物理学上的压力,是指发生在两个物体的接触表面的作用力,或者是
气体对于
固体和
液体表面的垂直作用力,或者是液体对于固体表面的垂直作用力。(物体间由于相互挤压而垂直作用在物体表面上的力,叫作压力。)例如足球对地面的力,物体对斜面的力,手对墙壁的力等。
产生机理
固体表面的压力通常是
弹性形变的结果,一般属于
接触力。液体和气体表面的压力通常是重力和
分子运动的结果。压力的作用方向通常垂直于物体的接触面。如果观测到压力的作用方向与接触面并不垂直,通常是由于压力和
摩擦力共同作用的结果。
特点
1.作用方向与作用面积垂直并与作用面积的外法线方向相反;
2.压力一定时,受力面积越小,压力作用效果越显著;
3.受力面积一定时,压力越大,压力作用效果越显著。
计算公式
压强=压力/受力面积(p=F/S);
压力=压强×受力面积(F=pS);
受力面积=压力/压强(S=F/p)。
主要单位
压力
压强
国际单位:“帕斯卡”,简称“帕”,符号“Pa ”;
换算: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大气压(at m)
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大气压(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大气压(atm);
1大气压(at m)=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);
在工程中几种常见压力单位换算关系如下:
1MPa=106Pa≈145psi≈10.2kgf/cm2
1kgf/cm2=98.067kPa≈98kPa
1psi(1bf/in2)=6.8948kPa≈6.9kPa
1mmH2O=9.8067Pa≈9.8Pa
流体的压力
流体在任意一点的受力状态都可以用应力张量来表示。应力张量总共有9个分量,表示为:
其中σx,σy,σz分别是流体的其余部分对流体内的体积元在x,y,z方向的正应力; , , , , , 是6个剪应力。
静止流体与理想流体
如果流体处于静止状态,或虽处于运动状态但流体是理想的(即可以忽略其粘性),则6个剪应力分量都等于零,只有σx,σy,σz不等于零。σx,σy,σz都是以受力面的外法线为其正向,而压力的正向恰好与之相反,可以证明:σx=σy=σz=-p,即静止流体或理想流体的压力等于任一方向正应力的负值。
粘性流体
对于运动的粘性流体,6个剪应力分量不会同时等于零,这时在斯托克斯假设(见粘性)成立的条件下,压力定义为:
即压力的大小等于所考察点三个正应力的平均值。可以证明它也是考察点所有方向上法应力的平均值。
通常把作用在1平方厘米上的单位作用力(1克力)作为压力的单位。但是,在实际应用时它失之过小,工业上采用的压力单位是千克力/厘米。在海平面上的大气压力为pA=1 033克力/厘米2,与工业上采用的压力单位比较接近。
国际单位制(SI)中的压力单位是帕斯卡(Pascal,简称Pa),1帕斯卡=1牛顿/平方米。
与温度体积的关系
流体的压力与温度、体积等有密切的关系。例如理想气体服从以下的状态方程:
pv=nRT,
式子中p为压强;υ为单位质量气体的体积;T为
热力学温度;R为气体常数,等于287.14米/(秒2·开)。
易错理解
压力与重力
(1)压力是由于相互接触的两个物体互相挤压发生
形变而产生的,按照力的性质划分,压力属于弹力;重力是由于地面附近的物体受到地球的吸引作用而产生的,属于引力。
(2)压力的方向没有固定的指向,但始终和受力物体的接触面相垂直。(因为接触面可能是水平的,也可能是竖直或倾斜的)重力有固定的指向,总是竖直向下。
(3)压力可以由重力产生也可以与重力无关。当物体放在水平面上且无其他外力作用时,压力与重力大小相等。当物体放在斜面上时,压力小于重力。当物体被压在竖直面上时,压力与重力有时无关。当物体被举起且压在天花板上时,重力削弱压力的作用。
(4)压力的作用点在物体受力面上,重力的作用点在物体重心,规则的均匀的几何体的重心在物体的几何中心。
力可以使物体产生形变。例如,用木棒从各个角挤压面团,可看到,当木棒离开后,面团上留下一个个的凹坑,这种使面团发生凹陷形变的力为压力。
不少学科常常把压强叫做压力,同时把压力叫做总压力。这时的压力不表示力,而是表示垂直作用于物体单位面积上的力。在工程上压力和压强叫法有时不严格区分,但是在具体计算时绝对不是一个物理量,这种叫法是错误的或至少是不规范的,它们一个是标量一个是矢量,绝不等同。只是在看工程类的书籍或文件的时候要知道有这么一种叫法,具体怎么区分就看它所使用的单位是什么。
有关解释
1.大气压:地球表面上的
空气柱因重力而产生的压力。它和所处的
海拔高度、纬度及气象状况有关。
2.差压(压差):两个压力之间的相对差值。
3.
绝对压力:介质(液体、气体或蒸汽)所处空间的所有压力。
4.
表压力(相对压力):如果绝对压力和大气压的差值是一个正值,那么这个正值就是表压力,即表压力=绝对压力-大气压>0。
5.负压(
真空表压力):和“表压力“相对应,如果绝对压力和大气压的差值是一个负值,那么这个负值就是负压力,即负压力=绝对压力-大气压<0。
6.静态压力:一般理解为“不随时间变化的压力,或者是随时间变化较缓慢的压力,即在流体中不受流速影响而测得的表压力值”。
7.动态压力:和“静态压力”相对应,“随时间快速变化的压力,即
动压是指单位体积的流体所具有的动能大小。”通常用1/2ρν2计算。式中ρ—
流体密度;v—流体
运动速度。”
8.气体压力:通常提到的
气体压力或者
大气压力,实际上是取其每单位面积上的压力的数值,关于这个概念在物理学和热力学上的应用,请看
压强。