Spiediens

Spiediens ir perpendikulārais spēks, kas iedarbojas uz virsmas laukuma vienību. SI spiedienu mēra ņūtonos uz kvadrātmetru, jeb paskālos. 1 Pa = 1N/m². Parasti spiedienu mēra arī atmosfērās, kas ir apmēram Zemes atmosfēras spiediens jūras līmenī, un ir 101325 Pa. Plaši lieto arī citas spiediena mērvienības:

• bārs (bar) - 100000 Pa
• tehniskā atmosfēra (at) - 1kg/cm² - 98066 Pa
• fizikālā atmosfēra (atm) - 101325 Pa (parasti ar atmosfēru saprot šo)
• tors (dzīvsudraba staba milimetrs) (mm Hg) - 133,322 Pa - lieto gaisa spiediena mērīšanai meteoroloģijā
• mārciņa uz kvadrātcollu (psi)(pound/square inch) - 6894,76 Pa - lieto ASV un citur, kur attālumu mēra collās, un masu – mārciņās.

Spiedienu var mērīt attiecībā pret spiedienu, kas atbilst absolūtam vakuumam, vai arī no līmeņa, kas atbilst atmosfēras spiedienam. Mērot pret vakuumu iegūst absolūto spiedienu. Mērot spiedienu virs 1 atmosfēras, iegūst virsspiedienu. Spiedienu mēra ar manometriem. Manometri parasti rāda virsspiedienu.

Gāzu maisījumos, kādas noteiktas komponentes daudzumu dažreiz izsaka kā parciālo spiedienu. Tas ir gāzes moldaļas reizinājums ar kopējo gāzu maisījuma spiedienu. Šis parametrs ir ekvivalents koncentrācijai šķidros šķīdumos.

Atmosfēras spiediens.

Spiediens ir vienāds ar spēku, ar kādu ciets ķermenis, šķidrums vai gāze spiež perpendikulāri uz atbalsta virsmas laukuma vienību. Spiediena vienība ir paskāls (Pa) – Ņūtons uz kvadrtātmetru.

P=F/S P – spiediens F – spēks S – atbalsta virsmas laukums Viss, kas atrodas uz Zemes, ir pakļauts atmosfēras spiedienam. Spiediena lielumu uz Zemes virsmas nosaka gaisa masa virs mums. Atmosfēras spiediens jūras līmenī ir līdzvērtīgs vairāk nekā 10 t smagai kravai, kas nolikta uz 1 m2 liela atbalsta. Ķermenis neizkustas no vietas un turpina atrasties līdzsvarā, it kā nedz gaiss, nedz ūdens to nespiestu. Šādos apstākļos ķermeni aptverošās vides, piemēram, gaisa vai ūdens spiedienu sauc par statisko spiedienu. Atmosfērā tas ir aerostatiskais spiediens, ūdenī – hidrostatiskais spiediens. Spiedienu mēdz mērīt ne tikai paskālos, bet arī citās vienībās, piemēram, dzīvsudraba staba milimetros (mmHg) vai atmosfērās (atm). Vienības salīdzina izmantojot šādas sakarības: 1 atm = 101 325 Pa, 1 mmHg = 133.3 Pa 1 Pa = 0.0075 mmHg Zemes atmosfēra ir ap Zemi esošais gāzu apvalks, ko Zemes tuvumā notur gravitācijas spēks. Atmosfēra Zemes virsmas tuvumā sastāv galvenokārt no šādām gāzēm: slāpeklis - 78% skābeklis - 21% argons - 0,93% oglekļa dioksīds - 0,04% kā arī no daudz mazāka daudzuma citu gāzu. Atmosfērā vidēji ap 3% veido arī ūdens tvaiks. Šo gāzu sajaukumu ikdienā sauc par gaisu. Absorbējot daļu Saules radiācijas un izlīdzinot dienas un nakts temperatūras starpību atmosfēra sargā Zemes dzīvību. Tā kalpo arī par organismiem nepieciešamo gāzu - skābekļa un ogļskābās gāzes - piegādātāju un par svarīgu ūdens cikla vides daļu. Atmosfēras vidējā temperatūra pie Zemes virsmas ir 14 °C. Kopējā atmosfēras masa ir ap 5 148 triljoni tonnu. Daltona likums: Gāzu maisījuma spiediens ir maisījumā esošo gāzu parciālspiedienu summa. P = p1+p2+...+pn-1+pn P – gāzi maisījuma spiediens p1; p2; pn-1; pn – gāzu maisījuma parciālspiedieni

Hidrotatiskais spiediens šķidrumā.

Līdzīgi kā gaisā, spiediens pastāv arī vaļējās ūdenstilpnēs – traukos, upēs un ezeros, jūrās un okeānos. Pirmkārt, vaļēja tilpuma ūdens virsmu vienmēr noslogo ārējais – atmosfēras spiediens Patm. Protams, slēgtos traukos uz šķidrumu var darboties arī citāds ārējais spiediens, ko izraisa nevis atmosfēra, bet citi cēloņi. Kopējais spiediens vaļējā ūdenstilpnē ir atmosfēras un šķidruma spiedienu summa. P = Patm+ρšķG H Patm – atmosfēras spiediens ρšķ – šķīduma blīvums g- brīvās krišanas paātrinājums H _ šķidruma staba augstums Savienoto trauku principu un Paskāla likumu izmanto hidrauliskajos mehānismos. To uzdevums ir spiediena pārvadīšana, lai izraisītu lielu spēku vajadzīgajā vietā. Tā, piemēram, darbojas hidrauliskie pacēlāji un transporta līdzekļu hidrauliskās bremzes. Dabā un tehnikā sastopamies ar ļoti plaša diapazona spiedieniem. Automašīnu riepu vai paldierīču kamerās spiedienu. Uzglabājot gāzes, tās iepriekš sašķidrina un iepilda rezervuāros, kuros spiediens desmitiem un pat simtiem reižu pārsteidz atmosfēras spiedienu.

Šķidruma un gāzes plūsma.

Šķidrumu un gāzu plūšana daudzējādā ziņā notiek līdzīgi. Būtiskākā atšķirība ir tā, ka šķidrumi salīdzinājumā ar gāzēm ir daudz mazāk saspiežami. Tāpēc bieži vien pieņem, ka šķidruma blīvums nemainās atkarībā no tecēšanas ātruma un citiem apstākļiem.

Šādos gadījumos runā par nesaspiežamiem šķidrumiem.

Nesaspiežamu šķidrumu un gāzu plūsmu raksturošanai izmanto ģeometrisku priekštatu par plūsmu līnijām. Tās ir iedomātas līnijas, pa kurām var izsekot šķidruma daļiņu kustībai, ar to sablīvēšanos vai samazināšanos.. Plūsmas līnijas norāda ne tikai daļiņu kustības virzienu. Ja plūsmas līnijas tek viena otrai līdzās, veidojot savstarpēji parapēlus slāņus, tad tā ir lamināra plūsma. Ja līniju līdzās tecējums zūd un parādās līniju virpuļi, tad plūsma ir turbulenta. Kopumā tas, vai šķidrums un gāze plūst lamināri vai turbulenti, ir atkarīgs no daudziem apstākļiem – no cauruļvada vai šķēršļa izmēriem, šķidruma vai gāzes viskozitātes. Taču noteicošais ir plūsmas ātrums. Kamēr ātrums nepārsniedz noteiktu kritisko robežu, plūsma ir līdzena – lamināra. Ātrumam klūstot lielākam par kritisko robežu, plūsmas īpašības, piemēram, būtiski pieaug pretestības spēks, ar kuru šķidrums darbojas uz ķermeņiem u.tml.

Šķidruma un gāzes plūsmas ātrums.

Pa cauruļvadu tekošā šķidrumā, piemēram, ūdensvadā plūsmas ātrums mainās atkarībā no caurules šķērsgriezuma laukuma. Vietās, kur caurule sašaurinās, plūsmas ātrums, pieaug, bet vietās, kur caurule ir platāka ātrums samazinās. Šķidruma vai gāzes plūsmas ātrumu attiecība ir vienāda ar apgrieztu šīs plūsmas šķērsgriezuma laukumu attiecību. v_1/v_2 =S_2/S_1 v_1; v_1 – plūsmas ātrumi caurules šķērsgriezumos S_1; S_2– caurules šķērsgriezumi

Spiediens šķidruma un gāzes plūsmā.

Šķidruma vai gāzes tecēšana izraisa spiediena maiņu tajā. Tā notiek gan ūdenim vai naftai plūstot pa cauruļvadiem, gan arī atklātā upes straumē vai atmosfēras vējos, kuru ātrums dažādos augstumos ir atšķirīgs. Šādos apstākļos uzsvērtu to, ka spiedienu mēra kustībā esošā vidē, runā par dinamisko spiedienu. Šķidrumā tas ir hidrodinamiskais spiediens, gāzē – aerodinamiskais spiediens. Dinamisko spiedienu starpību nosaka, izmantojot jau kopš 18. gs vidus pazīstamo Daniela Bernulli likumu: Dažādos līmeņos h1 un h2, kur šķidruma vai gāzes plūsmas ātrumi ir v1 un v2, pastāvošos spiedienus p1 un p2 sasita vienādojums

p₁ + (ρv^₁2)/2 + ρgh₁ = p₂ + (ρv^₂2)/2 + ρgh₂ p1;p2 – spiediena slāņos v1; v2 – slāņu plūsmas ātrumi h1; h2 – slāņu augstumi ρ – šķidruma vai gāzes blīvums g – brīvās krišanas paātrinājums

Viens no Bernulli likuma būtiskiem secinājumiem ir tas, ka, pieaugot plūsmas ātrumam v, dinamikas spiediens p kļūst mazāks. Uz ķermeņiem, kas kustas gaisā vai ūdenī, spiediena samazināšanāas izpaužas kā spēks. Tāds, piemēram, ir lidmašīnu vai kuģu spārnu cēlējspēks. Spārna profilu veido tā lai to aptekošās gaisa vai ūdens plūsmas ātrums virspusē būtu lielāks nekā apakšpusē. Rezultātā spiediens zem spārna kļūst lielāks nekā virs tā. Spiedienu starpība izraisa augšup vērstu cēlējspēku – spēku, kas vērsts pretēji smaguma spēkam un spēj to līdzsvarot.

Šķidruma virsmas spraigums.

Parasti šķidrumam traukā ir brīvā virsma, kas to norobežo no virspusē vienmēr esošās gāzes. Vairumā gadījumu tas ir atmosfēras gaiss, kurā vienmēr ir arī šķidruma tvaiki. Uz robežas starp šķidrumu un gāzi šķidruma molekulas atrodas citādos apstākļos nekā šķidruma dziļumā. Dziļumā šķidruma molekulai uz šķidruma molekulu no visām pusēm aptver tādi paši „kaimiņi”. Turpretī molekulai uz šķidruma brīvās virsmas „kaimiņi” atšķiras – augšpusē ir gāze, apakšpusē šķidrums. Pats šķidrums savu virsslāni it kā velk sev klāt un tādejādi nospriego savu virsmu. Šo parādību sauc par virsmas spriegumu.

Lielākais un mazākais spiediens.

Lielākais barometriskais spiediens, kas jebkad ir reģistrēts uz zemes ir 820.673 990 48 mmHg(109.4 kPa), piefiksēts Agatā, P.S.R.S. 31.12.1968. Agata atrodas ziemeļ-Sibīrijā. Laiks bija skaidrs un ļoti auksts ar t° no -40°C līdz -58°C. Mazākais spiediens, kas jebkad ir noteikts ir 652.525 992 43 mmHg (87 kPa), reģistrēts 12.10.1979, viesuļvētras Tip laikā, rietumos Klusajā okeānā. Noteiktais spiediens ir balstīts uz izlūklidmašīnas reģistrētajiem novērojumiem.