Представьте себе заполненный воздухом герметичный цилиндр, с установленным сверху поршнем. Если начать давить на поршень, то объем воздуха в цилиндре начнет уменьшаться, молекулы воздуха станут сталкиваться друг с другом и с поршнем все интенсивнее, и давление сжатого воздуха на поршень возрастет.
Если поршень теперь резко отпустить, то сжатый воздух резко вытолкнет его вверх. Это произойдет потому, что при неизменной площади поршня увеличится сила, действующая на поршень со стороны сжатого воздуха. Площадь поршня осталась неизменной, а сила со стороны молекул газа увеличилась, соответственно увеличилось и давление.
Или другой пример. Стоит человек на земле, стоит обеими стопами. В таком положении человеку комфортно, он не испытывает неудобств. Но что случится, если этот человек решит постоять на одной ноге? Он согнет одну из ног в колене, и теперь будет опираться на землю только одной стопой. В таком положении человек ощутит определенный дискомфорт, ведь давление на стопу увеличилось, причем примерно в 2 раза. Почему? Потому что площадь, через которую теперь сила тяжести придавливает человека к земле, уменьшилась в 2 раза. Вот пример того, что такое давление, и как легко его можно обнаружить в обычной жизни.
С точки зрения физики, давлением называют физическую величину, численно равную силе, действующей перпендикулярно поверхности на единицу площади данной поверхности. Поэтому, чтобы определить давление в некоторой точке поверхности, нормальную составляющую силы, приложенной к поверхности, делят на площадь малого элемента поверхности, на который данная сила действует. А для того чтобы определить среднее давление по всей площади, нормальную составляющую действующей на поверхность силы нужно разделить на полную площадь данной поверхности.
Измеряется давление в паскалях (Па). Эта единица измерения давления получила свое название в честь французского математика, физика и литератора Блеза Паскаля, автора основного закона гидростатики - Закона Паскаля, гласящего, что давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. Впервые единица давления «паскаль» была введена в обращение во Франции в 1961 году, согласно декрету о единицах, спустя три столетия после смерти ученого.
Один паскаль равен давлению, которое вызывает сила в один ньютон, равномерно распределенная, и направленная перпендикулярно к поверхности площадью в один квадратный метр.
В паскалях измеряют не только механическое давление (механическое напряжение), но и модуль упругости, модуль Юнга, объемный модуль упругости, предел текучести, предел пропорциональности, сопротивление разрыву, сопротивление срезу, звуковое давление и осмотическое давление. Традиционно именно в паскалях выражаются важнейшие механические характеристики материалов в сопромате.
Атмосфера техническая (ат), физическая (атм), килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2)
Кроме паскаля для измерения давления применяют и другие (внесистемные) единицы. Одной из таких единиц является «атмосфера» (ат). Давление в одну атмосферу приблизительно равно атмосферному давлению на поверхности Земли на уровне Мирового океана. На сегодняшний день под «атмосферой» понимают техническую атмосферу (ат).
Техническая атмосфера (ат) - это давление, производимое одной килограмм-силой (кгс), распределенной равномерно по площади в один квадратный сантиметр. А одна килограмм-сила, в свою очередь, равна силе тяжести, действующей на тело массой в один килограмм в условиях ускорения свободного падения, равного 9,80665 м/с2. Одна килограмм-сила равна таким образом 9,80665 ньютон, а 1 атмосфера оказывается равной точно 98066,5 Па. 1 ат = 98066,5 Па.
В атмосферах измеряют, например, давление в автомобильных шинах, например рекомендованное давление в шинах пассажирского автобуса ГАЗ-2217 равно 3 атмосферам.
Есть еще «физическая атмосфера» (атм), определяемая как давление ртутного столба, высотой 760 мм на его основание при том, что плотность ртути равна 13595,04 кг/м3, при температуре 0°C и в условиях ускорения свободного падения равного 9,80665 м/с2. Так выходит, что 1 атм = 1,033233 ат = 101 325 Па.
Что касается килограмм-силы на квадратный сантиметр (кгс/см2), то эта внесистемная единица давления с хорошей точностью равна нормальному атмосферному давлению, что бывает иногда удобно для оценок различных воздействий.
Внесистемная единица «бар» равна приблизительно одной атмосфере, но является более точной - ровно 100000 Па. В системе СГС 1 бар равен 1000000 дин/см2. Раньше название «бар» носила единица, называемая сейчас «бария», и равная 0,1 Па или в системе СГС 1 бария = 1 дин/см2. Слово «бар», «бария» и «барометр» происходят от одного и того же греческого слова «тяжесть».
Часто для измерения атмосферного давления в метеорологии используют единицу мбар (миллибар), равную 0,001 бар. А для измерения давления на планетах где атмосфера очень разряженная - мкбар (микробар), равный 0,000001 бар. На технических манометрах чаще всего шкала имеет градуировку именно в барах.
Миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.), миллиметр водяного столба (мм вод. ст.)
Внесистемная единица измерения «миллиметр ртутного столба» равна 101325/760 = 133,3223684 Па. Обозначается «мм рт.ст.», но иногда ее обозначают «торр» - в честь итальянского физика, ученика Галилея, Эванджелисты Торричелли, автора концепции атмосферного давления.
Образовалась единица в связи с удобным способом измерения атмосферного давления барометром, у которого ртутный столб пребывает в равновесии под действием атмосферного давления. Ртуть обладает высокой плотностью около 13600 кг/м3 и отличается низким давлением насыщенного пара в условиях комнатной температуры, поэтому для барометров в свое время и была выбрана именно ртуть.
На уровне моря атмосферное давление равно приблизительно 760 мм рт.ст., именно это значение и принято считать теперь нормальным атмосферным давлением, равным 101325 Па или одной физической атмосфере, 1 атм. То есть 1 миллиметр ртутного столба равен 101325/760 паскаль.
В миллиметрах ртутного столба измеряют давление в медицине, в метеорологии, в авиационной навигации. В медицине кровное давление измеряют в мм рт.ст, в вакуумной технике градуируются в мм рт.ст, наряду с барами. Иногда даже просто пишут 25 мкм, подразумевая микроны ртутного столба, если речь идет о вакуумировании, а измерения давления осуществляют вакуумметрами.
В некоторых случаях используют миллиметры водяного столба, и тогда 13,59 мм вод.ст = 1мм рт.ст. Иногда это более целесообразно и удобно. Миллиметр водяного столба, как и миллиметр ртутного столба - внесистемная единица, равная в свою очередь гидростатическому давлению 1 мм столба воды, которое этот столб оказывает на плоское основание при температуре воды столба 4°С.
Незнающий человек довольно легко может запутаться во всех существующих единицах измерения давления. И это вполне объяснимо, ведь каждая отрасль науки использует свои показатели. Цель данной статьи - разобраться с возникающими сложностями.
Типология
В первую очередь нужно рассказать о том, что существует два вида давления:
1. Абсолютное. Это давление, которое принято измерять относительно абсолютного нуля (чего можно достичь исключительно в вакууме).
2. Относительное. Оно измеряется относительно земной атмосферы.
Поясним данную ситуацию: если абсолютное давление в вакууме будет равно нулю, то относительное - минус единице. И напротив, атмосферное давление по абсолютной шкале будет равняться 1, и 0 - по относительной.
Определение единиц
Важным является следующее утверждение: единицы измерения давления можно определить одним из двух известных на сегодняшний день способов:
1. С помощью высоты столба жидкости (уравновешивающего давление в определенном физическом процессе). В таком случае измерение происходит в единицах водяного столба (обозначение: мм.вод.ст) при 4°С - это так называемый дюйм вод.ст. (in H 2 O) или же фут вод.ст. (обозначение: ft Н 2 О) или ртутного столба (мм.рт.ст). При 0°С (с условием нормального ускорения падения) это дюйм рт.ст. (in Hg). В нашей стране чаще всего используются не футы, а миллиметры ртутного столба. Поэтому полезной будет следующая информация: 1 дюйм = 25,4 мм, 1 фут = 30,48 сантиметрам.
2. Благодаря единицам площади и силы.
О системе СИ
Итак, изучаем далее единицы измерения давления. Главная информация об этом содержится в системе СИ, т.е. в Международной системе единиц. Принята она была международным сообществом еще в далеком 1960 году, при этом единицей измерения силы является Ньютон (обозначение: Н), а площади - 1 м 2 (метр квадратный). Благодаря этим показателям и можно найти единицу давления - это один Па (Паскаль). Определяется он отношением силы к площади. В виде формулы это выглядит следующим образом: 1 Па = 1Н/м 2 .
Производные
Рассматривая единицы измерения давления, стоит сказать и о том, что они, естественно, имеют свои производные. Так, ученые чаще всего используют следующие определения, хотя классификацию можно продолжить и дальше:
1. Килопаскаль (кПа): 1 кПа = 10 3 Па.
2. Мегапаскаль (мПа): 1 МПа = 10 3 кПа, а также = 10 6 Па.
Однако стоит сказать и о том, что наряду с системой СИ сегодня не менее распространены и используются иные единицы измерения давления, принятые ранее. К тому же часто используются и так называемые внесистемные единицы, которые заслуживают особого внимания.
Торры
Существует еще одна обозначение единицы давления, именуемое торром. Связано это название с именем Эванджелиста Торричелли - итальянского математика и физика, который к тому же являлся учеником великого Г. Галилея. Важен следующий факт: именно Торричелли изобрел ртутный барометр. Сама же эта единица измерения давления (1 торр) равняется гидростатическому давлению исследуемого столба ртути (обязательно высотой 1 мм) на плоское основание (обязательно при температуре 0°С). При этом 1 торр = 13,5951 миллиметра водного столба = 133,322 Па. Также важно следующее уравнение: 1 атмосфера = 760 торр.
Техническая система
Существует еще техническая система единиц, аббревиатура которой выглядит следующим образом: МКГСС (расшифровка: метр, килограмм-сила, секунда). В данном случае сила измеряется именно в килограммах и равняется 9,8 Н. Единица давления в таком случае выглядит следующим образом: кгс/м 2 или же кгс/см 2 и носит название технической атмосферы (или же метрической) - ат. Если устанавливается избыточное давление, единица измерения пишется как «ати».
Физическая система единиц
Обозначается данная система измерения следующей аббревиатурой: СГС (расшифровка: сантиметр, грамм, секунда). В этом случае единица силы, которая используется, - дина (соответствует 10 -5 Н). В данной системе единица измерения давления называется «бар» и исчисляется отношением одного дина к сантиметру квадратному: 1 дин/см 2 . Однако существует один нюанс: есть еще одна внесистемная метеорологическая единица измерения давления, которая также называется «бар». Она имеет несколько иные показатели: 1 бар = 106 дин/см 2 , что иногда вызывает путаницу. Еще одна внесистемная (вне системы СИ) единица измерения давления, которая чаще всего используется на практике, это нормальная (или физическая) атмосфера, которая равняется 760 миллиметрам ртутного столба. Эти единицы имеют свои производные, которые используются для облегчения процесса исчисления.
Иные системы
Существует еще одна система измерения давления - МТС (расшифровка: метр-тонна-секунда), которая также имеет свою единицу, именуемую «пьеза». Одна пз (т.е. пьеза) = 1 сн/м 2 . В свою очередь 1 сн - это сила в 1 стен. Стоит сказать и о том, что в англоязычных странах для измерения давления используется чаще всего обозначение «psi» - пси (один psi равен отношению lbf/in 2) - один фунт силы делится на квадратный дюйм (при этом 1 дюйм = 0,4536 кг). Если оно применяется для определения абсолютного давления, единица измерения будет такой: psia (приставка «а», т.е. absolute - абсолютный). В случае измерения избыточного давления это будет выглядеть как psig (приставка «g», т.е. gage, что переводится как «избыточный», «лишний»).
Основные соотношения
Разбираясь в единицах измерения давления, человек нередко путается во всех показателях. Для облегчения этого процесса были составлены специальные таблицы, благодаря которым можно в считанные минуты перевести показатели из одной системы в другую. Наиболее распространенные соотношения выглядят следующим образом: 1 ат = 10 4 кгс/м 2 (1 кгс/см 2), что также равно 0,98∙10 5 Па (чему соответствуют 98 кПа и 0,098 МПа). При этом атмосфера = 0,98∙10 3 мбар (это равно 0,98 бар и 0,97 атм). Ну и, конечно же, не стоит забывать, что это еще равняется 10 4 миллиметров водного столба, что соответствует 10 м водного и 735 мм ртутного столба.
Ошибки
Обязательно нужно сказать и о том, что при расчетах могут возникать небольшие ошибки, которыми, впрочем, в некоторых ситуациях пренебрегают:
1. Ошибку в 2% можно не заметить при разнице между технической и стандартной атмосферами, а также одной десятой частью МПа, т.е. мегапаскаля: 1 ат = 1 бар = 0,1 МПа.
2. Допустима также ошибка в 3% при рассмотрении физической и технической атмосфер: 1 ат = 1 атм.
Данные показатели весьма важны, так как потребность в переводе указанных единиц возникает часто (основная причина: использование оборудования различных стран изготовления, к тому же разных годов выпуска).
Чем измеряют давление
Рассмотрев различные единицы измерения давления (газа, атмосферного давления и т.д.), стоит также уделить внимание тем инструментам, благодаря которым и получают искомые показатели. Так, для этого используются мембранные, жидкостные (самые простые и точные измерители), пружинные, электрические и тепловые манометры самых различных конструкций (при этом могут использоваться как простые, так и весьма сложные оптические и электронные схемы). Рассмотрев единицы измерения атмосферного давления, стоит сказать, что приборы, которыми этот показатель определяется, называются барометрами (от греческого «baros» - «тяжесть», «metreo» - «измеряю»). Если же надо определить давление, которое ниже атмосферного, тут уже используются вакуумметры. При возникновении необходимости узнать разницу между двумя давлениями (если ни одно из них не является атмосферным) надо использовать дифманометры, то есть дифференциальные манометры.
Давным-давно, в дометрические времена, жил да был итальянец Евангелиста Торричелли (1608-1647). Он первым доказал, что на нас на всех давит воздух, то есть, что воздух имеет вес.
Сделал он это, проведя совместно с Винченцо Вивиани (который потом еще измерял скорость звука) классический опыт по измерению атмосферного давления.
Они взяли трубку Торричелли (трубку, запаянную с одного конца, высотой примерно 1 метр), заполнили ее ртутью, закрыли отверстие указательным пальцем (некоторые считают, что это все же был большой палец) и опустили ее в открытый сосуд с ртутью. Ртуть из трубки стала вытекать, и над ней возникло разреженное пространство - торричеллиева пустота .
Вытекала она до тех пор, пока давление этого столба превышало давление воздуха на открытый сосуд. Так появился первый в мире ртутный барометр.
После появления метрической системы, с течением времени сложилось представление о «стандартном атмосферном давлении», равном давлению 760 миллиметров ртутного столба . Единицу давления, равную давлению одного миллиметра ртутного столба , в честь Торричелли назвали торром .
Однако, если быть совсем точным, высота ртутного столба зависит не только от давления, но и от температуры и гравитации. Поэтому, когда в 1954 на 10-м конгрессе Палаты Мер и Весов единицу давления в одну атмосферу приняли равной 101325 паскалям, торр переопределили как 1/760 от одной атмосферы.
Кстати насчет атмосферы - 101325 Паскаль, это среднее атмосферное давление на высоте уровня моря на широте Парижа, что в общем-то, будет соответствовать среднему давлению на высоте уровня моря в большинстве промышленных стран.
Для практического описания давления вместо атмосферы широко используется бар , или 100000 Паскаль. Единица бар , или даже точнее миллибар , равный 100 Паскаль, была предложена сэром Уильямом Напье Шоу (William Napier Shaw) в 1909 году, и международно принята в 1929. Например, вместо миллиметров ртутного столба в метеорологии для измерения давления часто оперируют миллибарами, при этом «стандартное» атмосферное давление на уровне моря равно 1013.25 миллибар.
Что касается самого Паскаля - это величина характеризует силу, действующую на единицу поверхности, расположенной перпендикулярно действию силы, и один паскаль - это один ньютон на квадратный метр. Кстати, само название Паскаль , для обозначения Н/м2, было принято только в 1971 году на 14 конгрессе Палаты Мер и Весов.
Как мы видим, и бар , и торр , и атмосфера - все это так или иначе связано с атмосферным давлением. Техническая атмосфера , напротив, никакого отношения к атмосферному давлению не имеет, и определятся как давление одной килограмм-силы на квадратный сантиметр. Что такое килограмм-сила? - спросите вы. А это сила, которую оказывается тело массой один килограмм на опору, находясь в гравитационном поле с ускорением 9.80665 м/с2, или 9.80665 Ньютон. Как оказалось, одна техническая атмосфера это примерно 0.96784 физической атмосферы.
Ну и наконец фунт-сила на квадратный дюйм - а это тоже самое, что и техническая атмосфера, только для англичан, которые, как обычно, идут своим путем (см. Соответствие размеров обуви)
Теперь о калькуляторе - вводим значение, и используем таблицу, чтобы перевести одни единицы в другие. Например, чтобы перевести 100 мм.рт.ст. в Паскали - вводим 100 и ищем пересечение строки «миллиметр ртутного столба» со столбцом «Паскаль».
P.S. О барометрах.
В домах ртутные барометры, понятно, не используют, ибо открытый сосуд с ртутью не есть хорошо. Используют механические безжидкостные барометры - анероиды
. Атмосферное давление в них сжимает гофрированные тонкостенные металлические коробки, в которых создано разрежение.
В технической системе единиц МКГСС (метр, килограммсила, секунда) сила измеряется в килограммах силы (1 кгс ≈ 9.8 Н). Единицы давления в МГКСС - кгс/м 2 и кгс/см 2 ; единица кгс/см 2 получила название технической , или метрической атмосферы (ат). В случае измерения в единицах технической атмосферы избыточного давления используется обозначение «ати» .
В физической системе единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда) единицей силы является дина (1 дин = 10 -5 Н). В рамках СГС введена единица давления бар (1 бар=1 дин/см 2). Существует од-но-и-мен-ная внесистемная, ме-те-о-ро-ло-ги-чес-кая единица бар, или стандартная атмосфера (1 бар = 10 6 дин/см 2 ; 1 мбар = 10 -3 бар = 10 3 дин/см 2), что иногда, вне контекста, вызывает путаницу. Кроме указанных единиц на практике используется такая внесистемная единица, как физическая , или нормальная атмосфера (атм ), которая эквивалентна уравновешивающему столбу 760 мм рт. ст.
Паскаль равен давлению (механическому напряжению), вызываемому силой, равной одному ньютону, равномерно рас-пре-де-лённой по
нормальной к ней поверхности площадью один квадратный метр.
1 кПа = 1000 Па
Паскаль (обозначение: Па, Pa) - единица измерения давления (механического напряжения) в СИ.
Паскаль равен давлению (механическому напряжению), вызываемому силой, равной одному ньютону, равномерно рас-пре-де-лённой по нормальной
к ней поверхности площадью один квадратный метр.
1 Па = 1 Н/м² ≡ 1 Дж/м³ ≡ 1 кг/(м·(с²))
Единица названа в честь французского физика и математика Блеза Паскаля.
1 МПа = 1000000 Па
Паскаль (обозначение: Па, Pa) - единица измерения давления (механического напряжения) в СИ.
Паскаль равен давлению (механическому напряжению), вызываемому силой, равной одному ньютону, равномерно рас-пре-де-лённой по нормальной к
ней поверхности площадью один квадратный метр.
1 Па = 1 Н/м² ≡ 1 Дж/м³ ≡ 1 кг/(м·(с²))
Единица названа в честь французского физика и математика Блеза Паскаля.
Техническая атмосфера (ат, at, кгс/см²) - равна давлению, производимому силой 1 кгс, направленной перпендикулярно и равномерно распределённой по плоской поверхности площадью 1 см² (98 066,5 Па).
Стандартная, нормальная или физическая атмосфера (атм, atm) - в точности равна 101325 Па или 760 миллиметрам ртутного столба. Давление, уравновешиваемое столбом ртути высотой 760 мм при 0 °C, плотность ртути 13595.1 кг/м³ и нормальное ускорение свободного падения 9.80665 м/с².
Миллиметр ртутного столба (мм рт. ст., mm Hg) - внесистемная единица измерения давления, равная 101325 / 760 ≈ 133.3223684 Па; иногда называется «торр» (русское обозначение - торр, международное - Torr) в честь Эванджелиста Торричелли.
Миллиметр водяного столба, внесистемная единица давления, применяемая в ряде отраслей техники (главным образом в гидравлике).
Обозначения: русское: мм вод. ст., международное: mm H 2 O.
1 мм вод. ст. равен гидростатическому давлению столба воды высотой в 1 мм при наибольшей плотности воды (то есть при температуре около
4 °C) и ускорении свободного падения g = 9.80665 м/сек².
Бар (греч. βαρος
- тяжесть) - внесистемная единица измерения давления, примерно равная одной атмосфере.
Один бар равен 10 5 Н/м² (ГОСТ 7664-61) или 10 6 дин/см² (в системе СГС).
Фунт на квадратный дюйм (обозн. Psi или lb.p.sq.in.), точнее, «фунт-сила на квадратный дюйм» (англ. pound-force per square inch, lbf/in²) - внесистемная единица измерения давления. В основном употребляется в США. Численно равна 6894.75729 Па.
В физике и технике единицы измерения (единицы физических величин, единицы величин) используются для стандартизованного представления результатов измерений. Использование термина единица измерения противоречит рекомендациям метрологических… … Википедия
Величины, по определению считающиеся равными единице при измерении других величин такого же рода. Эталон единицы измерения ее физическая реализация. Так, эталоном единицы измерения метр служит стержень длиной 1 м. В принципе, можно представить… … Энциклопедия Кольера
В физике и технике единицы измерения (единицы физических величин, единицы величин) используются для стандартизованного представления результатов измерений. Численное значение физической величины представляется как отношение измеренного… … Википедия
Законы явлений природы, как выражения количественных отношений между факторами явлений, выводятся на основании измерений этих факторов. Приборы, приспособленные к таким измерениям, называются измерительными. Всякое измерение, какой бы ни было… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
У этого термина существуют и другие значения, см. Паскаль (значения). Паскаль (обозначение: Па, международное: Pa) единица измерения давления (механического напряжения) в Международной системе единиц (СИ). Паскаль равен давлению… … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Бар (значения). Бар (греч. βάρος тяжесть) внесистемная единица измерения давления, примерно равная одной атмосфере. Один бар равен 105 Па или 106 дин/см² (в системе СГС). В прошлом… … Википедия
В физике и технике единицы измерения (единицы физических величин, единицы величин) используются для стандартизованного представления результатов измерений. Численное значение физической величины представляется как отношение измеренного… … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Атмосфера (значения). Атмосфера внесистемная единица измерения давления, приблизительно равная атмосферному давлению на поверхности Земли на уровне Мирового океана. Существуют две примерно… … Википедия
Паскаль (обозначение: Па, Pa) единица измерения давления (механического напряжения) в СИ. Паскаль равен давлению (механическому напряжению), вызываемому силой, равной одному ньютону, равномерно распределённой по нормальной к ней поверхности… … Википедия