Hvorfor er lufttrykket likt i alle retninger?

Tenk deg hva det vil bety for et tynt, flatt stykke metall hvis trykket ikke var lik ovenfra og under. Det ville være mer trykk som presses ned fra toppen enn å skyve opp nedenfra, noe som tilsvarer en nettokraft. Denne kraften vil begynne å akselerere metallstykket nedover; det ville ikke være noen likevekt. Glem nå metallstykket. Uten den ville det være luftmolekyler som styrter ned fra trykkgradienten. De ville faktisk haste ned til de utlignet trykkgradienten og sluttet å bevege seg.

Hvorfor knuser lufttrykket ovenfra oss ikke? Svaret jeg ser konsekvent gitt er at et likt lufttrykk nedenfra balanserer det.

Dette er ikke helt riktig. Trykket er ikke bare likt ovenfra og under, med kroppen din som en sone med forskjellig trykk. Snarere er hele kroppen din under samme trykk som omgivelsene. For å forstå forskjellen, tenk på en tank som noe av luften kan evakueres fra (en vakuumtank). Når tanken er full av luft med samme trykk som omgivelsene, kan lokket enkelt fjernes. Hvis du forsegler beholderen, pumper du litt av luften ut, og prøver å fjerne lokket. Du vil oppdage at den sitter veldig fast. Dette er fordi det er en sterk kraft på lokket forårsaket av trykkgradienten mellom innvendig og utvendig.

Det at kroppen din har atmosfærisk trykk er faktisk veldig viktig for måten den fungerer på. Hvis du skulle kastes ut av et romskip der trykket er nær null, vil alle gassene (oksygen er viktig) fordampe ut av væskene i kroppen din.

Lufttrykk utøves på overflaten av kroppen ved at luftmolekyler treffer overflaten og reflekteres. Hver av disse refleksjonene (gazillioner som skjer per sekund) overfører litt impuls på overflaten, som makroskopisk betyr en permanent kraft (per arealeenhet). Hvorfor spretter og treffer luftmolekylene hele tiden? Enten fordi luften beveger seg i det store (aka. "Vind"), eller fordi de spretter uregelmessig (aka. "Temperatur"). Sistnevnte bevegelse kjenner ingen foretrukket retning, og trykket er det samme uansett hvilken retning testflaten har. Selve det faktum at det ikke er noen nettbevegelse (vind), uttrykkes av det faktum at den samme kraften virker på baksiden av en tynn overflate som på forsiden (så det er ingen nettokraft).

Hvorfor er lufttrykket relatert til vekten av luft over oss? I likevekt er kraften forårsaket av lufttrykk nedenfra på en tenkt horisontal overflate akkurat nok til å holde luftsøylen over den "på plass", som betyr at den er lik vekten. Vi trenger ikke alltid å ha likevekt, men hvis vi ikke gjør det, forårsaker styrkens strengere opphøyelse og bevegelse - til likevekt er nådd.

Jeg har prøvd å dele opp spørsmålene litt, slipp en kommentar hvis jeg har savnet noe.

Lufttrykk er forårsaket av vekten av luftmolekylene over.

Dette er faktisk riktig. Lufttrykket er proporsjonalt med hvor mye luft som er over det: Du har mindre på et høyt fjell enn på havnivå. Diagrammet viser dette i praksis.

Lufttrykket er likt i alle retninger.

Dette gjelder også : Det vil skyve likt i alle retninger. Hvis det ville være ulikt, ville det prøve å nå likevekt. Luftmolekylene vil være underlagt både tyngdekraften som trekker den mot jorden (komprimerer den) og kraften fra andre molekyler, og skyver den bort.

Kilde

Og likevel sier alle kilder jeg har sett at lufttrykket er likt i alle retninger.

For et lite punkt i atmosfæren, vil dette være sant. Det ville ha samme kraft som virker på den i alle retninger.

1 & 2 virker motstridende.

Det er veldig liten forskjell for for eksempel en liten kubbe beholder siden bunnen vil ha et lite høyere trykk fra luften over den enn oversiden, og trykket vil være marginalt høyere. Imidlertid vil reduksjonen i trykk med høyde finne sted både i og utenfor boksen. Generelt kan trykkforskjellen ignoreres for nesten alle applikasjoner.

Trykk er gitt av formelen,

$ {P = {\ rho} gh} $

Hvor:

• $ {\ rho} $ = tetthet

• $ {g} $ = gravitasjonskonstant

• $ {h} $ = høyde / dybde

Trykk på et hvilket som helst punkt under væskens øvre grense, som luft og vann, er jevnt i alle retninger på grunn av væske molekyler er i konstant bevegelse og støter kontinuerlig på hverandre. Trykk øker med dybden av væsken på grunn av mengden væske over den, men ethvert punkt på et horisontalt plan vil ha samme trykk.

Sammenlign dette med berg i jordskorpen og kappen. Ignorerer tektoniske påkjenninger, blir trykket i vertikal retning fremdeles gitt av

$ {P = {\ rho} gh} $

Imidlertid, på grunn av bergens solide natur, molekyler beveger seg ikke raskt, og de støter ikke kontinuerlig på hverandre. Følgelig er trykket i lateral retning ikke lik trykket i vertikal retning, og trykk / spenning i berg er ikke ensartet i alle retninger.

Denne kilden gir sidetrykket / stress som relatert til vertikalt trykk / stress.

$ {{\ sigma} _h = k {\ sigma} _v = k {\ rho} gh} $

Trykk er den gjennomsnittlige ytre kraften som molekyler utøver på omgivelsene.

Hvis du tar tilfelle av at luftmolekyler som spretter rundt, treffer alt de skyver likt utover til sidene, men som du nevnte, betyr vekten deres at de virkelig skyver hardere ned enn de skyver oppover. Siden vekten av luft i et lite rom er veldig liten, kan denne forskjellen vanligvis overses. Uten denne forskjellen ville ballonger imidlertid ikke flyte. Denne lille forskjellen legger seg i atmosfæren til trykket her nede på overflaten faktisk er ganske betydelig.

Årsaken til at bilene klemmer deg er at når bilen skyver ned med høyt trykk, vil den bevege seg overflaten innover til du skyver tilbake med samme trykk. Dessverre for deg, ettersom det indre trykket øker som gjør at sidene dine er høyere enn luften rundt deg, slik at sidene dine klemmer seg ut siden luften ikke presser seg like hardt tilbake. Så det er ikke nok å bare skyves fra toppen og bunnen, eller til og med fra fire sider. Du må skyves fra alle retninger, inkludert opp nesen og inni lungene for at det indre trykket ditt skal være i stand til komfortabelt å presse tilbake mot høytrykket.

Begge utsagnene stemmer. Den beste måten å forstå hvordan disse to utsagnene kan eksistere sammen, er å forstå konseptet med et gasstrykk.

Nå for å forstå trykket ser vi på en beholder full av gassmolekyler. Gassmolekyler oppfører seg ikke i det hele tatt som faste stoffer eller væsker. I en gass blir ikke molekylene tiltrukket av hverandre, så de flyr rundt i ekstreme hastigheter som spretter inn i gjenstander og andre gassmolekyler. Disse kollisjonene er elastiske, så ingen energi går tapt under kollisjoner.

Hver gang en kollisjon skjer av energioverføring finner sted mellom molekyler. Imidlertid er det på et makroskopisk nivå så mange kollisjon som foregår at de gjennomsnittlig overføres til null energi. Tenk deg at et gassmolekyl er i ferd med å treffe veggen fra beholderen ovenfor. Vi vet at når molekylet treffer, vil den sprette av og gå i den andre retningen akkurat som en sprettkule. Muren vil også føle en kraft på grunn av Newtons andre lov. Imidlertid skjer det på den andre siden av containeren. Det samme skjer faktisk også på utsiden av containeren. Alle disse kollisjonene utøver en styrke, men alle avbryter hverandre.

La oss nå bruke dette på din første definisjon. Som du sa lufttrykket er forårsaket av vekten av luftmolekylene ovenfor. Gassmolekyler tiltrekkes av tyngdekraften mot jordoverflaten. Når et gassmolekyl trekkes mot jordoverflaten, er det sjanse for at det treffer et annet gassmolekyl og spretter av det i en annen retning. La oss si at i dette spesielle sammenstøtet treffer det første molekylet toppen av det andre molekylet. Dette fører til at det andre molekylet beveger seg enda raskere ned enn det første molekylet. Dette skjer igjen og igjen til molekylet spretter av jordens overflate. Slik kommer din første definisjon. Nøkkelen er å huske at dette er et gasstrykk og dermed er fra alle kanter.

Dette er det vanskeligste begrepet å forstå fordi når noen hører at det er hundrevis av kilo luft over dem, forestiller de seg hundrevis av kilo stålplater på skuldrene. Ikke tenk på det slik. Hvis en hoppende ball faller på hodet, skyver den deg ned. Men hvis det går glipp av, treffer gulvet, spretter opp og treffer deg, avbryter de to kreftene hverandre. Trikset er å innse at så mange kollisjoner skjer i så liten skala at du ikke "føler" trykket fra atmosfæren.

Faste objekter er veldig flinke til å motstå en jevn kraft fra alle retninger. Har du noen gang hørt at du ikke kan knuse et egg hvis du klemmer det fra alle retninger? Det samme konseptet gjelder kroppen din. Atmosfæren presser veldig hardt fra alle retninger (til og med fra lungene!), Men de avbryter alle.

For å sammenligne dette, forestill deg en ståltrommel med bare noen få gassmolekyler i. Hva ville skje?

Nå til tross for at dette er kult, legg merke til at sidene av fatet også kollapser. Dette betyr at luftmolekyler presset fra siden, men det var ingenting å skyve tilbake fra innsiden. Vi kan se fra det imploderende fatet at atmosfæren komprimerer oss med nok kraft til å smuldre en ståltrommel. Men fordi dette presset utøves fra alle retninger, blir kreftene utslettet, og vi føler ikke noe.

Jeg vil gjerne legge til min forståelse i tilfelle det hjelper noen å forstå årsaken. Årsaken til at det er trykk fra alle sider i disse situasjonene, skyldes egenskapene til væsker i likevekt. I atmosfæren, for eksempel, ville luftmolekylene som ble "vektet på" ovenfra, presse ut sidene av luftkolonnen, hvis det var mulig. Det er selvfølgelig ikke fordi luftsøylen tilstøtende er under den samme kraften og dermed har de det ikke bedre. Gassmolekyler er energiske i alle retninger , eller med andre ord, væsketrykk kan ikke eksistere i en retning hvis i likevekt, da en hvilken som helst forskjell i trykk vil gi bevegelse (vind).

Årsaken til at du bruker vekten av væsken over deg (luft, hav osv.) for å vite det horisontale trykket du vil føle, er fordi du antar at du befinner deg i et område under likevekt og dermed vet fra ovennevnte grunner at det "horisontale" trykket er lik det "vertikale" trykket.

En annen intuisjon jeg liker er ideen om et pneumatisk stempel. Sylinderen som inneholder væsken, må være sterk for å ikke sprekke. Hvis du byttet ut væsken med en metallstang og satte stempelkraft på den i stedet, ville ikke sylinderveggene føle noe.