Tlak v tekočini

V poglavju Gostota snovi smo spoznali, da se ista snov lahko pojavi v treh fazah:

Snov v kapljevinasti in plinasti fazi imenujmo s skupno besedo tekočina.

Tudi znotraj tekočin deluje tlak. Še vedno velja enačba, ki smo jo spoznali v poglavju Deformacija trdnin:

Problem je, ker prvi trenutek ne vemo, kaj je v našem primeru sila in kaj ploskev, na katero deluje sila. Da bi razčistili dilemo, si najprej oglejmo mehanizem tlaka v tekočinah. Razložimo ga lahko na dva načina:

Izračunajmo, kolikšen tlak deluje na vodoravno ploskev površine S, ki se nahaja v v globini h kapljevine z gostoto kot kaže slika 2. Predpostavimo, da se gostota kapljevine z globino ne spreminja.

Na ploskev S deluje sila teže tekočine, ki je nad ploskvijo S in ustvarja tlak p:

Tlak v tekočini ni odvisen od ploskve S, pač pa samo od globine h in gostote . Deluje v vse smeri, ne samo navzdol, kar smo spoznali že v uvodnem poglavju.

Zrak tvori plašč okoli Zemlje. Enačbo za tlak, ki smo jo izpeljeli v prejšnjem poglavju, v primeru zraka ne moremo neposredno uporabiti. Zrak je namreč stisljiv in teža zraka v višjih plasteh vpliva na njegovo gostoto v nižjih plasteh. Na gostoto zraka vpliva tudi temperatura, ki je v višinah precej niižja, kot je pri tleh. Enačba za tlak se precej zaplete:

V enačbi (2) gostota zraka ne nastopa več kot konstanta, temveč se spreminja z višino in temperaturo. Zato lahko enačbo (2) uporabimo le približno, ko gre za manjše višinske razlike in lahko predpostavimo, da se gostota zraka z višino ni bistveno spremenila in da je tudi temperatura v opazovanem območju stalna.

Zračni tlak na površini Zemlje je približno 1 bar ali . Malo se spreminja s temperaturo, nadmorsko višino kraja in je odvisen od vremena.

Spoznanja, do katerih smo prišli, so uporabljena v številnih orodjih in merilnih napravah.

Najprej narišimo skico vezane posode:

Vzemimo zavito cev, kot kaže slika 4 in v en krak nalijemo vodo ali neko drugo tekočino. Voda bo napolnila tudi drugo cev tako, da bo se bosta nivoja izravnala. Ker sta cevi zgoraj odprti, deluje v obeh krakih na vodo zračni tlak . Z globino se tlah povečuje zaradi sile teže vode. V globini je v obeh krakih isti tlak:

Največji tlak je seveda na dnu vezne posode:

V vezno posodo vlijemo dve različni tekočini z različnimi gostotama. Paziti moramo, da se tekočini ne zmešata. V tem primeru je gladina tekočine nižja v kraku, v katerem je gostota večja.

V ravnini, ki predstavlja mejo med tekočinama (črtkana črta na sliki 5) sta tlaka na obeh straneh enaka. Takrat velja:

Da si bomo natego lažje predstavljali, jo narišimo:

Natega je cev, s pomočjo katere lahko pretočimo tekočino npr. iz soda v niže ležečo posodo. Deluje le, če na nek način v začetku napolnimo cev z vodo - npr. s podtlakom (posesamo tekočino v cev) ali pa napolnimo cev s tekočino, predno jo damo v posodo.

Da bo tekočina tekla ven iz posode, morata biti izpolnjena dva pogoja:

Narišimo si skico hidravlične stiskalnice:

Hidravljična stiskalnica je sestavljena iz cevi, ki ima na vsakem koncu bat - slika 7. Cev je napolnjena z tekočino - npr. oljem. Bata imata različni ploščini S. Na bat z manjšo ploščino delujemo s silo . Da bo sistem v ravnovesju, delujemo tudi na večji bat s silo .

Podobno kot pri vezni posodi tudi sedaj velja, da je tlak tekočine odvisen od zunanjega tlaka - torej tlaka, s katerim bat pritiska na tekočino in od globine, kjer opazujemo tlak. V našem primeru opazujemo tlak le pod batom, ko je globina enaka nič. Ker sta bata približno na isti višini, ni tlačne razlike zaradi tlaka tekočine ali pa je mnogo manjša od tlaka, ki ga povzočata sili na bat. Zato velja:

Merilnik tlaka plina ali manometer primerja tlak plina s tlakom, ki ga povzroči stolpec tekočine v cevki. Cevka je na eni strani priključena na posodo, v kateri je tlak p. Tekočina v cevki se dvigne za h - glej sliko 8. Iz dviga tekočine izračunamo tlak plina. Velja namreč:

Zračni tlak ne vpliva na meritev, saj je cevka nad tekočino neprodušno zavarjena in se v njej nahaja brezzračen prostor (ni molekul - ni tlaka).

Podobno kot manometer deluje tudi merilnik zračnega tlaka ali barometer. Zavita cevka ima na eni strani zbiralnik z merilno tekočino. Na drugi strani je cevka zavarjena (v njej pa je vakum). Zračni tlak deluje na merilno tekočino samo na strani zbiralnika, na drugi strani drži ravnovesje zračnemu tlaku tlak tekočine. Zbiralnik mora imeti zadosten volumen, da se sprememba višine tekočine na merilnem delu cevke ne pozna bistveno na višini tekočine v zbiralniku.