Tlak v tekočinah

Tlak je sila na enoto površine

Osnovna definicija je p = F⊥/A, enota SI pa pascal: 1 Pa = 1 N/m². Pomembna je komponenta sile pravokotna na površino, zato ista sila na manjši površini povzroči večji tlak.

Tlak je skalarna količina. Smer sile na določeno površino določa normala te površine; samo tlačno polje v mirujoči tekočini nima prednostne smeri.

Zakaj tlak narašča z globino

Za tekočino s skoraj konstantno gostoto velja Δp = ρgh, zato p = p_surface + ρgh. Rezultat je odvisen od gostote ρ, gravitacijskega pospeška g in globine h, ne od oblike posode.

Točke na isti globini v isti povezani mirujoči tekočini imajo enak tlak, če zanemarimo majhne površinske učinke. Tlačni gradient je vzrok številnih sil v tekočinah.

Nadtlak in absolutni tlak

Absolutni tlak merimo glede na vakuum, nadtlak pa glede na lokalni atmosferski tlak. Merilnik pnevmatike z 220 kPa navadno pomeni 220 kPa nad atmosfero, ne 220 kPa absolutno.

Pri računu moramo preveriti, katero vrsto tlaka uporabljamo. Če nadtlaku prištejemo atmosferski tlak, dobimo absolutni tlak, če se vrednosti nanašajo na iste razmere.

Pascalovo načelo in hidravlika

Sprememba tlaka v zaprti skoraj nestisljivi tekočini se prenaša skozi tekočino. Za idealna bata na isti višini velja F₁/A₁ = F₂/A₂, zato večji bat lahko daje večjo silo.

Energija pa ne nastane iz nič: manjši bat mora opraviti večjo pot. V idealnem sistemu sta vhodno in izhodno delo enaka, realni sistemi pa imajo izgube zaradi trenja in toka.

Kdaj preprosta zveza ni dovolj

Zveza p = p₀ + ρgh predpostavlja mirujočo tekočino in skoraj konstantno gostoto. Pri plinih na velikih višinskih razlikah se gostota spremeni in potrebujemo popolnejši model.

Pri toku lahko ob ustreznih predpostavkah uporabimo Bernoullijevo enačbo p + ½ρv² + ρgy = const. To ne pomeni, da večja hitrost vedno povzroči manjši tlak v vsakem toku; pomembne so predpostavke in primerjane točke.

Preverjanje velikostnega reda

V vodi tlak naraste približno za 9,8 kPa na meter globine. Ta ocena hitro pokaže napako v enotah ali velikostnem redu.

Če izračunana razlika tlaka ni odvisna od gostote ali globine, se vrnite k Δp = ρgh in preverite vstavljene podatke.

Merjenje tlaka v praksi

Barometer meri atmosferski tlak, diferenčni manometer razliko tlakov, absolutni senzor pa rezultat primerja z vakuumom. Izbira merilnika mora zato ustrezati temu, ali enačba zahteva p_abs, nadtlak ali Δp.

V tekočem sistemu je pomembno tudi mesto meritve. Lokalno spremembo tlaka lahko povzročijo viskoznost, zožitev, črpalka ali sprememba višine, zato ene številke ne smemo razlagati brez geometrije in stanja toka.

Rešeni primeri

1. Voda na globini 12 m

2. Sila 600 N na 0,020 m²

3. Hidravlično dvigalo