У чому вимірюється тиск: фізика та методи вимірювання

Вступ

Тиск є однією з основних величин в фізиці, що описує силу, яка діє на одиницю площі. Його вимірювання має важливе значення не тільки в фізиці, але також у багатьох інших сферах, таких як медицина, інженерія, гідравліка та атмосферні науки. У цій статті ми розглянемо, що таке тиск, які є його фізичні характеристики, одиниці вимірювання та методи, які використовуються для його вимірювання.

Що таке тиск?

Визначення тиску

Тиск визначається як сила, що діє на поверхню в напрямку, перпендикулярному до цієї поверхні. У математичному вираженні це виглядає так:

[
P = \frac{F}{A}
]

де:

• ( P ) — тиск,
• ( F ) — сила,
• ( A ) — площа, на яку діє ця сила.

Тиск вимірюється у різних одиницях, залежно від контексту його застосування.

Одиниці вимірювання тиску

Основні одиниці

• Паскаль (Па): Основна одиниця тиску в системі СІ. 1 Па = 1 Н/м².
• Кілопаскаль (кПа): Використовується для вимірювання атмосферного тиску. 1 кПа = 1000 Па.
• Мегапаскаль (МПа): Застосовується в промисловості. 1 МПа = 1,000,000 Па.

Додаткові одиниці

• Атмосфера (атм): Середній атмосферний тиск на рівні моря. 1 атм ≈ 101.3 кПа.
• Міліметр ртуті (мм рт. ст.): Використовується в медицині, особливо для вимірювання артеріального тиску. 1 атм ≈ 760 мм рт. ст.
• Бар: 1 бар = 100 кПа.

Види тиску

Абсолютний тиск

Абсолютний тиск є тиском, виміряним відносно повного вакууму. Дослідження абсолютного тиску важливе в науці і техніці, оскільки воно завжди позитивне і не залежить від зовнішнього атмосферного тиску.

Атмосферний тиск

Атмосферний тиск — це тиск повітря, який чинить вплив на поверхню Землі. Зазвичай його вимірюють у мм рт. ст. або кПа.

Відносний (гідростатичний) тиск

Відносний тиск (також відомий як манометричний тиск) вимірюється відносно атмосферного тиску. Ця величина може бути позитивною або негативною. Вона використовуються, наприклад, для вимірювання тиску в шинах, резервуарах тощо.

Методи вимірювання тиску

Механічні манометри

Рукавичкові манометри

Цей тип манометра використовує принцип деформації для вимірювання тиску. Коли тиск підвищується, елемент манометра деформується, що в свою чергу обертає стрілку на шкалі.

Балонні масляні манометри

Цей тип манометра використовує балістичні елементи, які знову ж таки змінюють свою форму під впливом тиску. Балонні манометри використовуються для вимірювання як абсолютного, так і відносного тиску.

Електронні манометри

Електронні манометри використовують спеціальні датчики, які перетворюють механічні зміни у електронні сигнали. Такі манометри можуть бути більш точними та швидкими у вимірюванні. Датчики можуть бути:

• П’єзорезистивними: Зміна опору елемента під впливом тиску.
• Ємнісними: Зміна ємності між двома електродами через зміни в розмірах діелектрика під тиском.

Манометри на основі рідин

Манометри У-трубки

Цей простий метод вимірювання використовує рідину в U-подібній трубці. Різниця у висоті рідини в двох каламутних гілках вказує на величину тиску.

Манометри з ртуттю

Ртутні манометри є точнішими, але менш популярними через небезпеку ртуті. Вони використовуються для вимірювання вакууму і тиску в більшості наукових лабораторій.

Спеціалізовані прилади

Барометри

Барометри використовуються для вимірювання атмосферного тиску. Найбільш відомим є анероїдний барометр, який працює без рідин.

Термометри та динамометри

Ці прилади можуть також виміряти тиск в певних контекстах. Термометри, наприклад, можуть вимірювати паровий тиск у рідинах.

Вимірювання в медичній практиці

Артеріальний тиск

Вимірювання артеріального тиску є важливим аспектом лікування. Для цього використовують сфігмоманометри. Вони бувають двох типів:

• Анероїдні: механічні моделі, які використовують мембрани для вимірювання тиску.
• Автоматичні: електронні моделі, які самостійно вимірюють тиск і відображають результати на екрані.

Вимірювання тиску в легенях

Для визначення тиску в легенях використовуються спеціальні дихальні манометри, які можуть допомогти в діагностиці хвороб дихальної системи.

Тиск у рідинах

У хірургічній практиці вимірювання тиску в рідинах часто є критично важливим для контролю за станом пацієнта.

Фізичні аспекти тиску

Закон Паскаля

Закон Паскаля стверджує, що зміни тиску в рідині передаються без зміни в усіх напрямках. Це принцип діє на всіх етапах, від механічних систем до атмосфери.

Закон Бойля

Закон Бойля описує взаємозв’язок між тиском і об’ємом газу. Якщо температура залишається сталою, зменшення об’єму газу призводить до збільшення тиску.

Принцип Архімеда

Принцип Архімеда стосується тиску в рідинах і стверджує, що на тіло в рідині діє підйомна сила, равна вазі вип displaced рідини.

Висновки

Тиск — це фундаментальне поняття в фізиці, яке має широкий спектр застосувань. Вимірювання тиску є важливим елементом в багатьох науках та інженерії, і різноманітні методи вимірювання забезпечують точність та надійність даних в різних умовах. Від механічних манометрів до електронних приладів, кожен метод має свої переваги і недоліки, що визначають його застосування в тій чи іншій галузі.