Никому не нравится быть под давлением. И не важно, под каким. Об этом спела еще группа Queen вместе с Дэвидом Боуи в своем знаменитом сингле "Under pressure". Что такое давление? Как понять давление? В чем оно измеряется, какими приборами и методами, куда направлено и на что давит. Ответы на эти и другие вопросы – в нашей статье про давление в физике и не только.
Если преподаватель давит на вас, задавая каверзные задачки, мы сделаем так, чтобы вы смогли верно на них ответить. Ведь понимание самой сути вещей – ключ к успеху! Итак, что такое давление в физике?
По определению:
Давление – скалярная физическая величина, равная силе, действующей на единицу площади поверхности.
В международной системе СИ измеряется в Паскалях и обозначается буквой p . Единица измерения давления – 1 Паскаль . Русское обозначение – Па , международное – Pa .
Согласно определению, чтобы найти давление, нужно силу разделить на площадь.
Любая жидкость или газ, помещенный в сосуд, оказывает на стенки сосуда давление. Например, борщ в кастрюле действует на ее дно и стены с некоторым давлением. Формула определения давления жидкости:
где g – ускорение свободного падения в гравитационном поле земли, h – высота столба борща в кастрюле, греческая буква «ро» – плотность борща.
Наиболее распространенный в быту прибор для определения давления – барометр. Но в чем измеряют давление? Кроме паскаля существуют и другие внесистемные единицы измерения:
- атмосфера;
- миллиметр ртутного столба;
- миллиметр водяного столба;
- метр водяного столба;
- килограмм-сила.
В зависимости от контекста применяются разные внесистемные единицы.
Например, когда вы слушаете или читаете прогноз погоды, там и речи не идет о паскалях. Говорят о миллиметрах ртутного столба. Один миллиметр ртутного столба – это 133 Паскаля. Если вы ездите за рулем, то наверное знаете, что нормальное давление в колесах легкового автомобиля - около двух атмосфер .
Атмосферное давление
Атмосфера – это газ, точнее, смесь газов, которая удерживается у Земли благодаря гравитации. Атмосфера переходит в межпланетное пространство постепенно, а ее высота – примерно 100 километров.
Как понимать выражение «атмосферное давление»? Над каждым квадратным метром земной поверхности находится стокилометровый столб газа. Конечно, воздух прозрачен и приятен, но у него есть масса, которая давит на поверхность земли. Это и есть атмосферное давление.
Нормальное атмосферное давление принято считать равным 101325 Па . Это давление на уровне мирового океана при температуре 0 градусов Цельсия . Такое же давление при этой же температуре оказывает на свое основание столб ртути высотой 766 миллиметров.
Чем больше высота над уровнем моря, тем ниже атмосферное давление. Например, на вершине горы Джомолунгма оно составляет всего одну четвертую от нормального атмосферного давления.
Артериальное давление
Еще один пример, где мы сталкиваемся с давлением в повседневной жизни – это измерение кровяного давления.
Артериальное давление – это кровяное давление, т.е. давление, которое кровь оказывает на стенки сосудов, в данном случае – артерий.
Если вы измерили артериальное давление и оно у вас 120 на 80 , то все хорошо. Если 90 на 50 или 240 на 180 , то вам уже точно будет неинтересно разбираться, в чем это давление измеряется и что это вообще значит.
Тем не менее, возникает вопрос: 120 на 80 чего именно? Паскалей, миллиметров ртутного столба, атмосфер или еще каких-то единиц измерения?
Артериальное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба. Оно определяет превышение давления жидкости в кровеносной системе над атмосферным давлением.
Кровь оказывает давление на сосуды и тем самым компенсирует действие атмосферного давления. Будь иначе, нас бы просто раздавило огромной массой воздуха над нами.
Но почему в измерении артериального давления две цифры?
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на
Дело в том, что кровь движется в сосудах не равномерно, а толчками. Первая цифра (120) называется систолическим давлением. Это давление на стенки сосудов в момент сокращения сердечной мышцы, его величина – наибольшая. Вторая цифра (80) определяет наименьшее значение и называется диастолическим давлением.
При измерении фиксируются значения систолического и диастолического давлений. Например, для здорового человека типичное значение артериального давления составляет 120 на 80 миллиметров ртутного столба. Это означает, что систолическое давление равно 120 мм. рт. ст., а диастолическое – 80 мм рт. ст. Разница между систолическим и диастолическим давлениями называется пульсовым давлением.
Физический вакуум
Вакуум – это отсутствие давления. Точнее, практически полное его отсутствие. Абсолютный вакуум является приближением, как идеальный газ в термодинамике и материальная точка в механике.
В зависимости от концентрации вещества различают низкий, средний и высокий вакуум. Наилучшее приближение к физическому вакууму – космическое пространство, в котором концентрация молекул и давление минимальны.
Давление – основной термодинамический параметр состояния системы. Определить давление воздуха или другого газа можно не только по приборам, но и пользуясь уравнениями, формулами и законами термодинамики . А если у вас нет времени разбираться, студенческий сервис поможет решить любую задачу на определение давления.
Всем нам мерили давление. Почти каждый знает, что нормальный показатель давления равен 120/80 мм ртутного столба. Но далеко не все могут ответить, что на самом деле обозначают эти цифры.
Попытаемся разобраться, что вообще значит верхнее/нижнее давление, а также чем эти значения друг от друга отличаются. Вначале определимся с понятиями.
Артериальное давление (АД) – это один из самых важных показателей, оно демонстрирует функционирование кровеносной системы. Этот показатель формируется при участии сердца, сосудов и крови, движущейся по ним.
Артериальное давление — это давление крови на стенку артерии
При этом он зависит от сопротивления крови, ее объема, «выбрасываемого» в результате одного сокращения (это называется систолой), и интенсивности сокращений сердца. Самый высокий показатель АД может наблюдаться, когда сердце сокращается и «выбрасывает» кровь из левого желудочка, а самый низкий – во время попадания в правое предсердие, когда главная мышца расслаблена (диастола). Вот мы и подошли к самому важному.
Под верхним давлением или, если говорить языком науки, систолическим, подразумевается давление крови при сокращении. Этот показатель демонстрирует то, как сокращается сердце. Формирование такого давления выполняется при участии крупных артерий (например, аорты), а зависит данный показатель от ряда ключевых факторов.
К таковым относят:
- ударный объем левого желудочка;
- растяжимость аорты;
- предельную скорость «выброса».
Что же касается нижнего давления (другими словами, диастолического), то оно показывает, какое сопротивление испытывает кровь во время движения по кровеносным сосудам. Нижнее давление наблюдается, когда клапан аорты закрывается, и кровь не может вернуться в сердце. При этом само сердце наполняется другой кровью, насыщенной кислородом, и готовится к следующему сокращению. Движение крови происходит как бы самотеком, пассивно.
К факторам, влияющим на диастолическое давление, относится:
- частота сокращения сердца;
- периферическое сопротивление сосудов.
Обратите внимание! В нормальном состоянии разница между двумя показателями колеблется между 30 мм и 40 мм ртутного столба, хотя здесь многое зависит от самочувствия человека. Невзирая на то, что существуют конкретные цифры и факты, каждый организм индивидуален, равно как и его артериальное давление.
Делаем вывод: в приведенном в начале статьи примере (120/80) 120 – это показатель верхнего АД, а 80 – нижнего.
Артериальное давление — норма и отклонения
Что характерно, формирование АД зависит преимущественно от образа жизни, питательного рациона, привычек (в том числе вредных), частоты стрессов. К примеру, при помощи употребления той или иной пищи можно специально понижать/повышать давление. Достоверно известно, что были случаи, когда люди полностью излечивались от гипертонии после изменения привычек и образа жизни.
Для чего нужно знать величину АД?
При каждом повышении показателя на 10 мм ртутного столба риск возникновения сердечно-сосудистых болезней увеличивается примерно на 30 процентов. У людей с повышенным давлением в семь раз чаще развивается инсульт, в четыре раза — ишемические заболевания сердца, в два — поражение кровеносных сосудов нижних конечностей.
Именно поэтому выяснение причины возникновения таких симптомов, как головокружение, мигрени или общая слабость, следует начинать с измерения АД. В нередких случаях давление нужно постоянно контролировать и проверять каждые несколько часов.
Как проводится измерение давления
В большинстве случаев АД измеряют при помощи специального приспособления, состоящего из следующих элементов:
- пневмоманжета для сжатия руки;
- манометр;
- груша с регулировочным клапаном, предназначенная для накачивания воздуха.
Манжета накладывается на плечо. В процессе измерения необходимо придерживаться определенных требований, в противном случае результат может быть неверным (заниженным или завышенным), что, в свою очередь, может повлиять на последующую тактику лечения.
Давление крови — измерение
- Манжета должна соответствовать объему руки. Для людей с лишним весом и детей используются особые манжеты.
- Обстановка должна быть удобной, температура – комнатной, начинать следует как минимум после пятиминутного отдыха. Если будет холодно, то возникнут сосудистые спазмы и давление поднимется.
- Выполнять процедуру можно лишь через полчаса после употребления пищи, кофе или курения.
- Перед процедурой больной садится, опирается на спинку стула, расслабляется, его ноги в это время не должны быть скрещенными. Рука также должна быть расслабленной и лежать неподвижно на столе до конца процедуры (но только не на «весу»).
- Не менее важна и высота стола: нужно, чтобы зафиксированная манжета располагалась на уровне примерно четвертого межреберья. При каждом пятисантиметровом смещении манжеты в отношении сердца показатель снизится (если конечность поднята) или повысится (если опущена) на 4 мм ртутного столба.
- В ходе процедуры шкала манометра должна располагаться на уровне глаз – так будет меньше шансов ошибиться при считывании.
- Воздух закачивается в манжету настолько, чтобы внутреннее давление в ней превысило ориентировочное систолическое АД хотя бы на 30 мм ртутного столба. В случае слишком высокого давления в манжете могут возникнуть боли и, как следствие, измениться АД. Воздух должен сбрасываться со скоростью 3-4 мм ртутного столба в секунду, тоны прослушиваются тонометром или стетоскопом. Важно, чтобы головка прибора не слишком давила на кожу – это также способно исказить показатели.
- Во время сброса появление тона (это называют первой фазой тонов Короткова) будет соответствовать верхнему давлению. Когда при последующем прослушивании тоны вовсе исчезнут (пятая фаза), то полученное значение будет соответствовать нижнему давлению.
- Спустя несколько минут проводится повторное измерение. Средний показатель, полученный из нескольких проведенных подряд измерений, точнее отражает положение дел, чем однократная процедура.
- Первое измерение рекомендуется проводить сразу на двух руках. Дальше можно использовать одну руку – ту, на которой давление выше.
Обратите внимание! Если у человека нарушен ритм сердца, то измерение АД будет более сложной процедурой. Поэтому лучше, чтобы этим занимался медицинский сотрудник.
Как оценить показатель АД
Чем выше у человека АД, тем большая вероятность появления таких недугов, как инсульт, ишемия, почечная недостаточность и проч. Для самостоятельной оценки показателя давления можно использовать специальную классификацию, разработанную еще в 1999-м.
Таблица №1. Оценка уровня АД. Норма
* — оптимальное с точки зрения развития заболеваний сосудов и сердца, а также смертности.
Обратите внимание! Если верхнее и нижнее АД находятся в разных категориях, то выбирается та из них, которая выше.
Таблица №2. Оценка уровня АД. Гипертония
| Давление | Верхнее давление, в мм ртутного столба | Нижнее давление, в мм ртутного столба |
|---|---|---|
| Первая степень | От 140 до 159 | От 90 до 99 |
| Вторая степень | От 160 до 179 | От 100 до 109 |
| Третья степень | Свыше 180 | Свыше 110 |
| Пограничная степень | От 140 до 149 | До 90 |
| Систолическая гипертония | Свыше 140 | До 90 |
В водолазной практике часто приходится встречаться с вычислением механического, гидростатического и газового давления широкого диапазона величин. В зависимости от значения измеряемого давления применяют различные единицы.
В системах СИ и МКС единицей давления служит паскаль (Па) , в системе МКГСС - кгс/см 2 (техническая атмосфера - ат). В качестве внесистемных единиц давления применяются тор (мм рт. ст.), атм (физическая атмосфера),м вод. ст., а в английских мерах - фунт/дюйм 2 . Соотношения между различными единицами давления приведены в табл, 10.1.
Механическое давление измеряется силой, действующей перпендикулярно на единицу площади поверхности тела:
где р - давление, кгс/см 2 ;
F - сила, кгс;
S - площадь, см 2 .
Пример 10.1. Определить давление, которое водолаз оказывает на палубу судна и на грунт под водой, когда он делает шаг (т. е. стоит на одной ноге). Вес водолаза в снаряжении на воздухе 180 кгс, а под водой 9 кгс. Площадь подошвы водолазной галоши принять 360 см 2 . Решение. 1) Давление, передаваемое водолазной галошей на палубу судна, по (10.1):
Р = 180/360 = 0.5 кгс/см
Или в единицах СИ
Р = 0,5 * 0,98.10 5 = 49000 Па = 49 кПа.
Таблица 10.1. Соотношения между различными единицами давления
2) Давление, передаваемое водолазной галошей на грунт под водой:
или в единицах СИ
Р = 0,025*0,98*10 5 = 2460 Па = 2,46 кПа.
Гидростатическое давление жидкости везде перпендикулярно к поверхности, на которую оно действует, и возрастает с глубиной, но остается постоянным в любой горизонтальной плоскости.
Если поверхность жидкости не испытывает внешнего давления (например, давления воздуха) или его не учитывают, то давление внутри жидкости называют избыточным давлением
где p - давление жидкости, кгс/см 2 ;
р - плотность жидкости, гс» с 4 /см 2 ;
g - ускорение свободного падения, см/с 2 ;
Y - удельный вес жидкости, кг/см 3 , кгс/л;
Н - глубина, м.
Если поверхность жидкости испытывает внешнее давление пп. то давление внутри жидкости
Если на поверхность жидкости действует атмосферное давление воздуха, то давление внутри жидкости называют абсолютным давлением (т. е. давлением, измеряемым от нуля - полного вакуума):
где Б - атмосферное (барометрическое) давление, мм рт. ст.
В практических расчетах для пресной воды принимают
Y = l кгс/л и атмосферное давление p 0 = 1 кгс/см 2 = = 10 м вод. ст., тогда избыточное давление воды в кгс/см 2
а абсолютное давление воды
Пример 10.2. Найти абсолютное давление морской воды действующее на водолаза на глубине 150 м, если барометрическое давление равно 765 мм рт. ст., а удельный вес морской воды 1,024 кгс/л.
Решение. Абсолютное давление волы по (10/4)
приолиженное значение абсолютного давления по (10.6)
В данном примере использование для расчета приближенной формулы (10.6) вполне оправданно, так как ошибка вычисления не превышает 3%.
Пример 10.3. В полой конструкции, содержащей воздух под атмосферным давлением р a = 1 кгс/см 2 , находящейся под водой, образовалось отверстие, через которое стала поступать вода (рис. 10.1). Какую силу давления будет испытывать водолаз, если он попытается это отверстие закрыть рукой? Площадь «У сечения отверстия равна 10X10 см 2 , высота столба воды Н над отверстием 50 м.
Рис. 9.20. Наблюдательная камера
«Галеацци»:
1 - рым; 2 - устройство
отдачи троса и среза кабеля; 3 - штуцер для телефонного
ввода; 4 - крышка люка;
5 - верхний иллюминатор; 6 - резиновое привальное кольцо; 7 - нижний иллюминатор; 8 -
корпус камеры; 9 - баллон кислородный с манометром; 10 - устройство отдачи аварийного
балласта; 11 - аварийный балласт; 12 - кабель
светильника; 13 - светильник; 14 - электровентилятор; 15-телефон-
микрофон; 16 - аккумуляторная батарея; 17 -
коробка регенеративная
рабочая; 18 - иллюминатор крышки люка
Решение. Избыточное давление воды у отверстия по (10.5)
P = 0,1-50 = 5 кгс/см 2 .
Сила давления на руку водолаза из (10.1)
F = Sp = 10*10*5 = 500 кгс =0,5 тс.
Давление газа, заключенного в сосуд, распределяется равномерно, если не принимать во внимание его весомость, которая при размерах сосудов, применяемых в водолазной практике, оказывает ничтожное влияние. Величина давления неизменной массы газа зависит от объема, который он занимает, и температуры.
Зависимость между давлением газа и его объемом при неизменной температуре устанавливается выражением
P 1 V 1 = p 2 V 2 (10.7)
Где р 1 и р 2 - первоначальное и конечное абсолютное давление, кгс/см 2 ;
V 1 и V 2 - первоначальный и конечный объем газа, л. Зависимость между давлением газа и его температурой при неизменном объеме устанавливается выражением
где t 1 и t 2 - начальная и конечная температура газа, °С.
При неизменном давлении аналогичная зависимость существует между объемом и температурой газа
Зависимость между давлением, объемом и температурой газа устанавливается объединенным законом газового состояния
Пример 10.4. Емкость баллона 40 л, давление воздуха в нем по манометру 150 кгс/см 2 . Определить объем свободного воздуха в баллоне, т. е. объем, приведенный к 1 кгс/см 2 .
Решение. Начальное абсолютное давление р = 150+1 = 151 кгс/см 2 , конечное р 2 = 1 кгс/см 2 , начальный объем V 1 =40 л. Объем свободного воздуха из (10.7)
Пример 10.5. Манометр на баллоне с кислородом в помещении с температурой 17° С показывал давление 200 кгс/см 2 . Этот баллон перенесли на палубу, где на другой день при температуре -11° С его показания снизились до 180 кгс/см 2 . Возникло подозрение на утечку кислорода. Проверить правильность подозрения.
Решение. Начальное абсолютное давление p 2 =200 + 1 = =201 кгс/см 2 , конечное р 2 = 180 + 1 = 181 кгс/см 2 , начальная температура t 1 = 17°С, конечная t 2 =-11° С. Расчетное конечное давление из (10.8)
Подозрения лишены оснований, так как фактическое и расчетное давления равны.
Пример 10.6. Водолаз под водой расходует 100 л/мин воздуха, сжатого до давления глубины погружения 40 м. Определить расход свободного воздуха (т. е. при давлении 1 кгс/см 2).
Решение. Начальное абсолютное давление на глубине погружения по (10.6)
Р 1 = 0,1*40 =5 кгс/см 2 .
Конечное абсолютное давление Р 2 = 1 кгс/см 2
Начальный расход воздуха Vi = l00 л/мин.
Расход свободного воздуха по (10.7)
>>Давление и сила давления
Отослано читателями из интернет-сайтов
Сборник конспектов уроков по физике, рефераты на тему из школьной программы. Календарно тематическое планирование, физика 7 класс онлайн , книги и учебники по физике. Школьнику подготовиться к уроку.
Чтобы понять, что такое давление в физике, рассмотрим простой и знакомый каждому пример. Какой?
В ситуации, когда надо порезать колбасу, мы воспользуемся наиболее острым предметом - ножом, а не ложкой, расческой или пальцем. Ответ очевиден - нож острее, и вся прикладываемая нами сила распределяется по очень тонкой кромке ножа, принося максимальный эффект в виде отделения части предмета, т.е. колбасы. Другой пример - мы стоим на рыхлом снегу. Ноги проваливаются, идти крайне неудобно. Почему же тогда мимо нас с легкостью и на большой скорости проносятся лыжники, не утопая и не путаясь все в таком же рыхлом снегу? Очевидно, что снег одинаков для всех, как для лыжников, так и для пешеходов, а вот оказываемое на него воздействие - различно.
При примерно схожем давлении, то есть весе, площадь поверхности, давящей на снег, сильно различается. Площадь лыж намного больше площади подошвы обуви, и, соответственно, вес распределяется по большей поверхности. Что же помогает или, наоборот, мешает нам эффективно воздействовать на поверхность? Почему острый нож качественнее разрезает хлеб, а плоские широкие лыжи лучше удерживают на поверхности, уменьшая проникновение в снег? В курсе физики седьмого класса для этого изучают понятие давления.
Давление в физике
Силу, которую прикладывают к какой-либо поверхности, называют силой давления. А давление - это физическая величина, которая равна отношению силы давления, приложенной к конкретной поверхности, к площади этой поверхности. Формула расчета давления в физике имеет следующий вид:
где p - давление,
F - сила давления,
s - площадь поверхности.
Мы видим, как обозначается давление в физике, а также видим, что при одной и той же силе давление больше в случае, когда площадь опоры или, другими словами, площадь соприкосновения взаимодействующих тел, меньше. И, наоборот, с увеличением площади опоры, давление уменьшается. Именно поэтому, более острый нож лучше разрезает любое тело, а гвозди, забиваемые в стену, делают с острыми кончиками. И именно поэтому, лыжи удерживают на снегу гораздо лучше, чем их отсутствие.
Единицы измерения давления
Единицей измерения давления является 1 ньютон на метр квадратный - это величины, уже известные нам из курса седьмого класса. Также мы можем перевести единицы давления Н/м2 в паскали, - единицы измерения, названные в честь французского ученого Блеза Паскаля, который вывел, так называемый, Закон Паскаля . 1 Н/м = 1 Па. На практике применяются также и другие единицы измерения давления - миллиметры ртутного столба, бары и так далее.