Формула тиску у фізиці

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Визначення

Під тиском у фізиці розуміється термодинамічна величина, виражена співвідношенням перпендикулярної сили тиску на площу поверхні, на яку вона впливає. При цьому згідно з законом Паскаля якщо система знаходиться в стані рівноваги, то тиск на неї буде однаковим для всіх точок системи. У фізиці, як втім і хімії, тиск позначають великою буквою Р, що походить від латинського слова «pressura» – тиск. (В англійській мові тиск так і залишився майже без зміни -pressure).

Загальна формула

Одиниці

• Бари – один бар дорівнює 105 паскалей
• Міліметри водяного стовпа
• Метри водяного стовпа
• Технічні та фізичні атмосфери

Формула гідростатичного тиску

Як ми знаємо, різні агрегатні стани речовини, мають різні фізичні властивості. Рідини своїми властивостями відрізняються від твердих тіл, а гази в свою чергу відрізняються від них усіх. Тому цілком логічно, що способи визначення тиску для рідин, твердих тіл і газів також будуть різними. Так, наприклад, формула тиску води (або гідростатичного тиску) матиме наступний вигляд:

Де маленька p – щільність речовини, g – прискорення вільного падіння, h – висота.

Зокрема ця формула пояснює, чому при зануренні водолазів (або батискафа або підводного човна) на глибину все більше зростає тиск навколишньої води. Також з цієї формули зрозуміло, чому на предмет, занурений в якийсь кисіль, буде впливати більший тиск, ніж на предмет, занурений просто у воду, так як щільність кисіля (p) вище, ніж у води, а чим вище щільність рідини, тим вище її гідростатичний тиск.

Наведена нами формула гідростатичного тиску справедлива не тільки для рідин, але і для газів. Тому піднімаючись високо в гори (де повітря більш розріджене, а значить менший тиск), як і спускаючись у підводні глибини, людина, водолаз або альпініст повинен пройти спеціальну адаптацію, звикнути до того, що на нього буде діяти інший тиск.

Різка зміна тиску може призвести до кесоної хвороби (у випадку з водолазами) або до «гірської» хвороби (у випадку з альпіністами). І «кесонка» і «горняшка», як їх сленгово називають водолази і альпіністи, викликана різкою змінної тиску навколишнього середовища. Тобто, якщо не підготовлена людина почне раптом підніматися на Еверест, то вона швидко зловить «горняшку», а якщо ця ж людина почне опускатися на дно Маріїнської западини, то гарантовано отримає «кесонку». У першому випадку причиною буде не адаптація організму до зниженого тиску, а в другому – до підвищеного.

Американські водолази у декомпрессіоній камері, покликаній підготувати їх до глибоководних занурень і адаптувати організм до високого тиску океанських глибин.

Парціальний тиск та його формула

Хоча формула гідростатичного тиску застосовна для газів, але тиск для них зручніше обчислювати за іншою формулою, формулою парціального тиску.

Справа в тому, що в природі рідко зустрічаються абсолютно чисті речовини, причому це стосується як рідин, так і газів. Зазвичай на практиці в навколишньому світі переважають різні суміші, і логічно, що кожен з компонентів такої суміші може надавати різний тиск, такий різний тиск і називають парціальним. Визначити парціальний тиск просто – він рівний сумі тисків кожного компонента даної суміші. Звідси формула парціального тиску матиме наступний вигляд:

Де P₁, P₂ и P₃ – тиски кожного з компонентів газової суміші, так званий «ідеальний газ».

Наприклад, щоб визначити тиск повітря звичайної формули гідростатичного тиску обчисленої тільки з киснем недостатньо, так як повітря в реальності являє собою суміш різних газів, де крім основного компонента кисню, яким ми всі дихаємо, є й інші: азот, аргон і т. д.

Такі розрахунки потрібно проробляти за допомогою формули парціального тиску.

Формула тиску ідеального газу

Також варто зауважити, що тиск ідеального газу, тобто кожного окремого з компонентів газової суміші зручно порахувати за формулою молекулярно-кінетичної теорії.

Де n – концентрація молекул газу, T – абсолютна температура газу, k – постійна Больцмана (вказує на взаємозв’язок між кінетичною енергією частинки газу і її абсолютною температурою), вона дорівнює 1,38*10 -23 Дж/К.

Прилади для вимірювання

Зрозуміло, людство винайшло багато приладів, що дозволяють швидко і зручно вимірювати рівень тиску. Для вимірювання тиску навколишнього середовища, він же атмосферний тиск, використовують такий прилад як манометр або барометр.

Так виглядає класичний барометр для вимірювання атмосферного тиску.

Щоб дізнатися артеріальний тиск у людини, що часто служить причиною нездужань використовується прилад відомий більшості під назвою неінвазивний тонометр. Таких приладів існує безліч різновидів.

Також біологи в своїх дослідженнях займаються розрахунками осмотичного тиску – це тиск всередині і зовні клітини. А метеорологи, зокрема по перепадах тиску в навколишньому середовищі прогнозують нам погоду.

Рекомендована література та корисні посилання

• ДСТУ 3651.1-97. Метрологія. Одиниці фізичних величин. Похідні одиниці фізичних величин міжнародної системи одиниць та позасистемні одиниці. Основні поняття, назви та позначення.
• E. R. Cohen et al, «Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry», IUPAC Green Book, 3rd Edition, 2nd Printing, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge (2008). — p. 14.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв’язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected] або у Фейсбук.

Як правильно вимірювати тиск? Поради кардіолога

Багато людей навіть і не підозрюють, що в них підвищений рівень артеріального тиску. Навряд чи хто-то піде до лікаря тільки для того, щоб його вимірювати. Як же дізнатися свій тиск, не відвідуючи лікаря?

У сучасному світі існує можливість вимірювання рівня власного артеріального тиску в домашніх умовах за допомогою спеціального нескладного вимірювального приладу — тонометра.

Як підготуватися до вимірювання артеріального тиску?

Перед початком вимірювання, щоб отримати достовірний результат, потрібно відповідним чином підготуватися:

1. Температура в поміщенні повинна бути комфортною. На холоді судини звужуються і тиск злегка піднімається, а в спеку судини розширюються і тиск трохи понижується.

2. Приступайте до процедури тільки в стані спокою.

3. Відкладіть всі телефонні дзвінки, виключіть радіо та телевізор, припиніть розмову з домочадцями.

4. Почекайте 30 хвилин, якщо ви:

– випили каву або міцний чай;

– виконували фізичні вправи;

– відчули нервове напруження.

5. Перед вимірюванням відпочиньте протягом 10-15 хвилин, посидіть, розслабтесь.

Як підготувати місце для вимірювання тиску?

Для вимірювання тиску організуйте зручне місце:

• підберіть стілець зі спинкою;
• установіть його біля столу боком;
• стіл повинен бути на такій висоті, щоб середина плеча руки, на якій ви будете виконувати вимірювання, розташувалася на одному рівні з серцем.

Як виміряти тиск?

Вимірювання тиску здійснюється в наступній послідовності:

1. розмістіться на стільці боком до столу;

2. прийміть зручну позу, в якій ви можете просидіти весь час виміру, не напружуючись;

3. звільніть плече руки, на якій ви будете вимірювати тиск, від одягу;

4. випустіть повітря з манжети тонометра;

5. надіньте манжету на плече посередині – відстань від нижнього краю манжети до ліктьового згину має складати близько двох сантиметрів.

6. зафіксуйте манжету не дуже щільно, щоб під нею проходив один палець;

7. руку зручно розмістіть на столі, потрібно, щоб вона не висіла;

8. перевірте, щоб середина манжети і серце знаходились на одному рівні (якщо манжета буде вище, то показник тиску буде нижче і, навпаки, якщо манжета буде нижче, то показник буде вище);

9. всі резинові шнури розташуйте вільно, без перегинів та перекрутів;

10. циферблат автоматичного тонометра розмістіть перед собою на столі, натисніть кнопку «Пуск» і, не рухаючись, очікуйте результатів виміру;

11. манометр механічного тонометра розташуйте на рівні очей, прослідкуйте, щоб його стрілка була на нулі;

12. оливи мембранного фонендоскопа з комплекту апарата розташуйте в області зовнішніх слухових проходів;

13. щільно прикладіть до ліктьової ямки мембрану акустичної головки фонендоскопа таким чином, щоб вона не торкалася шлангів, манжети чи одягу;

14. візьміть гумову грушу, перекрийте клапан і енергійно здавлюйте її для заповнення манжети повітрям;

15. стежте за стрілкою манометра: коли вона підніметься вище за звичайний для вас рівень тиску на 20-30 мм рт. ст., припиніть нагнітати повітря;

16. повільно відкрутіть клапан гумової груші, щоб повітря почало поступово виходити з манжети, а стрілка манометра стала пересуватися зі швидкістю 2-3 мм рт. ст. за секунду;

17. коли ви почуєте перший звук пульсації артерій, запам’ятайте значення, у якому виявиться стрілка манометра — це ваш «верхній» (систолічний) артеріальний тиск;

18. продовжуйте слухати тони та запам’ятайте значення, на яке вкаже стрілка манометра під час повного їх припинення – це ваш «нижній» (діастолічний) артеріальний тиск;

19. повністю відкрийте клапан груші;

20. зніміть манжету тонометра зі своєї руки і випустіть повітря, злегка натискаючи;

22. повторіть вимір на тій же руці ще двічі з інтервалом за одну хвилину між ними;

23. результат із середніми значеннями з отриманих трьох і буде вашим рівнем артеріального тиску.

Аналогічно ви можете виміряти рівень тиску на другій руці. При цьому ви можете отримати дещо інший результат, який відрізняється від результату на першій руці в межах 10 мм рт. ст. для «верхнього» та 5 мм рт. ст. для “нижнього” артеріального тиску.

Коли потрібно попрямувати до лікаря?

В обов’язковому порядку слід відвідати лікаря, якщо:

• рівень артеріального тиску вийшов вище 130/90 мм рт. ст.;
• відзначається суттєва різниця між рівнями артеріального тиску на одній і другій руці.

Тепер ви знаєте, як виміряти артеріальний тиск собі самостійно. Залишилося тільки придбати в аптеці відповідний тонометр. І тоді ви зможете дізнатися про свій тиск не тільки на прийомі у лікаря, а й удома, в гостях, на дачі, в дорозі, на відпочинку. Це дозволить успішно контролювати артеріальний тиск у будь-якій ситуації, а значить уникнути будь-яких ускладнень гіпертонії, у тому числі таких небезпечних, як мозковий інсульт та інфаркт міокарда.

Для того, щоб отримати консультацію лікаря-кардіолога, телефонуйте за номером (068) 752 52 52.