดิม เช่นเดียวกับการกดลูกสูบที่เพิ่มความดันในของเหลวอยู่นิ่งเท่ากันทุกจุด โดยไม่ได้ลบความสัมพันธ์เดิมกับความลึก เราจะหาความสัมพันธ์นี้ในบทถัดไป

ก่อนกดกดลูกสูบแล้วลึกกว่า ความดันมากกว่าFΔpเพิ่มเท่ากันความดันรวมยังต่างกัน
กระบอกเหมือนกันบรรจุของเหลวถึงลูกสูบ แถบแสดงการเปรียบเทียบความดันเชิงแผนภาพที่ระดับความลึกตรงกันสามระดับ ส่วนทึบคือความดันเดิม ส่วนกรอบคือ Δp ที่เพิ่มจากการกด ส่วนเพิ่มเท่ากัน แต่ความยาวแถบรวมยังต่างกัน

พื้นที่รองรับสองขนาด

แรงกด 200 นิวตันกระจายสม่ำเสมอบนพื้นที่ 0.02 m² ความดันเป็นเท่าใด และจะเป็นเท่าใดหากพื้นที่เพิ่มเป็นสองเท่า?

แรงกระจายสม่ำเสมอF = 200 НF = 200 НS = 0,02 м²พื้นที่ 2Sp₁ — ?p₂ — ?หาความดันแต่ละกรณี
แรงสองร้อยนิวตันกระจายสม่ำเสมอบนพื้นที่สองส่วนร้อยตารางเมตร จงหาความดันและพิจารณาว่าอะไรเปลี่ยนเมื่อพื้นที่เพิ่มเป็นสองเท่า

ลองดูตัวอย่าง · 1

ใช้ p = F/S: 200/0,02 = 10 000 Па = 10 кПа

แทนค่าใน p = F/SF = 200 НF = 200 НS = 0,02 м²พื้นที่ 2Sp₁ = 10 кПаp₂ — ?p₁ = 200 : 0,02 = 10 000 Па
สองร้อยนิวตันหารด้วยสองส่วนร้อยตารางเมตรได้หนึ่งหมื่นปาสคาล ค่าเดียวกันนี้เขียนได้เป็นสิบกิโลปาสคาล

ลองดูตัวอย่าง · 2

เมื่อใช้แรงเดิมกับพื้นที่ 0.04 m² จะได้ 5000 Па = 5 кПа แต่ละตารางเมตรรับแรงเพียงครึ่งหนึ่ง

แรงเท่าเดิม พื้นที่กว้างขึ้นF = 200 НF = 200 НS = 0,02 м²2S = 0,04 м²p₁ = 10 кПаp₂ = 5 кПаp₂ = 200 : 0,04 = 5000 Па
เมื่อแรงเท่าเดิมกระจายบนพื้นที่สองเท่า แต่ละตารางเมตรรับแรงเพียงครึ่งหนึ่ง ความดันจึงลดลงเหลือห้ากิโลปาสคาล

เรามาตรวจสอบผลลัพธ์กันดีกว่า

10 кПа; หลังเพิ่มพื้นที่เป็นสองเท่าได้ 5 кПа

ใจความสำคัญ · 1

ความดันเปรียบเทียบแรงกับพื้นที่ แรงเท่ากันอาจให้ผลต่อแต่ละบริเวณของผิวต่างกันมาก

ใจความสำคัญ · 2

ใน p = F/S ใช้แรงตั้งฉากและพื้นที่ในหน่วยที่สอดคล้องกัน โดย 1 Па = 1 Н/м²

ใจความสำคัญ · 3

กฎของปาสคาลกล่าวถึงการส่งผ่านความดันส่วนเพิ่ม ซึ่งทำให้เกิดแรงต่างกันบนพื้นที่ต่างขนาด

เราจะไปที่ไหนต่อไป?

ต่อไปเราจะพิจารณาน้ำหนักของของเหลวเอง และหาว่าเหตุใดความดันจึงมากขึ้นเมื่ออยู่ลึก

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

ความดันแก๊ส

ความดันแก๊สเกิดจากอนุภาคที่เคลื่อนที่ตลอดเวลาชนผนังภาชนะ

เมื่อปริมาตรลดลง การชนอาจถี่ขึ้น แก๊สจึงออกแรงต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ผนังมากขึ้น

ความดันจากวัตถุแข็ง

ปริมาณทางฟิสิกส์ที่เท่ากับแรงตั้งฉากกับผิวหารด้วยพื้นที่ผิวนั้น

สกีกว้างลดความดันบนหิมะ ส่วนใบมีดคมเพิ่มความดันเมื่อใช้แรงเท่ากัน

กฎของปาสคาล

ความดันที่กระทำต่อของเหลวหรือก๊าซจะถูกส่งผ่านโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงในทุกทิศทาง

กฎนี้อธิบายอุปกรณ์ไฮดรอลิกและการส่งผ่านความดันที่เพิ่มขึ้นโดยไม่เปลี่ยนค่าในของเหลวอยู่นิ่ง

ปริมาณทางฟิสิกส์

3 ปริมาณ

ความดัน

p

แรงตั้งฉากต่อหน่วยพื้นที่ผิว

หน่วย: ปาสคาล · \mathrm{Па}

แรงกดตั้งฉาก

F

แรงที่กระทำตั้งฉากกับพื้นผิวที่กำลังพิจารณา

หน่วย: นิวตัน · \mathrm{Н}

พื้นที่สัมผัสรองรับ

S

พื้นที่ผิวที่แรงกดตั้งฉากกระจายไป

หน่วย: ตารางเมตร · \mathrm{м}^2

สูตรบทเรียน

1 สูตร

ความดันจากวัตถุแข็ง

p = \frac{F}{S}

ความดันเท่ากับแรงตั้งฉากหารด้วยพื้นที่ที่แรงกระทำ

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ