Чому тиск повітря в усіх напрямках?

1. Ось типове визначення тиску повітря:

Тиск повітря зумовлений вагою вище молекул повітря. Навіть крихітні молекули повітря мають деяку вагу, і величезна кількість молекул повітря, що складають шари нашої атмосфери, мають велику вагу, що тисне на все, що знаходиться нижче.

2. І все-таки всі джерела, які я бачив, стверджують, що тиск повітря в усіх напрямках однаковий.

1 і 2 здаються суперечливими.

Питання, пов'язані з цим:

Чому тиск повітря зверху не пригнічує нас? Відповідь, яку я бачу послідовно, полягає в тому, що рівний тиск повітря знизу врівноважує його. Але якби машина спиралася на мене зверху і розчавила мене, то інша машина, що притискається до мене знизу, не зніме цього тиску - це тільки збільшить тиск, який я відчував би! Якби я був у закритій шафі, і одна зі стін мала би притиснутись до мене, а потім протилежна стіна також тиснула б на мене, друга стіна не врівноважувала б речі, а лише збільшувала тиск I відчував би!

Чому тиск повітря в усіх напрямках рівний?

Уявіть, що це означало б для тонкого плоского шматка металу, якби тиск не було рівним зверху та знизу. Буде більше тиску, що підштовхується зверху вниз, ніж натискання знизу, яке прирівнюватиметься до сили нетто. Ця сила почала б прискорювати шматок металу вниз; не було б рівноваги. Тепер забудьте про шматок металу. Без нього не було б молекул повітря, що мчали вниз від градієнта тиску. Вони насправді кинулися вниз, поки не вирівняли градієнт тиску і не перестали рухатися.

Чому тиск повітря зверху не пригнічує нас? Відповідь, яку я бачу послідовно, полягає в тому, що рівний тиск повітря знизу врівноважує його.

Це не зовсім правильно. Тиск не просто рівний зверху і знизу, оскільки ваше тіло є зоною різного тиску. Скоріше, все ваше тіло знаходиться під тим самим тиском, як оточення. Щоб зрозуміти різницю, подумайте про бак, з якого можна евакуювати частину повітря (вакуумний бак). Коли резервуар наповнений повітрям, рівним тиском до навколишнього середовища, кришку можна легко зняти. Якщо ви герметизуєте ємність, викачайте трохи повітря, а потім спробуйте зняти кришку, ви виявите, що вона дуже щільно застрягла. Це тому, що на кришку діє сильна сила, викликана градієнтом тиску всередині і зовні.

Той факт, що у вашому організмі знаходиться атмосферний тиск, насправді дуже важливий для його функціонування. Якби вас викинули з космічного корабля, де тиск майже до нуля, усі гази (кисень є важливим) випарувалися б із рідин у вашому тілі.

Тиск повітря здійснюють на поверхні тіла молекули повітря, що потрапляють на поверхню та відбиваються. Кожне з цих віддзеркалень (газильйони яких трапляються за секунду) передає невеликий імпульс на поверхню, що макроскопічно означає постійну силу (на одиницю площі). Чому молекули повітря відскакують і весь час б’ють? Або тому, що повітря рухається великим (ака. "Вітер"), або тому, що вони відхиляються навколо нерівномірно (ака. "Температура"). Останній вид руху не знає бажаного напрямку, і тому тиск є однаковим, незалежно від того, яку орієнтацію має випробувальна поверхня. Сам факт відсутності руху сітки (вітру) виражається тим, що однакова сила діє на тильну сторону тонкої поверхні, як і на передню сторону (тому немає сили сітки).

Тоді як тиск повітря пов'язаний з вагою повітря над нами? У рівновазі сили, спричинені тиском повітря знизу на уявну горизонтальну поверхню, є достатньою, щоб утримувати повітряну колону над нею «на місці», що означає, що вона дорівнює вазі. Нам не завжди потрібно мати рівновагу, але якщо ми цього не зробимо, струн сил викликає прискорення і рух - до досягнення рівноваги.

Я спробував трохи розбити питання, залишити коментар, якщо я щось пропустив.

Тиск повітря зумовлений вагою вище молекул повітря.

Це дійсно правильно. Тиск повітря пропорційний тому, скільки повітря над ним: Ви маєте менше на високій горі, ніж на рівні моря. Діаграма показує це на практиці.

Тиск повітря рівний у всіх напрямках.

Це також вірно: воно буде рухатись однаково у всіх напрямках. Якби це було нерівно, воно намагалося б досягти рівноваги. Молекули повітря будуть піддаватися як силі тяжіння, що тягне її до землі (стискає її), так і силою інших молекул, відштовхуючи її.

Джерело

І все-таки всі джерела, які я бачив, стверджують, що тиск повітря в усіх напрямках однаковий.

Для якогось невеликого моменту в атмосфері це було б правдою. Була б однакова сила, що діє на неї у всіх напрямках.

1 і 2 здаються суперечливими.

Існує дуже невелика різниця, скажімо, для маленької кубової ємності, оскільки дно матиме трохи більш високий тиск повітря над ним, ніж верхній бік, і тиск буде незначно більшим. Однак зниження тиску з висотою відбуватиметься як всередині, так і зовні. Взагалі різницю тиску можна ігнорувати майже для всіх застосувань.

Тиск задається формулою,

${P = {\rho}gh}$

Де:

• ${\rho}$ = щільність

• ${g}$ = гравітаційна константа

• ${h}$ = висота / глибина

Тиск у будь-якій точці нижче верхньої межі рідин, таких як повітря та вода, є рівномірним у всіх напрямках, оскільки молекули рідини знаходяться в постійному русі та постійно стикаються одна з одною. Тиск збільшується з глибиною рідини через кількість рідини над нею, але будь-яка точка горизонтальної площини матиме однаковий тиск.

Порівняйте це зі скелею в земній корі та мантії. Ігноруючи тектонічні напруги, тиск у вертикальному напрямку все ще надається

${P = {\rho}gh}$

Однак через тверду природу гірської породи молекули не швидко рухаються, і вони не постійно стикаються одна з одною. Отже, тиск у бічному напрямку не дорівнює тиску у вертикальному напрямку, а тиск / напруга у гірській породі неоднаковий у всіх напрямках.

Це джерело дає бічний тиск / напруження, пов'язане з вертикальним тиском / напругою.

${{\sigma}_h = k{\sigma}_v = k{\rho}gh}$

Тиск - це середня зовнішня сила, яку молекули чинять на своє оточення.

Якщо взяти до уваги випадки, коли молекули повітря підстрибують навколо удару все, що вони виштовхуються в сторони однаково, але, як ви вже згадували, їх вага означає, що вони дійсно штовхаються вниз сильніше, ніж штовхають вгору. Оскільки вага повітря в невеликому просторі дуже невеликий, цією різницею зазвичай можна нехтувати. Однак без цієї різниці повітряні кулі не плавали б. Ця крихітна різниця накопичується в атмосфері до тих пір, коли тиск тут на поверхні насправді є досить значним.

Причина, з якою машини стискають вас, полягає в тому, що коли машина штовхає вниз з високим тиском, вона перемістить вашу поверхню всередину, поки ви не відштовхнетесь назад з тим же тиском. На жаль для вас, оскільки ваш внутрішній тиск зростає, що робить ваші сторони більш високим тиском, ніж повітря навколо вас, тому ваші сторони стискаються, оскільки повітря не відштовхується так сильно. Отже, недостатньо просто відсунутись зверху і знизу, а то й з чотирьох сторін. Вам потрібно штовхатись з усіх боків, включаючи ніс і всередину легенів, щоб ваш внутрішній тиск міг комфортно відштовхуватися проти високого тиску.

Обидва твердження правильні. Найкращий спосіб зрозуміти, як ці дві заяви можуть співіснувати, - це зрозуміти поняття тиску газу.

Тепер, щоб зрозуміти тиск, ми подивимось на ємність, повну молекул газу. Молекули газу взагалі не поводяться як тверді речовини або рідини. У газі молекули не притягуються одна до одної, тому вони літають навколо з надзвичайною швидкістю, стикаючись у предмети та інші молекули газу. Ці зіткнення еластичні, тому при зіткненні не втрачається енергія.

Кожного разу, коли відбувається зіткнення, відбувається певна передача енергії між молекулами. Однак на макроскопічному рівні відбувається стільки зіткнень, що вони в середньому до нуля передаваної енергії. Уявіть, що молекула газу ось-ось вдарить по стіні від вищевказаного контейнера. Ми знаємо, що коли молекула потрапить, вона відскочить і попрямує в інший бік так само, як підстрибну кулю. Стіна також відчує силу завдяки другому закону Ньютона . Однак з іншого боку контейнера відбувається саме те саме. Насправді те ж саме відбувається і на зовнішній стороні контейнера. Усі ці зіткнення мають силу, але всі вони скасовують один одного.

Тепер давайте застосуємо це до вашої першої дефініції. Як ви заявили, тиск повітря обумовлений вагою молекул повітря вище. Молекули газу притягуються гравітацією до земної поверхні. Коли молекула газу витягується до поверхні землі, швидше за все, вона вдариться до іншої молекули газу і відскочить від неї в іншому напрямку. Тепер скажемо, що в цьому конкретному зіткненні перша молекула потрапляє у верхню частину другої молекули. Це змушує другу молекулу рухатися вниз навіть швидше, ніж перша. Це відбувається знову і знову, поки молекула не відскакує від поверхні землі. Ось як виведено ваше перше визначення. Ключове значення - пам’ятати, що це тиск газу, і таким чином відбувається з усіх боків.

Це найскладніша концепція, яку можна зрозуміти, бо коли хтось чує, що над ними сотні кілограмів повітря, вони уявляють собі сотні фунтів сталевих пластин на своїх плечах. Не думайте про це так. Якщо підстрибний куля падає на вашу голову, він штовхає вас вниз. Однак якщо він промахнеться, вдариться об підлогу, підстрибне вгору і вдарить вас, дві сили скасують один одного. Хитрість полягає в тому, щоб усвідомити, що стільки зіткнень відбувається з такою хвилинною шкалою, що ти не «відчуваєш» тиск атмосфери.

Тверді предмети дуже добре протистоять рівномірній силі з усіх боків. Чи чули ви коли-небудь, що ви не можете розім'яти яйце, якщо ви видавите його з усіх боків? Це ж поняття стосується і вашого тіла. Атмосфера дуже сильно штовхається з усіх боків (навіть зсередини легенів!), Але всі вони скасовуються.

На противагу цьому уявіть сталевий барабан із кількома молекулами газу в ньому, що буде?

Тепер, незважаючи на те, що це круто, зауважте, що сторони стовбура також руйнуються. Це означає, що молекули повітря штовхалися збоку, але назад не було чого відштовхуватися. З імплантуючої бочки ми бачимо, що атмосфера стискає нас з достатньою силою, щоб розчавити сталевий барабан. Однак, оскільки цей тиск чиниться з усіх напрямків, сили скасовуються, і ми нічого не відчуваємо.

Я хотів би додати своє розуміння, якщо це допоможе комусь зрозуміти причину. Причина, що існує тиск з усіх боків у цих ситуаціях, пов’язана з властивостями рідин в рівновазі. Наприклад, в атмосфері, коли «зважене» молекули повітря зверху видавлювали б сторони повітряного стовпа, якби це було можливо. Звичайно, це не тому, що сусідні повітряні колони знаходяться під тією ж силою, і тому вони не краще. Молекули газу енергійні в будь-якому напрямку , або іншими словами, тиск рідини не може існувати в одному напрямку, якщо б він був рівноважним, оскільки будь-яка різниця тиску дала б рух (вітер).

Причина того, що ви використовуєте вагу рідини над собою (повітря, океан тощо), щоб знати горизонтальний тиск, який ви відчували б, це тому, що ви припускаєте, що перебуваєте в районі, що знаходиться в рівновазі, і, таким чином, ви знаєте з вищезгаданих причин, що "горизонтальний" тиск дорівнює "вертикальному" тиску.

Ще одна інтуїція, яка мені подобається, - це ідея пневматичного поршня. Балон, що містить рідину, повинен бути міцним, щоб не лопнути. Якби ви замінили рідину металевим стрижнем і наклали на неї поршневу силу, стінки циліндра нічого б не відчули.