Tlak u fluidima

Tlak je sila po jedinici površine

Osnovna definicija je p = F⊥/A, a SI jedinica je paskal: 1 Pa = 1 N/m². Važna je komponenta sile okomita na površinu, pa ista sila na manjoj površini stvara veći tlak.

Tlak je skalarna veličina. Smjer sile na određenu površinu određuje njezina normala; samo polje tlaka u mirujućem fluidu nema povlašten smjer.

Zašto tlak raste s dubinom

Za tekućinu gotovo stalne gustoće vrijedi Δp = ρgh, pa je p = p_surface + ρgh. Rezultat ovisi o gustoći ρ, gravitacijskom ubrzanju g i dubini h, a ne o obliku posude.

Točke na istoj dubini u istoj povezanoj mirujućoj tekućini imaju isti tlak ako zanemarimo male površinske učinke. Gradijent tlaka uzrok je mnogih sila u fluidima.

Nadtlak i apsolutni tlak

Apsolutni tlak mjeri se prema vakuumu, a nadtlak prema lokalnom atmosferskom tlaku. Mjerač gume koji pokazuje 220 kPa obično znači 220 kPa iznad atmosfere, a ne 220 kPa apsolutno.

U računu treba provjeriti koju vrstu tlaka koristimo. Dodavanjem atmosferskog tlaka nadtlaku dobiva se apsolutni tlak ako se vrijednosti odnose na iste uvjete.

Pascalovo načelo i hidraulika

Promjena tlaka primijenjena na zatvoreni gotovo nestlačivi fluid prenosi se kroz fluid. Za idealne klipove na istoj visini vrijedi F₁/A₁ = F₂/A₂, pa veći klip može dati veću silu.

Energija se pritom ne stvara: manji klip mora prijeći veću udaljenost. U idealnom sustavu ulazni i izlazni rad jednaki su, dok realni sustavi imaju gubitke trenja i strujanja.

Kada jednostavna veza nije dovoljna

Veza p = p₀ + ρgh pretpostavlja fluid u mirovanju i gotovo stalnu gustoću. Kod plinova na velikim razlikama visine gustoća se mijenja i potreban je potpuniji model.

Za strujanje se pod odgovarajućim pretpostavkama može koristiti Bernoullijeva jednadžba p + ½ρv² + ρgy = const. To ne znači da veća brzina uvijek znači manji tlak u svakom toku; važne su pretpostavke i točke koje uspoređujemo.

Provjera reda veličine

U vodi tlak raste približno 9,8 kPa po metru dubine. Ta procjena brzo otkriva pogrešku jedinica ili reda veličine.

Ako izračunata razlika tlaka ne ovisi o gustoći ili dubini, vratite se na Δp = ρgh i provjerite podatke.

Mjerenje tlaka u praksi

Barometar mjeri atmosferski tlak, diferencijalni manometar razliku tlakova, a apsolutni senzor uspoređuje vrijednost s vakuumom. Zato izbor instrumenta mora odgovarati tome treba li jednadžba p_abs, nadtlak ili Δp.

U sustavu koji struji važno je i mjesto mjerenja. Lokalnu promjenu tlaka mogu uzrokovati viskoznost, suženje, pumpa ili promjena visine, pa jednu vrijednost ne treba tumačiti bez geometrije i stanja strujanja.

Riješeni primjeri

1. Voda na dubini 12 m

2. Sila 600 N na 0,020 m²

3. Hidraulična dizalica