เกรด 10 · อุทกสถิต
ความดันในของเหลวและก๊าซ
ความดันจากแรง ความดันบรรยากาศ และความดันไฮโดรสแตติก
อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ
ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น
วัตถุชิ้นเดิมบนฐานกว้างแทบไม่ทิ้งรอย แต่บนฐานแคบกดพื้นผิวให้ยุบได้ ใต้น้ำความดันเพิ่มขึ้นแม้เราไม่ได้ถือวัตถุใด พื้นที่สัมผัส น้ำหนักของของเหลว และค่าที่มาตรวัดความดันอ่านได้สัมพันธ์กันอย่างไร
แรงต่อพื้นที่
แบ่งพื้นรองรับเป็นพื้นที่เล็ก ๆ เท่ากัน หากแรงกระจายสม่ำเสมอ พื้นที่รวมน้อยลงทำให้แต่ละส่วนรับแรงมากขึ้น ความดัน p=F/S คือแรงตั้งฉากต่อหน่วยพื้นที่ ใช้ F เป็นนิวตัน และ S เป็น m² หากแรงสัมผัสกระจายไม่สม่ำเสมอ ค่านี้คือความดันเฉลี่ย เพิ่มแรงเป็นสองเท่าทำให้ความดันเป็นสองเท่า เพิ่มพื้นที่เป็นสองเท่าทำให้ความดันเหลือครึ่งหนึ่ง ไม่นำแรงแนวสัมผัสมาใส่ในตัวเศษ เพราะแรงนั้นอธิบายผลต่อพื้นผิวอีกแบบหนึ่ง
พาสคัลและหน่วยพื้นที่
หนึ่งพาสคัลคือความดันจากแรงตั้งฉาก 1 N บนพื้นที่ 1 m²: 1\,\text{Па}=1\,\text{Н/м}^2 พื้นที่ 1 cm² เล็กกว่าหนึ่งตารางเมตร 10 000 เท่า แรงเท่าเดิมจึงให้ 1\,\text{Н/см}^2=10^4\,\text{Па} ต้องหารด้วย 10^{-4} m² ไม่ใช่คูณ การตรวจจากความหมายทางฟิสิกส์ช่วยจับข้อผิดพลาด พื้นที่น้อยลงควรให้ความดันมากขึ้น
อากาศก็มีความดัน
ผิวน้ำเปิดไม่ได้ปราศจากแรง อากาศกดผิวน้ำ น้ำถ่ายทอดความดันนี้ต่อไป และน้ำหนักของน้ำเพิ่มความดันตามความลึก ค่ามาตรฐานสำหรับเปรียบเทียบคือความดันบรรยากาศปกติ p_0=101325\,\text{Па}=1\,\text{атм} หรือประมาณ 10^5 Pa เทียบได้กับแรงราวหนึ่งแสนนิวตันต่อตารางเมตร แต่โดยทั่วไปความดันกระทำจากหลายด้าน ผลต่างของแรงจึงเป็นสิ่งสำคัญ
ค่าอ้างอิงและค่าจริง
ทำไมจึงไม่ใช้ 101325 Pa ในทุกโจทย์ ค่านี้กำหนดหน่วยบรรยากาศมาตรฐาน แต่ความดันอากาศจริงขึ้นกับระดับความสูงและสภาพแวดล้อม ในภาชนะปิด ความดันเหนือของเหลวอาจต่างออกไปมาก ให้ใช้ค่าที่โจทย์กำหนดที่ผิว และปัดเศษตามความเหมาะสม หน่วยบรรยากาศเทคนิคเป็นคนละหน่วย การใช้คำว่าบรรยากาศโดยไม่มีสัญลักษณ์จึงอาจทำให้แปลงหน่วยผิด
ทำไมยิ่งลึกความดันยิ่งสูง
จินตนาการแยกแท่งของเหลวที่อยู่นิ่งในแนวดิ่ง มีพื้นที่ S และความสูง h แรงด้านล่าง p_{\text{низ}}S พยุงไว้ ด้านบนมีแรง p_{\text{верх}}S กดลง และมีน้ำหนัก \rho Shg เพื่อไม่ให้แท่งเร่ง ผลต่างของแรงจากความดันต้องสมดุลกับน้ำหนัก ในที่นี้ \rho คือความหนาแน่นหน่วย kg/m³ และ h คือความลึกหน่วยเมตร ความดันที่เพิ่มตามความลึกจึงมาจากสมดุล ไม่ใช่รูปร่างของภาชนะทั้งหมด
ความดันที่ของเหลวเพิ่ม
หารสมการ (p_{\text{низ}}-p_{\text{верх}})S=\rho Shg ด้วยพื้นที่ ได้ \Delta p=\rho gh พื้นที่ตัดกัน แท่งแคบและกว้างที่สูงเท่ากันจึงเพิ่มความดันเท่ากัน เพิ่มความลึกหรือความหนาแน่นเป็นสองเท่า ส่วนเพิ่มก็เป็นสองเท่า ที่ h=0 ไม่มีส่วนเพิ่ม สมมติว่าของเหลวอยู่นิ่งและ \rho กับ g คงตัว ในบริเวณของเหลวเดียวกันที่เชื่อมถึงกัน ความดันที่ระดับแนวราบเดียวกันเท่ากัน มิฉะนั้นของเหลวจะเริ่มไหล
ความดันสัมบูรณ์
หากความดันเหนือผิวน้ำคือ p_{\text{пов}} ความดันสัมบูรณ์ที่ระดับลึกคือ p=p_{\text{пов}}+\rho gh ที่ h=0 ยังคงมีความดันผิว ไม่ใช่ศูนย์ มาตรวัดอาจแสดงเพียงผลต่างจากความดันอากาศรอบข้าง ซึ่งคือความดันเกจ ก่อนคำนวณจึงต้องทราบว่าต้องการความดันแบบใด หากผิวน้ำและด้านนอกเซนเซอร์อยู่ในอากาศเดียวกัน ส่วนของความดันอากาศจะหักล้างในค่าที่อ่าน แต่ไม่ได้หายไปทางกายภาพ
ลองทำตัวอย่างทีละขั้น
จงหาความดันสัมบูรณ์ในน้ำที่ความลึก 2 m เมื่อความดันผิวเป็น 100 kPa กำหนด ρ=1000 кг/м³, g=10 м/с²
ลองดูตัวอย่าง · 1
ความดันประกอบด้วยความดันผิวและส่วนเพิ่มจากแท่งของเหลว
ลองดูตัวอย่าง · 2
ส่วนเพิ่มคือ ρgh=1000×10×2=20000 Па=20 кПа
ลองดูตัวอย่าง · 3
ความดันสัมบูรณ์คือ p=100+20=120 кПа
ตัวอย่างทีละขั้น · 4
ตรวจสอบ: ความดันสัมบูรณ์มากกว่าความดันผิว 20 kPa เป็นเพียงส่วนความดันเกจ
เรามาตรวจสอบผลลัพธ์กันดีกว่า
ความดันสัมบูรณ์คือ 120 kPa โดยน้ำหนักของน้ำเพิ่มมา 20 kPa มาตรวัดที่เปรียบเทียบความดันระดับนี้กับอากาศเดียวกันเหนือผิวน้ำจะอ่านได้ 20 kPa
ใจความสำคัญ · 1
ความดันเปรียบเทียบแรงตั้งฉากกับพื้นที่ แรงเดียวกันจึงให้ความดันต่างกันบนพื้นรองรับต่างกันได้
ใจความสำคัญ · 2
ความดันที่เพิ่มตามความลึกทำให้แรงสมดุลกับน้ำหนักชั้นของเหลว พื้นที่แท่งตัดกันในการคำนวณ
ใจความสำคัญ · 3
ρgh คือส่วนเพิ่ม ความดันสัมบูรณ์รวมความดันเหนือของเหลว ส่วนความดันเกจขึ้นกับค่าที่เครื่องมือใช้เปรียบเทียบ
เราจะไปที่ไหนต่อไป?
ต่อไปผลต่างความดันจะอธิบายแรงพยุง
แนวคิดพื้นฐาน
ความดันในของเหลวที่อยู่นิ่ง
ความดันของของไหลที่อยู่นิ่งซึ่งเกิดจากน้ำหนักของชั้นด้านบน
ยิ่งจุดลึกและของเหลวมีความหนาแน่นมากขึ้นเท่าใด ความดันก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ที่ความลึกเท่ากันของของไหลที่อยู่นิ่งจะเท่ากัน
ปริมาณทางฟิสิกส์
ความดัน
pแรงตั้งฉากต่อหน่วยพื้นที่
หน่วย: พาสคัล · \mathrm{Па}
ความดันบรรยากาศปกติ
p_0ค่าอ้างอิงที่ยอมรับของความดันบรรยากาศ
หน่วย: พาสคัล · \mathrm{Па}
สูตรบทเรียน
นิยามความดัน
p=\frac{F}{S}ความดันเท่ากับแรงตั้งฉากกับพื้นผิวหารด้วยพื้นที่
นิยามพาสคัล
1\,\mathrm{Па}=1\,\frac{\mathrm{Н}}{\mathrm{м}^2}หนึ่งพาสคัลเท่ากับหนึ่งนิวตันต่อตารางเมตร
นิวตันต่อตารางเซนติเมตร
1\,\frac{\mathrm{Н}}{\mathrm{см}^2}=10^4\,\mathrm{Па}หนึ่งนิวตันต่อตารางเซนติเมตรเท่ากับหนึ่งหมื่นพาสคัล
ค่าโดยประมาณของหน่วยบรรยากาศมาตรฐาน
1\,\mathrm{атм}\approx10^5\,\mathrm{Па}หน่วยบรรยากาศมาตรฐานเท่ากับ 101325 Pa ส่วน 10⁵ Pa เป็นค่าปัดเศษ บรรยากาศเทคนิคเป็นอีกหน่วยหนึ่ง
ความดันบรรยากาศปกติ
p_0=101325\,\mathrm{Па}ความดันบรรยากาศปกติเท่ากับหนึ่งแสนหนึ่งพันสามร้อยยี่สิบห้าพาสคัล
ความดันส่วนเพิ่มจากของเหลว
p=\rho ghในที่นี้ p คือความดันส่วนเพิ่มจากน้ำหนักของเหลว ความดันสัมบูรณ์เท่ากับความดันผิวบวกส่วนเพิ่มนี้
เงื่อนไข: ของไหลที่อยู่นิ่งซึ่งมีความหนาแน่นคงที่ ค่า g คงที่ h คือความลึกใต้พื้นผิวอิสระ
ทดลองความสัมพันธ์
คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น
ความลึกและความดัน
p − p₀ = ρgh
ของเหลวอยู่นิ่งและอัดตัวไม่ได้ g = 10 m/s² ผลลัพธ์เป็นความดันที่มากกว่าความดัน p₀ ที่ผิวของเหลว
ในของเหลวเดิม ถ้าเพิ่มความลึกจาก 2 เป็น 4 m ความดันเกจจะเปลี่ยนอย่างไร?
ค่าเริ่มต้น
ผลการคำนวณ
- p − p₀
- 20 кПа
อธิบายผล
ความดันขึ้นกับความลึกและความหนาแน่น ไม่ขึ้นกับความกว้างภาชนะ ที่แต่ละจุดความดันกระทำทุกทิศ ลูกศรแสดงความลึก ไม่ใช่ทิศของความดัน
สูตรที่เกี่ยวข้อง
สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย
โจทย์ในหัวข้อนี้
โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ