Измерение давления и напряжений

Физическая природа давления

Давление — скалярная физическая величина, равная силе, действующей перпендикулярно на единицу площади поверхности:

$$ P = \frac{F}{S} $$

Единица измерения давления в Международной системе — паскаль (Па), где 1 Па = 1 Н/м².

Типы давления

Абсолютное давление — давление относительно абсолютного вакуума.
Избыточное давление — давление, превышающее атмосферное.
Атмосферное давление — давление, создаваемое столбом воздуха на уровне поверхности Земли (приблизительно 101325 Па).

Методы измерения давления

Жидкостные манометры

Используют уравнение гидростатики:

P = ρgh

где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, h — высота столба жидкости.

Ртутный манометр — один из самых точных, использует столб ртути.
Водяной манометр — применим для низких давлений.

Механические манометры

Пружинные (рычажные) манометры: давление деформирует пружину, а деформация переводится в показания.
Трубка Бурдона: гибкая трубка меняет форму при изменении давления, движение передается на стрелку.

Электронные датчики давления

Пьезорезистивные датчики: изменение сопротивления материала под действием давления.
Емкостные датчики: изменение емкости конденсатора при деформации мембраны.
Используются в промышленности для автоматизированного контроля.

Напряжения в жидкости и газе

В жидкости и газе существуют внутренние напряжения, которые проявляются как давление.
В гидростатическом равновесии давление одинаково во всех направлениях (изотропное напряжение).
В движущейся жидкости или газе давление может сочетаться с динамическими напряжениями, связанными с движением (например, давление на стенки сосуда).

Основные уравнения гидростатики и гидродинамики

Уравнение Паскаля: изменение давления в замкнутой жидкости передается без изменения во все точки жидкости.
Уравнение Бернулли связывает давление, кинетическую и потенциальную энергию в движущейся жидкости:

$$ P + \frac{1}{2} \rho v^2 + \rho g h = \text{const} $$

где v — скорость потока, h — высота над уровнем отсчёта.

Измерение напряжений

Для измерения напряжений в твёрдых телах применяются тензодатчики, но в жидкостях и газах основной характеристикой является давление.
Давление можно представить как нормальное напряжение, действующее на элемент площади внутри жидкости или газа.

Важные практические аспекты

При измерении давления необходимо учитывать температуру, высоту над уровнем моря и свойства измеряемой среды.
В технике используются комбинированные приборы, учитывающие разные виды давления и их изменения.

Таким образом, процессы кипения и конденсации тесно связаны с фазовыми переходами и зависят от давления и температуры, а точное измерение давления и понимание напряжений в жидкости и газе являются основой для анализа и проектирования множества технических систем и природных явлений.