Matek érettségi

Hidrosztatikai nyomás: a mélység, a térfogat és a felület eltérő szerepe

Kétméteres vízoszlop példáján számolunk túlnyomást, abszolút nyomást és nyomáskülönbségből származó erőt. A felület átváltása külön ellenőrzést kap.

Dajka Gábor5 perc olvasás

A hidrosztatikai nyomást a folyadékfelszínhez viszonyított mélységből és a sűrűségből számold. Egy teljes felület erejéhez ezután a másik oldali nyomást és a felületen belüli nyomásváltozást is vizsgálnod kell. A pontbeli nyomás és a teljes erő külön eredmény.

A hidrosztatikai nyomás kalkulátorában ezért a mélység és a folyadék sűrűsége alapadat. A következő számítás egyszerű, állandó sűrűségű oktatási modell. Tartály, nyomástartó szerkezet vagy búvárfeladat biztonsági tervezéséhez nem elegendő.

Kétméteres vízoszlop

Legyen a folyadék sűrűsége a példában 1000 kg/m³, a vizsgált mélység 2 m, a gravitációs gyorsulás pedig 9,81 m/s². A felszínhez képesti nyomásnövekedés:

Δp = ρ × g × h = 1000 × 9,81 × 2 = 19 620 Pa = 19,62 kPa.

Ez a hidrosztatikai többlet. A folyadék felszínén már fennálló nyomást külön kell kezelni. Ha ott szemléltető értékként 101,325 kPa hat, a vizsgált pont abszolút nyomása 120,945 kPa.

A felszíni 101,325 kPa itt választott referenciaadat. Egy tényleges tartály pillanatnyi környezeti vagy belső nyomását mérésből, illetve az adott feladat leírásából kell venni.

Mit változtat a tartály szélessége?

A kétméteres mélység és azonos többi bemenet megtartásakor a képletben nincs tartályszélesség. Egy szélesebb tartályban több folyadék lehet, de a kiválasztott mélység nyomása ettől nem nő automatikusan.

A tartály falaira és aljára ható teljes erő ezzel együtt más lehet, mert a felületek mérete és a nyomás eloszlása változik. A „nyomás azonos” megállapítás ezért nem jelenti az egész szerkezet azonos igénybevételét.

Ha a mélység 2 m-ről 3 m-re nő, a hidrosztatikai többlet 29,43 kPa lesz. Ez az eredeti többlet másfélszerese. Az abszolút nyomás ugyanakkor nem ugyanilyen arányban változik, mert a felszíni tagot hozzáadjuk.

Nyomásból erő: előbb a felületet váltsd át

Vizsgáljunk egy olyan 100 cm² felületet, amelyen a nyomáskülönbség közelítőleg egyenletes. A felület SI-egységben 0,01 m². A 19 620 Pa nyomáskülönbségből származó eredő erő:

F = Δp × A = 19 620 × 0,01 = 196,2 N.

Ez akkor a kívánt nettó erő, ha a másik oldali nyomás a feltételezett felszíni nyomással egyezik. Ha a másik oldalon más nyomás van, a két oldal tényleges különbsége szükséges.

A 100 cm² helyett tévesen 1 m² használata százszoros eredményt adna. A nyomásképlet és az erőképlet külön is helyes lehet, miközben a közöttük végzett hibás területátváltás az egész számítást elrontja.

Nagy függőleges felületnél változik a nyomás

Egy függőleges fal alsó része mélyebben helyezkedik el, ezért nagyobb nyomást kap. A teljes falra a legalsó pont nyomását változatlanul alkalmazni túlbecslést okozhat. Ilyenkor a nyomáseloszlásból kell a teljes erőt meghatározni.

A kis felületű, közel egyenletes nyomású példát ezért ne emeld át automatikusan egy nagy tartályfalra. A hatásvonal helye is fontos lehet a szerkezeti vizsgálatban; ezt a puszta nyomásérték nem tartalmazza.

Ellenőrizhető jegyzet

Az eredmény mellett rögzítsd a sűrűséget, a mélység referenciahelyét, a felszíni nyomást és a felület mértékegységét. A „19,62 kPa” önmagában kevés: szerepeljen, hogy ez felszínhez viszonyított nyomástöbblet.

A folyadék hőmérséklete és összetétele befolyásolhatja a sűrűséget. Pontos mérési feladatnál az 1000 kg/m³ egyszerűsítést is külön fel kell tüntetni.

Függőleges téglalap: az alsó nyomás nem az átlag

Vegyél egy 0,5 m széles, 2 m magas függőleges téglalapot, amelynek felső széle a vízfelszínnél van. A másik oldalon ugyanaz az egyenletes légnyomás hat, mint a vízfelszínen. A példabeli 1000 kg/m³ sűrűség és 9,81 m/s² gyorsulás mellett a nettó nyomáskülönbség felül nulla, alul 19 620 Pa.

A nyomás a mélységgel egyenes arányban nő. Állandó szélességű téglalapnál az átlagos nyomáskülönbség (0 + 19 620) / 2 = 9810 Pa. A felület 0,5 × 2 = 1 m², így az eredő erő 9810 N. Az alsó nyomást a teljes területre alkalmazva 19 620 N-t kapnál, az eredmény kétszeresét.

Az egyszerű átlag itt az egyenletes sűrűségből és a téglalap állandó szélességéből következik. Eltérő alak, másik oldali folyadék vagy változó sűrűség esetén az eloszlást újra fel kell írni. Ez az erőszámítás sem ad falvastagságot, rögzítést vagy terhelhetőségi megfelelést; a hatásvonal és a szerkezet viselkedése további feladat.

Gyakori kérdések

A nagyobb vízmennyiség mindig nagyobb pontbeli nyomás?

Azonos mélység, sűrűség és felszíni nyomás mellett nem. A teljes térfogat nincs benne az egyszerű hidrosztatikai képletben.

A túlnyomás és az abszolút nyomás ugyanaz?

Külön referenciaértékből indulnak. Az abszolút nyomás a felszíni nyomást is tartalmazza.

Miért kell a felület a nyomás után?

A nyomás egységnyi felületre vonatkozó mennyiség. Egy konkrét felület eredő erejéhez a megfelelő nyomáskülönbséggel kell szorozni.

Módszertani forrás

OpenStax – Sűrűség és nyomás

Záró tudáspróba

Válassz kérdésenként egy választ, és jegyezd fel a betűjelét. Minden helyes válasz 1 pont; a hibás, kihagyott vagy több betűvel jelölt válasz 0 pont. Legfeljebb 3 pontot szerezhetsz. A megoldókulcsot a válaszadás után olvasd el.

1. A leírt függőleges téglalapon felül 0, alul 19 620 Pa a nettó nyomáskülönbség. Mennyi az átlag?

  • A) 19 620 Pa
  • B) 9810 Pa
  • C) 0 Pa

2. A téglalap területe 1 m². Mekkora az eredő nettó erő?

  • A) 1000 N
  • B) 9810 N
  • C) 19 620 N

3. Ha a másik oldalon is víz van, ugyanaz a nettó erő biztosan megmarad?

  • A) Igen, mert a felület nem változott.
  • B) Igen, mert a víz sűrűsége azonos.
  • C) Nem; mindkét oldali nyomáseloszlás különbségét kell meghatározni.

Megoldókulcs és értelmezés

1. B. A lineáris eloszlás és az állandó szélesség miatt az átlag a két szélső érték számtani közepe.

2. B. 9810 Pa × 1 m² = 9810 N. Az alsó pont nyomása nem hat az egész felületen.

3. C. Az eredő nettó terheléshez a két oldal tényleges, mélységfüggő nyomáskülönbsége szükséges.

0–1 pont: A függőleges téglalapon jelöld a felső és alsó nyomáskülönbséget, majd az átlagot és a felületet külön számold ki.

2 pont: A hibás vagy kihagyott válasz magyarázata alapján keresd vissza a kapcsolódó számítást, majd oldd meg újra azt a kérdést.

3 pont: A három feladatban helyesen alkalmaztad a cikk összefüggéseit. A nyomásból számolt erő mellé rögzítsd a felület alakját, mélységtartományát és a másik oldali nyomás feltételét. A rövid próba csak ezeket a tanulságokat ellenőrzi.

További cikkek

Kapcsolódó olvasnivalók

Gyorskereső

Kalkulátorok és útmutatók keresése

↑↓ választásEnter megnyitásEsc bezárás