産生機理
固體表面的壓力通常是彈性形變的結果,一般屬于接觸力。液體和氣體表面的壓力通常是重力和分子運動的結果。壓力的作用方向通常垂直于物體的接觸面。如果觀測到壓力的作用方向與接觸面并不垂直,通常是由于壓力和摩擦力共同作用的結果。
特點
1.作用方向與作用面積垂直并與作用面積的外法線方向相反;
2.壓力一定時,受力面積越小,壓力作用效果越顯著;
3.受力面積一定時,壓力越大,壓力作用效果越顯著。
計算公式
壓強=壓力/受力面積(p=F/S);
壓力=壓強×受力面積(F=pS);
受力面積=壓力/壓強(S=F/p)。
主要單位
壓力
國際單位:“牛頓”,簡稱“牛”,符号“N”。
壓強
國際單位:“帕斯卡”,簡稱“帕”,符号“Pa”;
換算:1帕(Pa)=1N/㎡;
1兆帕(MPa)=145磅/平方英寸(psi)=10.2千克力/平方厘米(kgf/c㎡)=10巴(bar)=9.8大氣壓(atm)
1磅/英寸2(psi)=0.006895兆帕(MPa)=0.0703千克/平方厘米(kg/c㎡)=0.0689巴(bar)=0.068大氣壓(atm);
1巴(bar)=0.1兆帕(MPa)=14.503磅/平方英寸(psi)=1.0197千克/平方厘米(kg/c㎡)=0.987大氣壓(atm);
1大氣壓(atm)=0.101325兆帕(MPa)=14.696磅/平方英寸(psi)=1.0333千克/平方厘米(kg/c㎡)=1.0133巴(bar);
1毫米汞柱(mmHg)=133.33帕(Pa);
在工程中幾種常見壓力單位換算關系如下:
1MPa=106Pa≈145psi≈10.2kgf/cm²
1kgf/cm²=98.067kPa≈98kPa
1psi(1bf/in²)=6.8948kPa≈6.9kPa
1mmH2O=9.8067Pa≈9.8Pa
流體的壓力
流體在任意一點的受力狀态都可以用應力張量來表示。應力張量總共有9個分量。
其中σx,σy,σz分别是流體的其餘部分對流體内的體積元在x,y,z方向的正應力;,,,,是6個剪應力。
靜止流體與理想流體
如果流體處于靜止狀态,或雖處于運動狀态但流體是理想的(即可以忽略其粘性),則6個剪應力分量都等于零,隻有σx,σy,σz不等于零。σx,σy,σz都是以受力面的外法線為其正向,而壓力的正向恰好與之相反,可以證明:σx=σy=σz=-p,即靜止流體或理想流體的壓力等于任一方向正應力的負值。
粘性流體
對于運動的粘性流體,6個剪應力分量不會同時等于零,這時在斯托克斯假設(見粘性)成立的條件下,壓力定義為:
即壓力的大小等于所考察點三個正應力的平均值。可以證明它也是考察點所有方向上法應力的平均值。
通常把作用在1平方厘米上的單位作用力(1克力)作為壓力的單位。但是,在實際應用時它失之過小,工業上采用的壓力單位是千克力/厘米。在海平面上的大氣壓力為pA=1033克力/厘米2,與工業上采用的壓力單位比較接近。國際單位制(SI)中的壓力單位是帕斯卡(Pascal,簡稱Pa),1帕斯卡=1牛頓/平方米。
與溫度體積的關系
流體的壓力與溫度、體積等有密切的關系。例如理想氣體服從以下的狀态方程:
pv=nRT,
式子中p為壓強;υ為單位質量氣體的體積;T為熱力學溫度;R為氣體常數,等于287.14米/(秒2·開)。
易錯理解
壓力是與物體形變相關聯的一種彈力。
壓力發生在相互接觸并擠壓的兩個物體之間。壓力是一種接觸力,任何彼此分離的兩個物體間不可能産生壓力,相互接觸的物體間沒有擠壓作用也不會産生壓力。
壓力的方向總是與物體的接觸面垂直,并指向被壓物體。
重力可以使物體産生壓力,但壓力并不是重力,壓力有時與重力無關。
壓力與重力
(1)壓力是由于相互接觸的兩個物體互相擠壓發生形變而産生的,按照力的性質劃分,壓力屬于彈力;重力是由于地面附近的物體受到地球的吸引作用而産生的,屬于引力。
(2)壓力的方向沒有固定的指向,但始終和受力物體的接觸面相垂直。(因為接觸面可能是水平的,也可能是豎直或傾斜的)重力有固定的指向,總是豎直向下。
(3)壓力可以由重力産生也可以與重力無關。當物體放在水平面上且無其他外力作用時,壓力與重力大小相等。當物體放在斜面上時,壓力小于重力。當物體被壓在豎直面上時,壓力與重力有時無關。當物體被舉起且壓在天花闆上時,重力削弱壓力的作用。
(4)壓力的作用點在物體受力面上,重力的作用點在物體重心,規則的均勻的幾何體的重心在物體的幾何中心。
力可以使物體産生形變。例如,用木棒從各個角擠壓面團,可看到,當木棒離開後,面團上留下一個個的凹坑,這種使面團發生凹陷形變的力為壓力。
不少學科常常把壓強叫做壓力,同時把壓力叫做總壓力。這時的壓力不表示力,而是表示垂直作用于物體單位面積上的力。在工程上壓力和壓強叫法有時不嚴格區分,但是在具體計算時絕對不是一個物理量,這種叫法是錯誤的或至少是不規範的,它們一個是标量一個是矢量,絕不等同。隻是在看工程類的書籍或文件的時候要知道有這麼一種叫法,具體怎麼區分就看它所使用的單位是什麼。
有關解釋
1.大氣壓:地球表面上的空氣柱因重力而産生的壓力。它和所處的海拔高度、緯度及氣象狀況有關。
2.差壓(壓差):兩個壓力之間的相對差值。
3.絕對壓力:介質(液體、氣體或蒸汽)所處空間的所有壓力。
絕對壓力是相對零壓力而言的壓力。
4.表壓力(相對壓力):如果絕對壓力和大氣壓的差值是一個正值,那麼這個正值就是表壓力,即表壓力=絕對壓力-大氣壓>0。
5.負壓(真空表壓力):和“表壓力“相對應,如果絕對壓力和大氣壓的差值是一個負值,那麼這個負值就是負壓力,即負壓力=絕對壓力-大氣壓<0。
6.靜态壓力:一般理解為“不随時間變化的壓力,或者是随時間變化較緩慢的壓力,即在流體中不受流速影響而測得的表壓力值”。
7.動态壓力:和“靜态壓力”相對應,“随時間快速變化的壓力,即動壓是指單位體積的流體所具有的動能大小。”通常用1/2ρν2計算。式中ρ—流體密度;v—流體運動速度。”
8.氣體壓力:通常提到的氣體壓力或者大氣壓力,實際上是取其每單位面積上的壓力的數值,關于這個概念在物理學和熱力學上的應用,請看壓強。