7.2 Η πίεση και τα ρευστά

Σε προηγούμενες ενότητες ασχοληθήκαμε αναλυτικά με τη δύναμη και με το ρόλο της σχετικά με την αλλαγή της κινητικής κατάστασης και σχετικά με τις παραμορφώσεις των σωμάτων. Υπάρχουν, όμως, πολλά φυσικά φαινόμενα στα οποία η δύναμη μοιάζει ανεπαρκής για την περιγραφή και για την εξήγηση τους. Αυτό συμβαίνει, επειδή η ίδια δύναμη προκαλεί διαφορετικά αποτελέσματα, αν ασκείται σε διαφορετικές επιφάνειες. Ας δούμε, π.χ., τους δυο αθλητές της εικ. 7.2.

Εικόνα 7.2: Ο πρώτος αθλητής ασκεί μεγαλύτερη πίεση στο χιόνι από το δεύτερο, αφού στηρίζεται σε μικρότερη επιφάνεια

Ο πρώτος (αθλητής του χόκεϊ σε πάγο) κινείται φορώντας αθλητικά παπούτσια μικρής επιφάνειας. Ο δεύτερος (χιονοδρόμος) κινείται φορώντας τα ειδικά πέδιλα του σκι μεγάλης επιφάνειας βάσης. Ακόμα και αν οι δυο αθλητές έχουν ίδιο βάρος, η επαφή τους προκαλεί διαφορετικά σημάδια στη χιονισμένη επιφάνεια.

Χρειαζόμαστε, λοιπόν, κάποιο μέγεθος συγγενικό με τη δύναμη. Το μέγεθος αυτό είναι η πίεση p. Ορίζεται ως το πηλίκο της δύναμης που ασκείται κάθετα σε μια (όσο γίνεται μικρή) επιφάνεια Α, προς την επιφάνεια: [pic] (7.4)

Εικόνα 7.3: Πίεση σε επιφάνεια

Αξίζει να τονίσουμε ότι:

• Η επιφάνεια πρέπει να είναι τόσο μικρή, ώστε (αν η δύναμη είναι διαφορετική στα διάφορα σημεία της επιφάνειας) να μπορούμε να μιλάμε για συγκεκριμένη τιμή δύναμης. • Αναφερόμαστε σε δύναμη κάθετη στην επιφάνεια, εικ. 7.3., επειδή θεωρούμε ήρεμη την επιφάνεια (πράγμα απαραίτητο στα ρευστά). Μια πλάγια δύναμη, σε σχέση με την επιφάνεια, θα είχε συνιστώσα παράλληλη με αυτήν και η ισορροπία θα ήταν αδύνατη. • Η πίεση θεωρείται μονόμετρο μέγεθος. (Ο σωστός όρος είναι τανυστής). • Επίσημη μονάδα πίεσης (S.I.) είναι το 1 [pic], το οποίο έχει την ονομασία Pascal. ([pic]). Πρακτική μονάδα είναι το 1 [pic]. Εδώ πρέπει να αναφέρουμε την ατμοσφαιρική πίεση (με την οποία θα ασχοληθούμε παρακάτω). Είναι η πίεση που ασκείται στην επιφάνεια της Γης λόγω του βάρους της γήινης ατμόσφαιρας. Βρέθηκε ότι κάθε 1 cm2 επιφάνειας δέχεται βάρος l,033 kp από τον αέρα που μας περιβάλλει. Ονομάσαμε φυσική ατμόσφαιρα ή, απλά, ατμόσφαιρα (1 Atm) την: 1 Atm = 1,033 kp/cm3. Για διευκόλυνση στις πράξεις έχουμε εισαγάγει την τεχνική ατμόσφαιρα (at) και: 1 at = [pic]. Οι μετεωρολόγοι χρησιμοποιούν την μονάδα Bar, που είναι ίση με την τεχνική ατμόσφαιρα: l bar = 105 Pa. Πιο κάτω θα γνωρίσουμε και άλλες πρακτικές μονάδες πίεσης, που βασίζονται στον υδράργυρο. Εδώ αξίζει ακόμα να αναφέρουμε την αγγλοσαξονική μονάδα psi (pounds per square inch, λίμπρες ανά τετραγωνική ίντσα), μονάδα κυρίαρχη στα ελαστικά των οχημάτων.

Από τα παραπάνω μπορεί κάποιος να βγάλει χρήσιμα συμπεράσματα, που αφορούν καθημερινές εμπειρίες μας:

* Τα κοπτικά εργαλεία (μαχαίρια, ψαλίδια, χλοοκόπτες κτλ.) είναι πολύ διεισδυτικά. Με μικρή δύναμη προκαλείται μεγάλη πίεση, αφού η επιφάνεια επαφής είναι απειροελάχιστη.

* Ο αθλητής χόκεϊ της εικ. 7.2 (α) αφήνει πίσω του αυλάκια στο χιόνι, ενώ ο χιονοδρόμος απλές γραμμές. Αυτό συμβαίνει, επειδή στην περίπτωση του αθλητή χόκεϊ η πίεση είναι πολύ μεγαλύτερη. Το βάρος (ας το δεχθούμε ίδιο για τους δύο αθλητές) ασκείται σε μικρότερη επιφάνεια από τον πρώτο και γι' αυτό οι συνέπειες σ' αυτή την περίπτωση είναι εντονότερες.

* Όταν λέμε στον υπάλληλο του πρατηρίου καυσίμων: "Ελέγξτε τον αέρα στα λάστιχα. Παίρνουν 32 μπροστά και 30 πίσω", τι εννοούμε;

Αυτά τα νούμερα αναφέρονται σε psi, πράγμα που σημαίνει ότι η υπερπίεση στα μπροστινά λάστιχα είναι [pic]. Λέμε υπερπίεση την παραπάνω από την ατμόσφαιρα, πίεση που έχει ο αέρας στα ελαστικά, αφού το φουσκωμένο λάστιχο πρέπει να έχει μεγαλύτερη πίεση από την ατμοσφαιρική. (Αν λάβετε υπόψη ότι 1 lb = 0,453 kp και lin = 2,54 cm, βρείτε, με την ευκαιρία, πόσα Pa και πόσες at παραπάνω πίεση έχει ο αέρας στα ελαστικά από την ατμόσφαιρα).

Απόσπασμα από το δελτίο καιρού: "Πάνω από τη χώρα μας θα επικρατήσει βαρομετρικό χαμηλό 990 mbars (lbar~ - 1 Atm), ενώ στα βόρεια Βαλκάνια προβλέπεται βαρομετρικό υψηλό 1060 mbars. Προβλέπεται πτώση της θερμοκρασίας, αρχικά στη Βόρεια Ελλάδα…".

Η κίνηση στα ρευστά έχει, λοιπόν, άλλο κίνητρο από την αντίστοιχη στα στερεά. Τα τελευταία κινούνται αυθόρμητα από σημεία μεγάλης δυναμικής βαρυτικής ενέργειας σε αντίστοιχα μικρής. Τα ρευστά οδηγούνται από σημεία μεγαλύτερης σε αυτά με μικρότερη πίεση.

Στον πίνακα 7.2 φαίνονται οι τιμές πίεσης στο περιβάλλον και στον οργανισμό του ανθρώπου.