Trykk i væsker

Trykk forteller hvor konsentrert en kraft virker over et areal. I en væske i ro virker trykket i alle retninger og øker med dybden fordi dypere lag bærer mer væske over seg.

Trykk er kraft per areal

p = F⊥/A   og 1 Pa = 1 N m−2

Bare kraftkomponenten vinkelrett på flaten bidrar direkte til trykket. Samme kraft på et mindre areal gir større trykk; derfor trenger en skarp nål lettere gjennom enn en butt gjenstand. I en væske i ro har trykket i et punkt ingen foretrukket retning: en liten flate opplever en normalkraft uansett orientering.

Trykk er dermed et skalarfelt, ikke én bestemt kraftvektor. Retningen til trykkraften bestemmes av normalen til flaten. På en krum flate peker trykkreftene i mange retninger, noe som er viktig for både oppdrift og trykkbeholdere.

Trykket øker med dybden

I en væske i ro med tilnærmet konstant tetthet øker trykket lineært med dybden. Punkter på samme dybde i samme sammenhengende væske har samme trykk. For tetthet ρ og dybde h er trykkforskjellen fra overflaten Δp = ρgh, slik at p = p₀ + ρgh. Resultatet avhenger av dybde, tetthet og tyngdeakselerasjon, ikke av beholderens form.

overflatestørre dybdetrykk øker
Hydrostatisk trykk øker med dybden. Lengre piler nederst viser større trykkraft på like store flater.

Trykk med dybde

Beregn overtrykket Δp = ρgh for en væske i ro.

Overtrykk og absolutt trykk

Absolutt trykk måles i forhold til vakuum. Overtrykk måles i forhold til det lokale atmosfæretrykket. Når en dekkmåler viser 220 kPa, betyr det omtrent 220 kPa over atmosfæretrykket, ikke 220 kPa absolutt.

Pascals prinsipp og hydraulikk

En trykkendring i en innelukket, nesten inkompressibel væske overføres gjennom væsken. For stempler i samme høyde gir et ideelt hydraulisk system F₁/A₁ = F₂/A₂. Et større stempel kan derfor gi større kraft, men det beveger seg kortere. Det skapes ikke gratis energi: ideelt er F₁d₁ = F₂d₂.

lite stempelstort stempelsamme trykkendring
Hydraulikk bytter vei mot kraft. Det lille stempelet beveger seg lenger, mens det store kan levere større kraft.

Hva den enkle dybdeformelen forutsetter

Relasjonen p = p₀ + ρgh forutsetter en væske i ro og omtrent konstant tetthet. Den fungerer svært godt for moderate dybder i væsker. For gasser over store høydeforskjeller varierer tettheten betydelig og en mer fullstendig modell trengs.

Strømmende væsker har i tillegg kinetiske effekter. Langs en strømlinje for stasjonær, inkompressibel strømning med neglisjerbar viskositet kobler Bernoullis ligning sammen trykk, fart og høyde: p + ½ρv² + ρgy = konstant. Dette betyr ikke at «større fart alltid gir lavere trykk» i enhver strømning; forutsetningene og punktene som sammenlignes må passe.

Regneeksempler

1. Kraft på et lite areal

En kraft på 600 N fordeles jevnt over 0,020 m². Hvilket trykk oppstår?

Løsning

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

2. Vanntrykk på dybde

Finn overtrykket 12 m under overflaten i ferskvann med ρ = 1000 kg m⁻³.

Løsning

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

3. Hydraulisk løfter

Et lite stempel har areal 4,0 cm² og et stort 200 cm². Hvis 80 N virker på det lille stempelet, hva er den ideelle utgangskraften?

Løsning

F₂ = 80 × (200/4,0) = 4000 N. I virkelige systemer tapes noe energi til friksjon og væskeeffekter.

Se sammenhengen: Mekanikk, varme og fluider