Ciśnienie, ciśnienie hydrostatyczne i prawo Pascala

Ciśnienie hydrostatyczne – ciśnienie, jakie panuje na pewnej głębokości w cieczy niebędącej w ruchu, która znajduje się w polu grawitacyjnym. Analogiczne ciśnienie w gazie określane jest mianem ciśnienia aerostatycznego. Jednostką ciśnienia hydrostatycznego jest (w układzie SI) paskal (Pa). Ciśnienie to oblicza się ze wzoru

gdzie

– gęstość cieczy – w układzie SI w kg/m³

– przyspieszenie ziemskie (grawitacyjne) – w układzie SI w m/s²

– głębokość zanurzenia w cieczy (od poziomu zerowego) – w układzie SI w metrach (m).

Grawitacja w przypadku obu rodzajów ciśnień – hydrostatycznego i aerostatycznego – wywołuje zmianę ciśnienia w zależności od głębokości – im niżej tym większe ciśnienie. Jest ono skutkiem nacisku (ciężaru) ze strony słupa płynu położonego nad punktem pomiaru – im wyższy słup, typ większy nacisk. Np. na Ziemi ciśnienie w wodzie (ciśnienie hydrostatyczne) zwiększa się co 10 m o jedną atmosferę techniczną. Ciśnienie powietrza na poziomie morza jest równe atmosferze fizycznej, jest ona w przybliżeniu równa atmosferze technicznej. Wynika stąd, że ciężar słupa powietrza nad powierzchnią ziemi jest w przybliżeniu równy ciężarowi słupa wody o wysokości 10 m (10 ton wody na metr kwadratowy).

Jeżeli uwzględni się zarówno ciśnienie zewnętrzne, jak i ciśnienie hydrostatyczne, wówczas całkowite ciśnienie w płynie wyraża wzór:

gdzie:

– zewnętrzne ciśnienie wywierane na ciecz na poziomie uznanym za zerowy (h = 0). Dla zbiorników otwartych jest to ciśnienie atmosferyczne na powierzchni cieczy (w warunkach normalnych 1013 hPa).

BLAISE PASCAL- ur. 1623r., zm. 1662r. Francuski matematyk, fizyk, filozof i pisarz. Przyczynił się do rozwoju hydromechaniki, matematyki i fizyki. Sformułował między innymi prawo Pascala dotyczące ciśnienia w cieczach, a także matematyczny trójkąt Pascala.

Prawo Pascala, jest jednym z podstawowych praw hydrostatyki: Ciśnienie zewnętrzne przenoszone jest w płynie znajdującym się w zamkniętym naczyniu jednorodnie we wszystkich kierunkach. W statycznym płynie siła jest przenoszona z prędkością dźwięku i działa prostopadle na całą powierzchnię ograniczającą płyn lub wyróżnioną wewnątrz niego. Zasadę tę wykorzystuje się w podnośniku hydraulicznym, oponie pneumatycznej i podobnych urządzeniach. Prawo odkryte w 1647 r.

W gazach i cieczach ciśnienie działa jednakowo we wszystkich kierunkach. 

Pascal udowodnił także, że ciśnienie atmosferyczne zależy od wysokości nad powierzchnią ziemi, ponieważ z wysokością maleje ciężar słupa powietrza równoważącego ciężar cieczy w rurce Torricellego. We wrześniu 1648 obmyślone przez niego doświadczenie wykonał jego szwagier, Florin Périer, wspinając się z rurką na Puy-de-Dôme, szczyt o wysokości ponad 1000 m.

Ciśnienie wywierane przez atmosferę nazywamy ciśnieniem atmosferycznym, jest to ciężar warstwy powietrza znajdującego się nad jednostkową powierzchnią. Zależy ono od szerokości geograficznej, wysokości nad poziomem morza (spadek ciśnienia atmosferycznego, na każde 10.5 m. w górę przypada spadek ciśnienia atmosferycznego ok. 1.3 hPa.) oraz temperatury. W przekroju pionowym największą wartość ciśnienia notuje się przy powierzchni ziemi i obniża się ono wraz z wysokością. Dawniej ciśnienie atmosferyczne mierzono w milimetrach słupa rtęci (mm Hg). Ciśnienie normalne na poziomie morza, w temperaturze 0 stopni C, na 45 stopniach szerokości geograficznej północnej równoważy słup rtęci przekroju 1 cm kwadratowy i wysokości 760 mm. W obecnie obowiązującym układzie SI jednostkę ciśnienia atmosferycznego stanowi

Pascal (Pa). Ponieważ wartości podawane w Pascalach byłyby bardzo duże, to wartości ciśnienia atmosferycznego podaje się hektopaskalach (1 hPa= 100Pa). Zależność pomiędzy starsza a nowszą jednostką jest następująca: 750mm Hg= 1000 hPa. A zatem ciśnienie normalne na poziomie morza wynosi 1013,25 hPa.

W Polsce dominuje nieregularna zmienność ciśnienia atmosferycznego, co jest związane z wędrującymi ze wschodu na zachód układami niskiego ciśnienia ( wahania te mogą wynosić ok. 15hPa, w stosunkowo krótkim czasie.

OBNIŻONE CIŚNIENIE
Oddziaływanie obniżonego ciśnienia na organizm człowieka zależy od:
-wysokości wzniesienia ponad poziom morza
-szybkości, z jaką następuje spadek ciśnienia
-czasu pobytu w obniżonym ciśnieniu

PODWYŻSZONE CIŚNIENIE
Podwyższone ciśnienie atmosferyczne oddziaływuje na ludzi nurkujących w wodzie, pracujących kesonach. W miarę wzrostu ciśnienia wdychanego powietrza zwiększa się rozpuszczalność gazów w płynach ustrojowych i tkankach ( zwłaszcza tłuszczowej)

W płynach ciśnienie statyczne (hydrostatyczne) spowodowane przez siłę ciężkości jest równe ciężarowi słupa płynu na podstawie 1cm².

Wielkość ciśnienia hydrostatycznego zależy od głębokości, wzrasta o 1 at na każde dziesięć metrów głębokości, (czyli 1at = 981hPa)

Jednostki ciśnienia:

• Pascal: 

Pa = N / m²[SI] 

• Atmosfera - odpowiada ciśnieniu atmosferycznemu na poziomie morza: 

at = kG / cm² = 9,81N/0,0001m²981*10²Pa=981 hektopaskali 

- metr słupa wody - czyli ciśnienie hydrostatyczne panujące w wodzie na głębokości 1m: 

msw = 0,1at = 98,1 hektopaskala

Do mierzenia ciśnienia atmosferycznego używane są barometry. Najczęściej używane są barometry rtęciowe, hydrostatyczne, obciążnikowo- tłokowe, aneroidalne(sprężynowe) i inne. W barometrze aneroidalnym płaskie cylindryczne metalowe pudełko z próżnią w środku zwiększa lub zmniejsza wymiary przy zmianie ciśnienia. W barometrze rtęciowym ciśnienie słupa rtęci w szklanej rurce o wys. 75cm(zamkniętej z jednej strony i wygiętej z drugiej strony) jest zrównoważone przez ciśnienie atmosferyczne ze strony otwartej-zmianę ciśnienia odzwierciedla zmiana wysokości słupa rtęci. Barometr wyposażony w urządzenie rejestrujące jest zwane barografem. Pisak, sterowany ruchem barometru rysuje linię ciągłą na papierowej taśmie nawiniętej na obracający się cylinder. Zebrane dane służą do opracowywania prognoz pogody.

Źródła:

• wielka ilustrowana encyklopedia powszechna wydawnictwa Gutenberga, KRAKÓW

• encyklopedia multimedialna

• czasopismo „Świat Wiedzy”

• J. Zambrzycki „Podstawy teorii z zadaniami”, Elan, Białystok 1996