TLAK
Izrazi 'tlak' i 'pritisak' u hrvatskom jeziku nisu istoznačnice (sinonimi) već se rabe za različite fizičke pojave. Pritisak je sila i mjeri se u njutnima [N], a tlak je količnik sile i površine na koju ta sila djeluje i mjeri se u paskalima [Pa]. Uzmemo li opeku težine mg možemo ju kao kvadar položiti na mekanu podlogu (npr. pijesak, tijesto, plastelin) na tri načina. Sila pritiska u sva tri slučaja će biti ista mg. Međutim otisak koji će opeka ostaviti na podlozi bit će različite dubine. ![]() Odmah se vidi da je dubina prodiranja obrnuto razmjerna površini S, što je površina manja tlak je veći. ![]() ![]() Razlika između tlaka i pritiska lako se može pokazati pokusom u kojem između kažiprsta i palca držimo čavao. Vrh čavla ima vrlo malu površinu u odnosu na površinu glave čavla. Sila pritiska s obje strane je jednaka ali tlak je na mjestu šiljka toliko velik da osjećamo kako nas bode jer prodire dublje u kožu. ![]() Jedna od posljedica gore navedenog je da možemo dobiti vrlo velik tlak od relativno male sile, smanjujući površinu na koju ta sila djeluje. Iz tog razloga sječivo noža djeluje većim tlakom kada je nož oštar ili čavao prodire u drvo lakše oštrim vrhom. Također možemo povećavajući površinu proizvesti mali tlak iako je sila velika, zato se za kretanje kroz snijeg bez propadanja koristimo krpljama ili skijama ili podna obloga više trpi ako hodate u visokim petama nego ako to radite u papučama. Na donjoj slici pod cijevi teške građevinske skele podmeću se daske kako bi se povećala površina i spriječilo propadanje i rušenje skele. ![]() Jedinica za tlak je pascal (Pa) i po definiciji to je 1 N na 1 metar kvadratni. Ako uzmemo posudu površine dna 1 m² možemo u nju naliti toliko vode joj težina bude 1 N. Tada će tlak na dno te posude iznositi točno 1 Pa. Koliko vode treba naliti da to postignemo i kolika će biti debljina sloja te vode kad ona ravnomjerno prekrije čitavo dno posude? ![]() Jedna litra vode ima masu 1 kg, to znači težinu (mg) od 10 N. Dakle, da bismo imali težinu od 1 N treba nam desetina litre ili jedan decilitar (0,1 ℓ) vode. Nakon što se decilitar vode ravnomjerno razlije po dnu našeg kvadratnog metra dobit ćemo sloj debljine 0,1 mm. Sloj vode od desetine milimetra stvara tlak od 1 Pa! Toliko je mali paskal. Izgleda da je dovoljno mokrom krpom prebrisati neku površinu i dobit ćemo tlak od jednog paskala. U meteorološkim se izvještajima količina kiše 🔎 Tekućina djeluje pritiskom na dno posude uslijed svoje težine mg, stoga je tlak na dno omjer te sile težine i površine dna S. U daljnjem izvodu površina se pokrati i dobivamo izraz koji pokazuje da tlak u nekoj točki tekućine ne ovisi o geometriji posude osim dubine. ![]() Taj se tlak naziva
hidrostatski tlak 🔎 p = ρ g h
Međutim, to nije jedini tlak koji treba uzeti u obzir, jer je posuda u kojoj se nalazi tekućina normalno izložena atmosferi, čija zračna masa također vrši pritisak na površinu tekućine, a time i tlak. Stoga će tlak u točki unutar tekućine biti zbroj hidrostatskog tlaka zbog stupca tekućine koji se nalazi iznad te točke, plus vanjski (atmosferski) tlak na površinu. To je temeljno načelo hidrostatike: p = po + ρ g h.
Hidrostatski paradoks 🔎PARADOKS [gr. Παράδοξος = neočekivano, čudno] je mišljenje, prosudba koja se razilazi s uobičajenim, općeprihvaćenim, protivi se (ponekad samo na prvi pogled) zdravom razumu; neočekivana pojava koja ne odgovara uobičajenim idejama u znanosti. je činjenica da su sile pritiska tekućine na dno različitih posuda napunjenih do iste visine s istim tekućinama uvijek iste bez obzira na količinu (obujam, težinu) tekućine. Posude iste visine s dnom jednake površine mogu se razlikovati samo po obliku - stožasta posuda može primiti manju količinu tekućine, a posuda koja se prema gore širi može primiti veću količinu tekućine. Međutim hidrostatski tlak čini težina STUPCA tekućine, a ne težina ukupne tekućine. ![]() Na prvi bismo pogled očekivali da će tlak na dno najuže (srednje) posude biti najmanji, a na dno desne - najveći. Tu pretpostavku opovrgava pokus jer dinamometri pokazuju istu silu pritiska, a to znači isti hidrostatski tlak u sve tri posude. Zaključujemo: Tlak tekućine na dno posude ne ovisi o njezinu obliku! ![]() Razlika između težine tekućine i sile pritiska na dno uzrokovana je reakcijskim silama stijenki, pa u posudi koja se gore sužava te sile djeluju na tekućinu koso prema dolje (pritišću tekućinu na dno), dok u posudi koja se širi djeluju na tekućinu koso prema gore (čine tekućinu lakšom). ![]() Činjenicu da tlak u tekućini djeluje i prema gore pokazuje Gravisandov pokus koji zahtijeva zaista minimalan pribor (cijev s brušenim rubom i glatku pločicu a). Pločicu pritisnemo rukom na donji otvor cijevi i pridržimo je vezanim koncem b. Zatim cijev uronimo u vodu. Pustimo li konac i prestanemo držati pločicu, ona će ostati priljubljena uslijed tlaka tekućine c. Za provjeru lijevamo obojenu vodu u cijev d i gledamo do koje razine treba uliti da bi se izjednačili tlakovi i pločica odvojila e. ![]() Fizičko je značenje ovog paradoksa da se težina tekućine u posudi razlikuje od sile pritiska na dno (za srednju i desnu posudu). Hidrostatski paradoks može se zorno pokazati spojenim posudama. To su međusobno spojene posude povezane prolazima za tekućinu i imaju zajedničko dno. U njima su površine homogene tekućine u mirovanju na istoj razini, bez obzira na oblik i veličinu pojedine posude. Jer je tlak na stjenke posuda na bilo kojoj vodoravnoj razini jednak. ![]() Tekućine djeluju tlakom osim na dno i na stjenke posude. I taj tlak ovisi o dubini što se može jednostavno pokazati istjecanjem mlazova iz rupica na posudi i uspoređivanjem njihovih dometa na podlozi koja treba biti dovoljno niže od najnižeg otvora same posude. ![]() ![]() Činjenica da tlak raste s dubinom uzima se u obzir i pri izradi velikih vodotornjeva kakvi se mogu naći na visokim zgradama u New Yorku. Drveni spremnici opasani su čeličnim obručima ali obruči nisu ravnomjerno razmaknuti. Kako tlak raste prema dnu tako je obruča sve više. Vodotoranj je građevina u vodoopskrbnoj mreži nizinskih naselja. To je spremnik izdignut visoko iznad tla za pohranu pitke ili industrijske vode. S povišenim spremnikom postiže se ne samo privremeno dovoljna količina vode, već i dovoljan i ujednačen tlak u vodovodnoj mreži. Visinom i zalihom vode kompenziraju se oscilacije tlaka na ulaznoj strani (punjenje) i fluktuacije potrošnje vode na izlaznoj strani (pražnjenje). Posljedica je manje opterećenje crpke za punjenje i stvaranje tlaka u opskrbnoj mreži. ![]() Osim u tekućinama tlak postoji i u ostalim
fluidima, pa tako i u zraku. Prvi dokaz atmosferskog tlaka izveo je talijanski fizičar Torricelli🔎 ![]() Da je Torricelli umjesto žive upotrijebio vodu, stupac koji bi uravnotežio tlak zraka bio bi 13,6 puta viši (koliko puta je gustoća vode manja od žive), odnosno imao bi visinu od oko 10,3 m.
Tlak težine fluida nastaje zbog sile teže koja privlači fluid iznad nas, poput tlaka kojim teret u ruksaku tlači naša ramena, ali uz važnu razliku što se tlak fluida, zbog slobodnog pomicanja njegovih molekula, prenosi ravnomjerno u sve smjerove, što znači da nema smjer. ![]() ![]() Omiljeni pokus uz temu tlaka zraka sastoji se od staklene čaše, do ruba napunjene vodom koja se poklopi tankim kartonom (npr. razglednica) i zatim okrene naopako. Na pitanje hoće li razglednica otpasti ili će ostati priljubljena uz otvor čaše, neće se instinktivno uvijek dobiti točan odgovor, čak niti od fizičara koji ne poznaju pokus. Kao što lako možemo pokazati razglednica ostaje priljubljena.
Uobičajeno objašnjenje pokusa glasi „…da je tlak zraka koji djeluje odozdol mnogo veći nego tlak stupca vode u čaši!“. Znamo da tlak zraka na razini mora odgovara u prosjeku tlaku stupca vode visine približno 10 m. Budući da je razglednica pritisnuta uz čašu tako velikim vanjskim tlakom zraka ona lako može držati mali stupac vode u čaši. Ako pokus s okrenutom čašom pokušamo izvesti s etilnim alkoholom umjesto vode, vidjet ćemo da ne uspijeva i da se razglednica neće zadržati. To nam pokazuje u kojem smjeru treba tražiti odgovor. Alkohol naime ima višestruko manju napetost površine od vode. U nastavi se često pokazuje djelovanje atmosferskog tlaka pomoću pokusa s okrenutom čašom i listom papira. Međutim objašnjenja koja se daju uz taj pokus obično su fizikalno netočna, poput tvrdnje „…da je tlak zraka koji djeluje odozdol mnogo veći nego tlak stupca vode u čaši!“. Ili se tvrdi da "čaša mora biti puna" Naime ako čaša nije posve ispunjena vodom očito je da tlak zraka iznad vode u čaši mora biti manji od vanjskog, atmosferskog tlaka. To smanjenje tlaka omogućeno je povećanjem njegovog volumena kao što nalaže Boyle-Mariotteov zakon. Poput vode u vodovodu, i krv u krvotoku je pod tlakom. Na taj način ona dolazi iz velikih krvnih sudova i u najtanje kapilare.
Srce djeluje poput tlačno-usisne crpke, koja se ritmično skuplja i ponovno opušta. Kao posljedica tog načina rada, krv se ne utiskuje u žile kontinuirano, nego na mahove. Zato se pri mjerenju krvnog tlaka uvijek određuju dvije vrijednosti: Gornji - Sistolički krvni tlak Donji - Dijastolički krvni tlak I danas se krvni tlak iskazuje u jedinicama mmHg - milimetri žive - budući da je izvorno određen pomoću živinog stupca. Jedan milimetar stupca žive iznosi 133 Pa. Prva dana vrijednost je uvijek sistolička izmjerena vrijednost (gornji tlak), druga vrijednost opisuje dijastolički (donji) krvni tlak. Optimalna vrijednost krvnog tlaka izmjerena u mirovanju je 120/80 mmHg. Ali se i malo više vrijednosti i dalje smatraju normalnim. Tek iznad 140/90 mmHg liječnici govore o povišenom krvnom tlaku, koji se stručno naziva arterijska hipertenzija🔎S obzirom na izmjerene vrijednosti arterijskog tlaka u ordinaciji, arterijski tlak se klasificira kao I gornji i donji krvni tlak neprestano se prilagođavaju zahtjevima našeg tijela. Tijekom tjelesnog napora srce tiska više krvi u tijelo, što povećava tlak. Krvni tlak također se povećava sa stresom i uzbuđenjem. Sporijim ili bržim otkucajima srca i sužavanjem ili širenjem krvnih žila, krvni se tlak optimalno prilagođava različitim situacijama u našem životu. Ova regulacija krvnog tlaka vitalna je za naše tijelo. Vjetar je gibanje zraka preko Zemljine površine, uzrokovano nejednakim zagrijavanjem Zemljine površine što dovodi do razlike u tlakovima različitih područja. Snaga vjetra može varirati od laganog povjetarca do orkanske snage i mjeri se Beaufortovom skalom vjetra. Pritisak vjetra ili snaga vjetra, važna je veličina pri izračunavanju djelovanja vjetra na objekte, npr. velikih ploha, zgrada ili mostova. Dinamički tlak je umnožak aerodinamičkog koeficijenta c (ovisnog o obliku objekta) i tlaka zastoja vjetra. Sila se dobiva množenjem tlaka i površine objekta. Numerička simulacija: Snaga vjetra, u nekim podnebljima, može postići orkanske razmjere i ostaviti dramatične razarajuće učinke. Takve elementarne nepogode mogu izbrisati čitava naselja s lica zemlje, naročito u siromašnim predjelima gdje se kuće grade uglavnom od jeftinih, lakih materijala. U doba nastajanja eksperimentalne znanosti, u 16. stoljeću, brojni su znanstvenici raspravljali o pitanju, postoji li zaista zrakoprazan prostor. Tim se je pitanjem bavio čak i gradonačelnik Magdeburga (i fizičar) Otto von Guericke🔎 „Weil die Gelehrten nun schon
seit langem über das Leere, ob es vorhanden sei, ob nicht, oder was es sei, gar
heftig untereinander stritten (...) konnte ich mein brennendes Verlangen, die
Wahrheit dieses fragwürdigen Etwas zu ergründen, nicht mehr eindämmen
(...)"[1] „Dok se učenjaci, sada već dosta dugo, međusobno žustro prepiru o praznini, postoji li ona, ili ne postoji, ili što je ona uopće (...) ja nisam više mogao sputavati svoju goruću želju da donekle dokučim istinu te dvojbe (...)"
[1] Originalne polukugle korištene u Magdeburškom pokusu, čuvaju se u Tehničkom muzeju u Minhenu.
Model magdeburških kugli za školske pokuse iz fizike, promjer im je
oko 10 cm pa se mogu rastaviti silom koja odgovara težini od oko 75 kg. Polukugle su priljubljene jedna uz drugu s brtvom na spoju. Nakon što se vakuumskom sisaljkom iz njih isiše zrak (zrakoprazan prostor u njima je relativno grubi vakuum) vanjski tlak stvara silu koja sprječava njihovo rastavljanje. Guerickeovi spektakularni pokusi s vakuumom počeli su od 1650 i učinili ga slavnim fizičarem i inžinjerom. Vrhunac njegovog izrazitog istraživačkog niza bio je pokus o djelovanju tlaka zraka: Magdeburške polukugle. Demonstracija njegovog čuvenog pokusa izvedena je prvi puta 1657. godine u gradu Magdeburgu: U tu svrhu Guericke je pomoću vakuumske sisaljke iscrpio zrak iz dvije šuplje bakarne polukugle, koje su na spoju bile zabrtvljene kožnatom brtvom natopljenom u ulje i vosak, a imale su promjer od 42cm. Zrak koji je izvana djelovao na polukugle, pritiskao je polovice jednu uz drugu. Da bi pokazao koliko veliki tlak uzrokuje atmosfera, Guericke je za svaku polukuglu upregnuo po osam konja, i oni nisu bili u stanju razdvojiti polukugle. Kolika je vučna sila konja? Guericke je zapisao u svom glavnom djelu "Experimenta nova (ut vocantur) Magdeburgica De Vacuo Spatio": Svojim je pokusima pobio tada prevladavajuće uvjerenje o „Horror vacui" (lat. Strah, groza od praznine), takozvanom strahu prirode od praznine, kojim su ljudi u to doba između ostalog objašnjavali načelo crpljenja pomoću sisaljki. Guericke je pokazao, da zrakoprazan prostor stvarno postoji i kako ga čovjek može ostvariti. Istodobno je razjašnjeno, da zrak kao i svako drugo tijelo ima težinu. I prema tome Magdeburške polukugle nisu „privučene jedna drugoj unutrašnjim vakuumom", nego su uslijed velikog tlaka zraka izvana pritisnute jedna uz drugu. Izračun sile potrebne za razdvajanje polukugli Konceptualni zadatak: U godini fizike 2005. pokus je izveden u Zagrebu:
|