Тиск описує, як сила розподіляється на площу, на яку вона діє. Те саме навантаження може спричинити величезний тиск, коли діє на малу ділянку, або незначний, коли розподіляється на великій площі. У цій статті ми пояснюємо формулу тиску, одиниці СІ та показуємо обчислення на прикладі.
Формула тиску
Тиск, який позначають літерою p, обчислюємо, ділячи силу тиску на площу, на яку вона діє:
- p = F / S — тиск дорівнює силі поділеній на площу
- F = p × S — сила дорівнює тиску помноженому на площу
- S = F / p — площа дорівнює силі поділеній на тиск
Важливо, щоб сила діяла перпендикулярно до площі.
Одиниці СІ
У системі СІ тиск вимірюємо в паскалях (Па):
- Сила F — ньютон (Н)
- Площа S — квадратний метр (м²)
- Тиск p — паскаль (Па), де 1 Па = 1 Н/м²
На практиці використовують більші одиниці: 1 кПа = 1000 Па, а 1 гПа (гектопаскаль) = 100 Па. Атмосферний тиск становить близько 1013 гПа.
Чому мала площа дає великий тиск?
Що менша площа, на яку діє та сама сила, то більший тиск. Тому гострий ніж ріже легше за тупий, а людина на лижах не провалюється у сніг, хоч без лиж провалилася б. Лижі розподіляють вагу на більшу площу, зменшуючи тиск.
Приклад обчислення
Ящик тисне на підлогу силою F = 800 Н, а його основа має площу S = 2 м². Обчислюємо тиск.
- Застосовуємо формулу p = F / S.
- Підставляємо: p = 800 Н / 2 м².
- Обчислюємо: p = 400 Па.
Ящик чинить на підлогу тиск 400 паскалів.
Вплив зміни площі
Якби той самий ящик стояв на меншій основі площею 0,5 м², тиск становив би: p = 800 / 0,5 = 1600 Па. Площа зменшилася вчетверо, а тиск зріс учетверо. Це показує обернену пропорційність між площею та тиском.
Другий приклад: сила з тиску
Поршень площею S = 0,01 м² діє під тиском p = 200 000 Па (200 кПа). Обчислюємо силу тиску.
- Застосовуємо формулу F = p × S.
- Підставляємо: F = 200 000 × 0,01.
- Обчислюємо: F = 2000 Н.
Поршень чинить силу 2000 ньютонів. На цьому принципі працюють гідравлічні системи, у яких малий тиск на великій площі дає величезну силу.
Закон Паскаля
Тиск, що чиниться на замкнену рідину, поширюється в ній рівномірно в усіх напрямках. Це закон Паскаля, на якому ґрунтується дія гідравлічних пресів, підіймачів і гальмівних систем. Завдяки йому невелика сила, прикладена до малого поршня, може створити величезну силу на великому поршні, якщо тиск у рідині залишається однаковим. Співвідношення сил дорівнює співвідношенню площ обох поршнів, що дозволяє багаторазово збільшити силу за збереження того самого тиску.
Одиниці тиску поза системою СІ
Окрім паскаля, на практиці трапляються інші одиниці тиску, залежно від галузі. В автомобільних шинах подають бари (1 бар = 100 000 Па) або фунти на квадратний дюйм (psi). Кров'яний тиск вимірюють у міліметрах ртутного стовпа (мм рт. ст.), а погоду описують у гектопаскалях. Під час фізичних обчислень завжди варто звести значення до паскалів, щоб зберегти узгодженість формул. Знання перерахунків полегшує порівняння даних із різних джерел.
Гідростатичний тиск
У рідині додатково виникає гідростатичний тиск, що залежить від глибини. Його обчислюють за формулою p = ρ × g × h, де ρ — густина рідини, g — прискорення вільного падіння, а h — глибина. Тому тиск зростає із зануренням, що відчувають водолази.
Найпоширеніші помилки
- Площа в см² замість м² — 1 м² — це 10 000 см², тому помилка сильно спотворює результат.
- Плутання сили з масою — у формулу підставляємо силу в ньютонах, а не масу в кілограмах.
- Неперпендикулярна сила — формула передбачає тиск перпендикулярно до площі.
- Плутання паскалів із гектопаскалями — 1 гПа — це 100 Па, що має значення для атмосферного тиску.
Найчастіші запитання
- Чому дорівнює атмосферний тиск? У середньому близько 1013 гПа, тобто 101 300 Па на рівні моря.
- Чому шини мають високий тиск? Бо мала площа контакту з дорогою має витримати вагу транспортного засобу, що потребує великого тиску всередині.
- Як тиск залежить від глибини? Зростає лінійно з глибиною за формулою p = ρ × g × h.
Підсумок
Тиск p = F / S — це сила, що припадає на одиницю площі, виражена в паскалях. Що менша площа, то більший тиск за тієї самої сили. Стежте за одиницями СІ, особливо за переведенням квадратних сантиметрів у квадратні метри.
Переведіть і обчисліть тиск: Перетворювач тиску →