Pressió en fluids

La pressió descriu com es distribueix una força normal sobre una superfície. En un fluid en repòs actua en totes direccions i augmenta amb la profunditat, perquè les capes més profundes han de sostenir més fluid per sobre.

La pressió és força per unitat d’àrea

p = F⊥/A i 1 Pa = 1 N m⁻².

Només la component perpendicular a la superfície contribueix directament a la pressió. La mateixa força aplicada sobre una àrea més petita produeix més pressió. La pressió és una magnitud escalar; la direcció de la força sobre una superfície ve determinada per la normal a aquella superfície.

En un fluid en repòs, la pressió en un punt no té una direcció privilegiada: qualsevol petita superfície rep una força normal proporcional a la seva àrea. En una superfície corba, les normals canvien de direcció, de manera que les forces de pressió poden sumar-se en una resultant que no és evident a simple vista.

superfíciepressió menorpressió majorprofunditat h
Δp = ρgh.

La pressió augmenta amb la profunditat

En un líquid de densitat aproximadament constant, Δp = ρgh i, si la superfície està a pressió p₀, p = p₀ + ρgh. El resultat depèn de la profunditat vertical, no de la forma del recipient.

Aquesta relació prové de l’equilibri entre el pes d’una columna de fluid i la diferència de forces de pressió entre la seva part superior i inferior.

En un mateix fluid connectat i en repòs, dos punts a la mateixa cota tenen la mateixa pressió. Aquesta propietat explica els vasos comunicants i evita l’error de pensar que un recipient més ample crea, per si sol, més pressió al mateix nivell.

Calculadora de pressió amb la profunditat

Increment de pressió =

Pressió manomètrica i pressió absoluta

La pressió manomètrica mesura la diferència respecte de la pressió atmosfèrica local. La pressió absoluta té com a zero el buit ideal. Per això un manòmetre pot indicar 0 kPa encara que la pressió absoluta sigui aproximadament una atmosfera.

pistó petitpistó granmateixa pressió
F₁/A₁ = F₂/A₂.

Principi de Pascal i sistemes hidràulics

En un fluid confinat, un increment de pressió es transmet a tot el fluid. En un sistema ideal, F₁/A₁ = F₂/A₂. Una àrea de sortida més gran permet una força més gran, però no crea energia: el pistó petit ha de recórrer una distància proporcionalment més gran.

Què pressuposa la fórmula simple de profunditat

La forma ρgh suposa un fluid en repòs i una densitat aproximadament constant. En gasos al llarg de grans diferències d’altura, la densitat pot variar de manera important.

En un flux ideal estacionari apareix la relació de Bernoulli p + ½ρv² + ρgy = constant. No significa que «més velocitat» impliqui sempre «menys pressió» sense considerar les hipòtesis i els punts que es comparen.

La relació hidrostàtica i Bernoulli responen a problemes diferents: la primera descriu equilibri; la segona relaciona pressió, velocitat i altura al llarg d’un flux ideal. Viscositat, turbulència, bombes o pèrdues de càrrega exigeixen termes addicionals.

Exemples resolts

Força sobre una àrea petita

Una força de 600 N es reparteix uniformement sobre 0,020 m². Quina pressió produeix?

Solució

p = 600/0,020 = 3,0 × 10⁴ Pa = 30 kPa.

Pressió de l’aigua en profunditat

Calcula la pressió manomètrica 12 m sota la superfície d’aigua dolça, amb ρ = 1000 kg m⁻³.

Solució

Δp = 1000 × 9,81 × 12 = 1,18 × 10⁵ Pa, aproximadament 118 kPa.

Elevador hidràulic

Un pistó petit té 4,0 cm² i un de gran 200 cm². S’hi apliquen 80 N. Quina força ideal surt?

Solució

F₂ = 80 × (200/4,0) = 4000 N. En un sistema real hi ha pèrdues per fricció i efectes del fluid.