La pressió

CONTINGUTS:

1. Concepte de pressió.

2. Mesura de la pressió.

3. La pressió en els sòlids.

4. La pressió en els líquids.

5. La pressió en els gasos.

6. La pressió atmosfèrica.

7. En resum…

 

1. Concepte de pressió.

Sovint emprem la paraula pressió en molts aspectes de la nostra vida: la pressió arterial, la pressió de les rodes de la bicicleta, la pressió a la que inflem una pilota, l’olla a pressió i fins i tot “treballar sota pressió” o “no em pressionis” que no tindria res a veure amb la ciència. Què és doncs, la pressió des del punt de vista de la física?

Sovint també confonem els termes de força i pressió, ja que són dos conceptes que estan molt relacionats.  De fet, pressió és la força exercida per unitat de superfície.

Ho entendràs molt bé si penses en aquesta situació: imagina que camines per la neu sense esquís ni raquetes.  Segurament t’enfonsaràs, et mullaràs i et resultarà molt cansat caminar.  La situació millora molt quan et calces els esquís o les raquetes.  Què ha canviat? La força que exerceixes sobre el terra (la teva força pes) és la mateixa, però queda repartida en una superfície més gran que les teves sabates i per tant, no t’enfonses.

En definitiva, la responsable de enfonsar-te  o no a la neu és la pressió, i aquesta dóna una idea de com es reparteix la força de contacte sobre una superfície.

La pressió és la magnitud física que relaciona la força que s’exerceix i la superfície sobre la qual s’aplica. És un concepte físic que està present en tota la matèria: ja sigui sòlida, líquida o gasosa.

Al contrari que la força, la pressió és una magnitud escalar, perquè sempre actua perpendicular a la superfície de contacte.

Seguim pensant en l’exemple dels esquís: Fixa’t que la pressió augmenta quan augmenta la força, però disminueix quan augmenta la superfície, perquè obliga a dividir per un número més gran.

En el cas de la persona de la il·lustració, la força exercida sobre la neu era sempre la mateixa, però, en variar la superfície de contacte, la pressió ha canviat. En el primer cas es fa una pressió alta sobre la neu perquè la superfície és petita, però en el segon cas es fa una pressió petita perquè la superfície és més gran.

L’efecte de la pressió sobre sòlids, líquids i gasos. Una web (en castellà) per repassar el comportament de la matèria segons el seu estat (sòlid, líquid o gas).

Clica per anar a l’índex.

2. Mesura de la pressió.

La unitat del sistema internacional per a la força és el newton (N), per a la superfície és el metre quadrat (m2), així doncs, per a la pressió serà el (N/m2).

A aquest valor, donat que s’utilitza habitualment se li ha donat un nom especial, Pascal (Pa), en honor a Blaise Pascal.  És la unitat de pressió en el Sistema Internacional i es defineix com la pressió que exerceix un newton de força sobre una superfície d’un metre quadrat. Segons aquesta definició de pressió la fórmula és:

Sense títol

El Pascal no és la única unitat de pressió.  També podem mesurar en:

    • Quan es parla de pressió atmosfèrica, com fan per exemple els meteoròlegs, no es fa servir gaire aquesta unitat: s’utilitza l’atmosfera (atm), que es defineix com la pressió atmosfèrica normal a nivell del mar. El seu valor és de:

1 atm = 101.325 Pa

    • Com que aquesta pressió varia amb les condicions climàtiques i aquestes variacions són petites, resulta més útil fer servir una altra unitat anomenada mil·libar (mb).

1 mb = 100 Pa o bé 1 atm = 1.013 mb

    • Finalment, encara ens podem trobar una altra unitat en determinats aparells, com per exemple els que mesuren la pressió sanguínia: el mil·límetre de mercuri (mm de Hg).

760 mm de Hg = 1 atm

    • En enginyeria, degut a que normalment es tracta amb pesos molt grans, no és útil parlar de Newtons. En comptes d’aquesta unitat es parla de kiloponds (kp). El kilopond és el que pesa una massa d’un quilogram, i per tant equival a 9,8 N. Per parlar de pressió normalment s’utilitza el kp/cm2.
    • Com que el pascal és una unitat relativament petita, és molt habitual fer ús de diferents múltiples com l’hectopascal (hPa) equivalent a 100 Pa o el bar, equivalent a 100.000 Pa

Hi ha diferents instruments de mesura de la pressió, que reben diferents noms segons pel que s’utilitzin.

Així els aparells que mesuren la pressió d’un fluid s’anomenen manòmetres. Són manòmetres tant l’aparell que fan servir els metges quan ens prenen la pressió sanguínia, com el que utilitzem per mesurar la correcta pressió dels pneumàtics a la benzinera.

Els aparells que mesuren les variacions de la pressió atmosfèrica s’anomenen baròmetres i normalment estan graduats en mil·libars.

Finalment, els aparells que mesuren l’altura a partir de la disminució de la pressió atmosfèrica s’anomenen altímetres.

Clica per anar a l’índex.

3. La pressió en els sòlids.

Els sòlids es caracteritzen per tenir les següents propietats:

  • una forma pròpia, fixa.
  • un volum fix, constant (incomprensibilitat).
  • una densitat, normalment, superior a la dels altres estats.
  • No flueixen (no són fluids).

Quan una força actua sobre un cos que es pot deformar, l’efecte que produeix depèn de la intensitat de la força i de la superfície sobre la qual actua.

En la pàgina Fisicanimada trobaràs unes simulacions sobre la pressió en els sòlids.

En ella se’ns explica perquè ens resulta més còmode dormir sobre un matalàs que sobre una fusta: com que en estirar-nos sobre el matalàs la superfície de contacte del nostre cos és més gran (perquè és tou i ens hi enfonsem) que si ens estirem damunt d’un tros de fusta, els Newtons del nostre pes es reparteixen en una superfície major i per tant, la relació F/S és més petita, fem menys pressió i estem més còmodes!

També ens explica perquè els ganivets esmolats tallen millor que els que no ho estan.  Per tallar el pernil necessitem fer una força; si el ganivet està esmolat, la superfície de contacte de la força és menor i, per tant, la relació F/S és més gran.  Fem menys pressió amb una força més petita!

Per acabar, si t’ensenyem diferents tipus de sabates, amb quines creus que exerciries més pressió sobre el terra?  Per què?

Els sòlids fan pressió.  Aquesta és una miniunitat didàctica de l’edu365 per repassar el concepte de pressió i com actuen sobre els sòlids.  Després de llegir les explicacions fes les activitats de l’apartat “Avalua’t” per escrit.  L’apartat “Practica” el farem al laboratori.

Clica per anar a l’índex.

4. La pressió en els líquids.

L’estudi de la pressió té un interès especial en el cas dels fluids, és a dir, dels líquids i dels gasos, ja que, per exemple, moltes màquines els utilitzen com a transmissors de força.

Les partícules estan sempre en moviment, poden canviar de posició i desplaçar-se unes respecte a altres. Les partícules estan, més o menys, a la mateixa distància relativa que en els sòlids.  No tenen tampoc forma pròpia, però podem considerar que són incompressibles: el seu volum no canvia encara que se sotmetin a forces de compressió.

Aquesta és la raó per la qual si es fa una pressió en un punt qualsevol d’un líquid, l’acció es transmet immediatament a tota la resta del fluid, amb la mateixa intensitat.  Aquest fenomen es coneix com a principi de Pascal i aquest dibuix n’és un exemple:

Com pots veure en aquesta experiència si es fa pressió amb la xeringa en un punt del líquid que conté l’esfera, aquesta pressió es transmet i fa sortir el líquid a pressió per tots els orificis.

El Principi de Pascal s’aplica directament a les màquines hidràuliques.

Si apliquem una petita pressió sobre una superfície petita, aquesta es transmet immediatament i es pot transformar en una gran pressió si és aplicada sobre una gran superfície.

Aquest també és el principi que regeix el funcionament dels frens hidràulics, que transmeten la pressió del peu a través del líquid de frens fins la pinça que apreta els discs de fre.

4.1. La pressió hidrostàtica.

Tots els fluids exerceixen, a causa del seu pes, una pressió sobre les parets i el fons del recipient on reposen. És la pressió hidrostàtica.

El valor de la pressió hidrostàtica que hi ha a una determinada profunditat d’un fluid en repòs no depèn de la quantitat total de fluid, sinó de la seva densitat i de la profunditat:

p = d ⋅ g ⋅ h

d = densitat del fluid
g = gravetat
h = profunditat dins el fluid

En aquest vídeo es veu clarament:

[youtube]http://youtu.be/q2s9b06AXwk[/youtube]

Un submarinista està sotmès a dues pressions: la pressió atmosfèrica, que veurem més endavant,  i la pressió hidrostàtica.

Ara investiga una miqueta:

1- On hi ha més pressió: a 10 m sota l’aigua o a 200 m?

2- Què fan els submarinistes per baixar a molta profunditat? I quan pugen?

3- Què és la descompressió? I una càmbra hiperbàrica?

4- Quan augmenta la pressió de l’aigua a cada metre que baixem?

5-Què era un batiscaf? En què consistia?

4.2. Els vasos comunicants.

Quan dos o més recipients oberts es comuniquen per la seva base i se n’omple un amb un líquid, s’observa com aquest passa d’un recipient als altres per tal que en tot moment el nivell del líquid sigui el mateix en tots els recipients.

L’explicació del fenomen dels vasos comunicants és que només s’assoleix l’equilibri si les pressions s’igualen i això s’aconsegueix quan coincideixen les alçades del líquid en cada recipient.

A continuació un vídeo que ens ho mosta:

[youtube]http://youtu.be/xa4VHOL37HY[/youtube]

I si no ho veus clar, un altre exemple:

[youtube]http://youtu.be/FkJf15QthQ0[/youtube]

Quan tires aigua en un recipient, tingui els racons que tingui, l’aigua es distribuirà per ell fins arribar a una alçada homogènia. Quan el recipient no és molt complex, no ens sorprèn, una piscina per exemple, o un got d’aigua. Però passa igual en tots els casos, es tingui la forma que es tingui. I aquesta obvietat té les seves aplicacions, és clar.

El funcionament dels vasos comunicants s’aprofita en moltes situacions de la vida quotidiana ja des de temps immemorial.  Per exemple, els romans canalitzaven l’aigua de les seves ciutats precisament utilitzant aquest principi físic tan interessant. Construïen els seus dipòsits en alt, i més en la zona més elevada que hi hagués. Del dipòsit sortien les canonades que proveïen a la ciutat, que en estar a una alçada més baixa que el dipòsit, s’omplien per aquest simple principi. Avui dia en els edificis de les nostres ciutats se segueix usant, ja que és la manera més fàcil que l’aigua arribi a totes les cases.

A les bosses de sèrum dels hospitals passa el mateix. Estan penjades en alt i ens assegurem que el líquid entra en el cos. Si la bossa estigués a una alçada més baixa que el nostre cos, seria la pròpia bossa què s’ompliria de sang. Quina diferència… I tot per uns centímetres de res. Doncs sí.

4.3. L’empenyiment.  Principi d’Arquimedes.

Segurament hauràs experimentat que dins l’aigua els cossos “pesen menys” (diem que tenen un pes aparent) i que fins i tot alguns objectes, com els taps de suro, costa enfonsar-los. La raó és que tots els fluids exerceixen una força ascensional sobre els cossos que s’hi submergeixen. Aquesta força s’anomena empenyiment.

L’empenyiment és conseqüència també de la pressió hidrostàtica. A la part inferior d’un cos submergit dins un fluid la pressió és més elevada que a la part superior.

La diferència de pressions proporciona una força neta que empeny el cos cap amunt i que pot arribar a ser, fins i tot, més elevada que el pes.

Va ser el matemàtic sicilià Arquimedes, fa més de 2.000 anys, qui va descobrir, entre moltes altres coses, que el valor de l’empenyiment que rep un cos submergit dins un fluid coincideix exactament amb el pes del fluid desallotjat pel cos. 

En honor seu, aquest fet es coneix amb el nom de principi d’Arquimedes, i es pot expressar així:

E = dL ⋅ Vd ⋅ g

E = empenyiment
dL = densitat del líquid
Vd = volum de líquid desallotjat
g = gravetat

En aquest vídeo en anglès s’explica de forma divertida com Arquimedes va ajudar el rei Hieró a descobrir un frau i de pas, enunciar el seu famós principi.  Si vols, activa els subtítols clicant sobre la icona de full amb línies que surt a la barra inferior.

[youtube]http://youtu.be/ijj58xD5fDI[/youtube]

Flotabilitat.

Quan un cos està submergit en un líquid, actuen sobre ell dues forces oposades: el seu propi pes (P) i l’empenta del líquid (I). Si considerem un líquid de densitat dL, un sòlid de densitat ds i tenint en compte que el volum (V) del sòlid és també el volum del líquid desallotjat, es té:

Pes del sòlid: P = ms · g = ds · g · V
Empenta del líquid: I = mL · g = dL · g · V

Així que poden donar-se tres casos o situacions possibles relacionant les densitats:

dS> dL. En aquest cas, P> E. El sòlid s’enfonsa, ja que el pes supera l’empenta.

dS = dL. Ara P = I. El sòlid es manté parcialment submergit, en equilibri, en la situació que ocupa.

dS <dL. Passa que P <I. El sòlid puja i flota, fins que P i E s’equilibren.

Si la densitat del sòlid submergit és molt menor que la del líquid, el sòlid surarà, romanent gairebé per complet fora de l’aigua. És el cas del porexpan en aigua.

Si la densitat del sòlid és lleugerament menor que la del líquid, el sòlid surarà, però la major part estarà submergida. Un exemple són els icebergs, la part emergida correspon a la desena part de la seva mida.

Quan un cos se submergeix en un fluid.  Miniunitat didàctica que explica què és el pes aparent, el principi d’Arquimedes i per què suren els cossos.  Consulta tota la informació i fes per escrit els apartats “Practica” i “Avalua’t”.

Clica per anar a l’índex.

5. La pressió en els gasos.

Els gasos no tenen ni forma pròpia ni sempre el mateix volum. Adopten la forma i el volum del recipient que els conté. Estan formats per una infinitat de partícules que es mouen en totes direccions. Mentre es mouen, les partícules xoquen entre si i contra les parets del recipient. Aquests xocs provoquen una força sobre les parets del recipient, que són la causa de la pressió del gas.

Les col·lisions de les partícules d’un gas contra qualsevol superfície sòlida immersa en ell provoquen l’aparició d’una força, proporcional a l’àrea de la superfície. És el que anomenem pressió del gas.

En general, hi ha dues formes de variar la pressió que exerceix un gas: o bé canviar el nombre de partícules del mateix (és a dir, la seva densitat), o bé fer que topin contra les parets a una velocitat diferent (el que significa canviar la temperatura del gas). Podem trobar exemples de tots dos mètodes en la vida quotidiana.

Per exemple, a l’inflar un globus de festa, el que fem és introduir més partícules de gas al seu interior. Per tant, hi hauran més partícules que col·lidiran contra la paret per la seva part interna que externa, la goma sentirà una força neta cap a fora: augmenta la pressió interior. Com la goma no és rígida, aquesta força neta farà que cedeixi, incrementant el volum del globus.

En els casos en què la pressió d’un gas canvia a causa d’una variació en la seva temperatura, la velocitat mitjana de les partícules és diferent, i per tant els seus col·lisions contra les parets sòlides transmeten més o menys força. És a dir, a major temperatura, major pressió.

És un fenomen molt important en la indústria humana. De fet, l’automoció es basa en això: des de la màquina de vapor fins als motors de combustió interna actuals (els motors elèctrics no, és clar).

Clica per anar a l’índex.

6. La pressió atmosfèrica.

L’atmosfera, la capa d’aire que té un centenar de quilòmetres de gruix i que envolta la Terra, exerceix una pressió, a causa del seu pes, que anomenem pressió atmosfèrica. Tot i que varia amb l’altura i amb la temperatura de l’aire, a nivell del mar el seu valor oscil·la al voltant dels 101.300 Pa. Aquest valor constitueix també una altra unitat de pressió anomenada atmosfera (atm).

Es tracta d’un valor bastant alt, però el nostre cos s’ha adaptat perfectament per suportar sempre aquesta pressió.

En aquest vídeo de l’espai MéteoK el “professor K” ens explica què és la pressió atmosfèrica, com la notem i com es mesura.

Edu3.cat

L’existència de la pressió atmosfèrica, que ara ens sembla evident, no va ser acceptada fins al segle XVII, gràcies als treballs d’Otto von Guericke, Torricelli i Pascal, entre altres.

[youtube]http://youtu.be/-Fazeijkv8M[/youtube]

Si en lloc de mercuri Torricelli hagués utilitzat aigua, la columna hauria pogut assolir uns 10 metres d’alçada!

L’experiment de Torricelli és l’origen d’una altra unitat de pressió: el mil·límetre de mercuri (mmHg).

Correspondència entre unitats de pressió:

          • 1atm = 101.300 Pa
          • 1atm = 1.013 hPa
          • 1atm = 1,013 bar
          • 1atm = 1013 mb
          • 1 atm = 760 mm Hg

En Pepquímic ens mostra alguns experiments sobre el buit, com si fos un joc amb la pressió atmosfèrica.

[youtube]http://youtu.be/bdgML_rxYsc[/youtube]

 6.1. La previsió meteorològica.

Els meteoròlegs poden preveure el temps que farà a partir de la pressió atmosfèrica. En els seus mapes dibuixen les isòbares, les línies formades pels punts que tenen la mateixa pressió atmosfèrica. Aquestes línies delimiten zones d’altes pressions i zones de baixes pressions.

Quan la pressió atmosfèrica d’una zona de la Terra disminueix, l’aire més calent que està en contacte amb la superfície terrestre ascendeix a causa de la seva densitat més petita i pot donar lloc a la formació de núvols. Per això les baixes pressions van acompanyades normalment de mal temps.

Les zones d’altes pressions, en canvi, impulsen els núvols cap a zones de pressió més baixa i no deixen pujar l’aire calent de la superfície. Per això acostumen a anar acompanyades de dies assolellats i calitja.

En aquest vídeo el “Professor K” ens parla dels anticiclons, les depressions i la seva importància en l’elaboració dels mapes del temps.

Edu3.cat

7. En resum…

En aquestes presentacions es resumeixen tots els aspectes treballats sobre la pressió en aquesta unitat.

PRESSIÓ apunts by Eulàlia Millán Calvet

Guió del dossier. Fisiquim 2n TEMA 1 complet 2013-14

 

 

Una resposta a La pressió

  1. marc diu:

    molt bona revista

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà Els camps necessaris estan marcats amb *