ความดัน
(Pressure)
จากนิยามความดันโดยทั่วไป ความดัน หมายถึง
แรงที่กระทำบนพื้นที่หนึ่งตารางหน่วยในแนวตั้งฉากกับพื้นที่นั้น หรือ
แรงดันในหนึ่งหน่วยพื้นที่ ในการศึกษาความดันในของเหลว พบว่า เมื่อนำขวดน้ำพลาสติกมาใส่น้ำถ้าเจาะรูที่ผนังขวดน้ำจะพุ่งออกมาตามทิศทางที่แสดงด้วยลูกศร ดังรูปที่ 1 แสดงว่ามีแรงกระทำต่อน้ำในภาชนะ แรงนี้จะดันน้ำให้พุ่งออกมาในทิศทางที่ตั้งฉากกับผนังภาชนะทุกตำแหน่ง ไม่ว่าผนังจะอยู่ในแนวใด เราเรียกขนาดของแรงในของเหลวที่กระทำตั้งฉากต่อพื้นที่หนึ่งหน่วยของผนังภาชนะว่า “ความดันในของเหลว”
รูปที่ 1 แสดงแรงดันของน้ำ ณ ตำแหน่งต่าง ๆ ของขวด
เราอาจสรุปลักษณะความดันในของเหลว ได้ดังนี้
รูปที่ 2 แสดงทิศต่าง ๆ ของแรงที่ของเหลวกระทำต่อผนังภาชนะและต่อวัตถุที่จมอยู่ในของเหลว
3.
สำหรับของเหลวชนิดเดียวกันความดันของของเหลวจะเพิ่มขึ้นตามความลึก
และที่ระดับความลึกเท่ากันความดันของเหลวจะเท่ากัน เมื่อ k เป็นค่าคงตัวของการแปรผัน และเมื่อพิจารณาหน่วยของ k พบว่ามีหน่วยเป็น m/s2 ซึ่งเป็นหน่วยของความเร่ง ดังจะได้ศึกษาต่อไปนี้ เมื่อพิจารณาแรงกระทำของของเหลว ที่กระทำต่อก้นภาชนะดังรูปที่ 3a หรือที่กระทำต่อพื้นที่สมมุติ A ดังรูปที่ 3b แรงกระทำก็คือน้ำหนักของลำของเหลวที่อยู่เหนือพื้นที่ A นั่นเอง ถ้าให้น้ำหนักของเหลวเหนือพื้นที่ A เท่ากับแรงดัน ความดันอันเนื่องจากน้ำหนักของของเหลว สามารถหาได้ดังต่อไปนี้
รูปที่ 3 ความดันในของของเหลวและแรงที่ของเหลวกระทำต่อผนังภาชนะ เนื่องจากน้ำหนักของของเหลว
จากนิยาม
ดังนั้นจะได้ว่า
และจากการทดลอง p = krh จะได้ว่า k ก็คือ g นั่นเอง ซึ่งสอดคล้องกัน ดังนั้น จึงสรุปได้ว่า “สำหรับของเหลวที่อยู่นิ่ง ณ อุณหภูมิหนึ่ง ๆ ความดันของของเหลวจะแปรผันตรงกับความลึกและความหนาแน่นของของเหลวเสมอ” (ไม่ขึ้นอยู่กับรูปร่างของภาชนะหรือปริมาตรของของเหลว ) ความดันเกจและความดันสัมบูรณ์ของของเหลว ปกติเราจะตั้งเครื่องมือให้อ่านความดันได้เป็นส่วนที่เกินจากความดันบรรยากาศ จึงเรียกว่า gauge pressure ความดันบรรยากาศ (Patm) + ความดันเกจ (PG) = ความดันสัมบูรณ์ (Pab) atmospheric pressure + gauge pressure = absolute pressure
ส่วนความดันเนื่องจากน้ำหนักของของเหลว อาจเรียกว่า ความดันเกจ
หมายเหตุ
1. ความดันเกจ
(PG
)
ณ
จุดใด ๆ คือ ความดันที่ไม่คิดความดันบรรยากาศ ส่วนใหญ่คือ
ค่าที่อ่านได้จากมาตรวัดความดัน
ในการศึกษาความดันในของเหลว พบว่า
เมื่อนำขวดน้ำพลาสติกมาเจาะรู ขนาดพอสมควร น้ำจะพุ่ง ออกมาจากรูที่เจาะไว้
สถานการณ์จำลองข้างล่าง แสดงว่ามีแรงกระทำต่อน้ำในภาชนะเมื่อภาชนะมีรูเปิด
แรงนี้จะดันน้ำให้พุ่งออกมาซึ่งมีทิศตั้งฉากกับผนังภาชนะที่ตำแหน่งรูเปิดเสมอ
ไม่ว่าผนึกจะอยู่ในแนวใด
เราเรียกขนาดของแรงในของเหลวที่กระทำตั้งฉากต่อพื้นที่หนึ่งหน่วยของผนังภาชนะว่า
ความดันในของเหลว ตัวอย่างหลักการทำงานของถังน้ำประปาที่เราใช้กันอยู่ทุกวัน คุณสามารถใช้เมาส์ลากที่แถบสไลด์บาร์ด้านซ้ายมือเพื่อปรับระดับน้ำในถังแล้วสังเกตการไหลของน้ำที่ท่อยาง และคุณสามารถใช้เมาส์คลิกที่ปลายท่อยางแล้วลากปลายท่อขึ้นไปตามเนินเพื่อสังเกตการไหลของน้ำจากท่อยางที่ตำแหน่งต่างๆ บนเนินได้
จากตัวอย่างด้านบน ! คุณได้ความคิดอะไรบ้างเกี่ยวกับความดันของของเหลว (น้ำ)
## ของเหลวชนิดเดียวกันที่ระดับความลึกเดียวกันความดันมีค่าเท่ากันเสมอ โดยรูปทรงของภาชนะที่บรรจุไม่มีผลใด ๆ ต่อความดันเลย
|