PHYSIC LESSONS: ΠΙΕΣΗ

ΠΙΕΣΗ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Έχουμε αναφέρει ότι δύναμη είναι η αιτία που αλλάζει την κινητική κατάσταση των σωμάτων ή που προκαλεί την παραμόρφωσή τους.Σε πολλές όμως περιπτώσεις η παραμόρφωση ενός σώματος δεν εξαρτάται μόνο από τη δύναμη που ασκείται στο σώμα αλλά και από το εμβαδόν της επιφάνειας στην οποία κατανέμεται η δύναμη αυτή.

Τα χιονοπέδιλα κατασκευάζονται να έχουν μεγάλο εμβαδόν για να μπορεί ο άνθρωπος να περπατάει πιο άνετα στο χιόνι

Αυτό φαίνεται καθαρά στο επόμενο παράδειγμα:

Τα ίχνη που αφήνει,ένας άνθρωπος που βαδίζει στο χιόνι,έχουν μεγάλο βάθος,όταν δε φοράει χιονοπέδιλα και μικρό βάθος,όταν φοράει.Φυσικά και στις δύο περιπτώσεις η δύναμη που πιέζει το χιόνι είναι ίδια(το βάρος του σώματος),αλλά είναι διαφορετικό το εμβαδόν,στο οποίο κατανέμεται αυτή.

Tα φορτηγά,για τη μεταφορά μεγάλων φορτίων,έχουν πολλά και φαρδιά λάστιχα για να αυξάνουν το εμβαδόν της επιφάνειας στην οποία ασκούν τη δύναμη

Στην πρώτη περίπτωση το εμβαδόν είναι μικρότερο και το αποτέλεσμα της δύναμης είναι μεγαλύτερο από ότι στη δεύτερη περίπτωση.Πρέπει επίσης να τονίσουμε ότι η δύναμη που πιέζει το χιόνι είναι κάθετη στην επιφάνεια επαφής των δύο σωμάτων (άνθρωπος-χιόνι).Το ίδιο συμβαίνει και με τα φαρδιά λάστιχα των αυτοκινήτων.

ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΠΙΕΣΗΣ

Για να μελετήσουμε φαινόμενα σαν τα προηγούμενα εισάγουμε ένα νέο φυσικό μέγεθος,την πίεση,που ορίζεται ως εξής:

Πίεση ονομάζεται το φυσικό μέγεθος που εκφράζεται με το πηλίκο της δυνάμεως,που ενεργεί κάθετα σε μία επιφάνεια,προς το εμβαδόν της επιφάνειας αυτής.

p=Fκ/A

όπου:

p η πίεση,

Fκ το μέτρο της ολικής δύναμης που ασκείται κάθετα σε επιφάνεια εμβαδού Α,

Α το εμβαδόν επιφάνειας.

Γενικά με τον όρο Πίεση χαρακτηρίζεται το αποτέλεσμα της εφαρμογής μιας δύναμης σε μία επιφάνεια.

Πίεση ονομάζεται το φυσικό μέγεθος που εκφράζεται με το πηλίκο της δυνάμεως,που ενεργεί κάθετα σε μία επιφάνεια,προς το εμβαδόν της επιφάνειας αυτής

Η καρέκλα στηρίζεται σε άμμο πρώτα χωρίς σανίδα και μετά με σανίδα.Στην πρώτη περίπτωση,το εμβαδόν της επιφάνειας στην οποία ασκείται το βάρος Β του ανθρώπου είναι μικρότερο από τη δεύτερη περίπτωση και επομένως η πίεση μεγαλύτερη.Για το λόγο αυτό η καρέκλα βυθίζεται περισσότερο στην πρώτη περίπτωση παρά στη δεύτερη.

Η καρέκλα στηρίζεται σε άμμο πρώτα χωρίς σανίδα και μετά με σανίδα

Κάθε φορά που χρειάζεται να κρεμάσουμε μια ανακοίνωση στον αντίστοιχο πίνακα που υπάρχει στο σχολείο ή στο δωμάτιο σου χρησιμοποιείς πινέζες.Με το χέρι μας ασκούμε δύναμη στο κεφάλι της πινέζας.Όπως μάθαμε το χέρι μας και η πινέζα αλληλεπιδρούν,επομένως και η πινέζα ασκεί στο χέρι μας αντίθετη δύναμη.Η πινέζα τελικά ασκεί δυο δυνάμεις.Μια στο δάκτυλο σου (F) και μια στον πίνακα (F').Οι δυνάμεις αυτές έχουν σχεδόν ίσα μέτρα.

Με το χέρι μας ασκούμε δύναμη στο κεφάλι της πινέζας και η πινέζα ασκεί στο χέρι μας αντίθετη δύναμη

Η επιφάνεια επαφής της πινέζας με το δάκτυλο μας (κεφάλι της πινέζας) Αk είναι περίπου 400 φορές μεγαλύτερη από την επιφάνεια επαφής Αμ της πινέζας με τον πίνακα. Σύμφωνα με τη σχέση p=Fκ/A,η πίεση Ρμ που δέχεται ο πίνακας από την πινέζα είναι 400 φορές μεγαλύτερη από την πίεση ΡΔ που δέχεται το δάχτυλο μας.Γι’ αυτό η πινέζα διεισδύει στον πίνακα και όχι στο δάχτυλο μας.
Άρα μπορούμε να πούμε:

Η πίεση που δέχεται μια επιφάνεια είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη που ασκείται κάθετα σε αυτή και όσο μικρότερο είναι το εμβαδόν της.

Από τον τύπο P=F/A παρατηρούμε ότι η πίεση είναι αντιστρόφως ανάλογη προς την επιφάνεια Α,όταν η δύναμη παραμένει σταθερή.Ανάλογα,λοιπόν,με το αποτέλεσμα που θέλουμε να φέρει η δύναμη,ρυθμίζουμε την αντίστοιχη επιφάνεια.

Μια από τις περισσότερο συνηθισμένες ασκήσεις για τους φακίρηδες είναι τα καρφιά πάνω στα οποία ξαπλώνουν.Αν και φαίνεται περίεργο,ο καθένας θα μπορούσε να κάνει ακριβώς το ίδιο πράγμα,αφού το βάρος του σώματος μοιράζεται σε πολλά καρφιά και έτσι η δύναμη που ασκείται σε κάθε σημείο επαφής δέρματος-καρφιού είναι μικρή

Για παράδειγμα όταν κατασκευάζουμε καρφιά,πινέζες,βελόνες κ.λπ.,φροντίζουμε να τα κάνουμε μυτερά στη μία άκρη,ώστε να είναι μικρή η επιφάνεια και επομένως μεγάλη πίεση.Με τον τρόπο αυτό,τα μυτερά σώματα εισχωρούν με ευκολία στο εσωτερικό διάφορων υλικών.Για τον ίδιο λόγο φροντίζουμε τα μαχαίρια,τα ξυράφια κ.λπ. να έχουν λεπτή κόψη,ώστε το αποτέλεσμα της δυνάμεως που βάζουμε να είναι μεγαλύτερο.

Όταν κατασκευάζουμε μαχαίρια φροντίζουμε να έχουν λεπτή κόψη,ώστε το αποτέλεσμα της δυνάμεως που βάζουμε να είναι μεγαλύτερο

Σε πολλές περιπτώσεις μας ενδιαφέρει να μετριάσουμε το αποτέλεσμα μιας δυνάμεως.Τότε δίνουμε στην επιφάνεια επαφής των σωμάτων μεγάλο εμβαδόν.Αυτό εφαρμόζεται στα βαριά αυτοκίνητα στα οποία βάζουμε πολλά και φαρδιά λάστιχα,για να προστατεύσουμε το οδόστρωμα από καθίζηση.

Επίσης όταν σηκώνουμε βαριά δέματα,βάζουμε στα χέρια μας χαρτί ή ύφασμα για να μην κοπούν τα σχοινιά.

ΜΟΝΑΔΕΣ ΤΗΣ ΠΙΕΣΕΩΣ

Στο Διεθνές Σύστημα μονάδα δύναμης είναι το 1 Ν και επιφάνειας το 1 m².Η πίεση είναι παράγωγο μέγεθος,επομένως οι μονάδες προκύπτουν από τον ορισμό της μέσω της σχέσης p=Fκ/A.

Μπλαιζ Πασκάλ (Blaise Pascal) 1623-1662 Μαθηματικός, φυσικός και φιλόσοφος που έζησε στη Γαλλία.Έγινε γνωστός κυρίως για τις μελέτες του στα μαθηματικά οι οποίες αφορούσαν τις πιθανότητες.Στη φυσική μελέτησε το έργο του Γαλιλαίου καθώς και του Τορικέλλι και δημοσίευσε πολλές σημαντικές εργασίες σε σχέση με τις ιδιότητες των ρευστών

Άρα μονάδα πιέσεως θα είναι το ένα Νιούτον ανά τετραγωνικό μέτρο:

1 Ν/m²

Η μονάδα αυτή λέγεται και Pascal (Πασκάλ) προς τιμή του Γάλλου μαθηματικού,φυσικού και φιλοσόφου Μπλαιζ Πασκάλ,δηλαδή:

1 Ρα=1 Ν/m²

Η μονάδα 1 Ν/m² είναι πολύ μικρή για να εκφράσει τις συνηθισμένες πιέσεις,γι' αυτό χρησιμοποιούμε και το ένα Κιλοπασκάλ:

1 kPa

που ισούται με 1000 Pa.
Άρα:

1 kPa=1000 Pa

Στην πράξη,όμως,χρησιμοποιούμε το ένα Πάουντ ανά τετραγωνικό εκατοστόμετρο:

1 p/cm²

και το ένα κιλοπάουντ ανά τετραγωνικό εκατοστόμετρο:

1kp/cm²

που ονομάζεται τεχνική ατμόσφαιρα και συμβολίζεται με το atm,δηλαδή:

1 atm=10⁵Pa=1 kp/cm²=1000 p/cm²

Επίσης ως μονάδα μέτρησης της πίεσης χρησιμοποιούμε και τη μία φυσική ατμόσφαιρα:

1 Atm

που ισούται:

1 Atm =1,013▪10⁵Pa

Μια άλλη συνηθισμένη μονάδα είναι οι λίβρες ανά τετραγωνική τετραγωνική ίντσα που χρησιμοποιούμε στη μέτρηση πίεσης τροχών.

Τέλος ως μονάδα μέτρησης της πίεσης χρησιμοποιούμε και:

α) το ένα Χιλιοστό στήλης υδραργύρου:

1 mmHg

που ισούται:

1 mmHg=133.32 Pa

β) το ένα Torr,

1 Torr

που ισούται:

1 Torr = 133.32 Pa

γ) το Μπάρ:

1 Bar

που ισούται:

1 bar=10⁵ Pa

και οι υποδιαιρέσεις αυτού:

1) το ένα Μιλιμπάρ

1 mb

και

2) το Μικρομπάρ

1 μb

Στη Φυσική πρέπει να είμαστε πολύ προσεκτικοί και να μη χρησιμοποιούμε το ένα μέγεθος αντί του άλλου.Η δύναμη και η πίεση είναι δύο διαφορετικά φυσικά μεγέθη.Η δύναμη έχει κατεύθυνση,είναι διανυσματικό μέγεθος και μετριέται σε Ν,ενώ η πίεση δεν έχει κατεύθυνση,δεν είναι διανυσματικό μέγεθος.Η πίεση εκφράζει τη δύναμη που ασκείται κάθετα στη μονάδα επιφάνειας και μετριέται σε Ν/m².

ΠΙΕΣΗ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ

Με τον όρο ρευστό χαρακτηρίζεται μια οποιαδήποτε ουσία που παρουσιάζει ροή.Τέτοιες ουσίες είναι τα υγρά και τα αέρια.Παραδείγματα ρευστών είναι το νερό,το λάδι,το πετρέλαιο,το μέλι,ο αέρας κ.α.

Ρευστά ονομάζουμε τα σώματα που δεν έχουν σταθερό σχήμα,αλλά παίρνουν το σχήμα του δοχείου στο οποίο τοποθετούνται.Τα ρευστά σώματα επίσης έχουν τη δυνατότητα να ρέουν.Τα πιο κοινά ρευστά είναι το νερό και ο αέρας.

Ρευστά ονομάζουμε τα σώματα που δεν έχουν σταθερό σχήμα, αλλά παίρνουν το σχήμα του δοχείου στο οποίο τοποθετούνται

Όταν ένα ρευστό βρίσκεται σε ισορροπία,πιέζει κάθε επιφάνεια με την οποία βρίσκεται σε επαφή.Έτσι το νερό όταν βουτάμε σ' αυτό ή ο ατμοσφαιρικός αέρας πιέζουν τα τύμπανα των αυτιών μας.Η πίεση αυτή προκαλεί το αίσθημα του πόνου στα αυτιά μας όταν ανεβαίνουμε σε μεγάλο ύψος στην ατμόσφαιρα ή όταν καταδυόμαστε σε μεγάλο βάθος στη θάλασσα.