Tại sao áp suất không khí ở tất cả các hướng?

1. Dưới đây là một định nghĩa điển hình về áp suất không khí:

Áp suất không khí được gây ra bởi trọng lượng của các phân tử không khí ở trên. Ngay cả các phân tử không khí nhỏ cũng có trọng lượng, và số lượng lớn các phân tử không khí tạo nên các tầng khí quyển của chúng ta có trọng lượng rất lớn, nhấn xuống bất cứ thứ gì bên dưới.

2. Tuy nhiên, tất cả các nguồn tôi đã thấy rằng áp suất không khí bằng nhau theo mọi hướng.

1 & 2 có vẻ mâu thuẫn.

Câu hỏi liên quan:

Tại sao áp suất không khí từ trên cao không đè bẹp chúng ta? Câu trả lời tôi thấy nhất quán được đưa ra là áp suất không khí bằng nhau từ bên dưới sẽ cân bằng nó. Nhưng nếu một chiếc xe hơi đang đè lên tôi từ trên cao và nghiền nát tôi, thì một chiếc xe khác áp sát tôi từ bên dưới sẽ không làm giảm áp lực đó - nó sẽ chỉ làm tăng áp lực mà tôi cảm thấy! Nếu tôi ở trong một cái tủ kín, và một trong những bức tường sẽ áp vào tôi, và rồi bức tường đối diện cũng sẽ áp vào tôi, bức tường thứ hai sẽ không "cân bằng" mọi thứ, mà chỉ làm tăng áp lực cho tôi sẽ cảm thấy!

Tại sao áp suất không khí bằng nhau theo mọi hướng?

Hãy tưởng tượng nó có nghĩa gì đối với một miếng kim loại phẳng mỏng nếu áp suất không bằng nhau từ trên xuống dưới. Sẽ có nhiều áp lực đẩy từ trên xuống hơn là đẩy lên từ bên dưới, tương đương với một lực ròng. Lực này sẽ bắt đầu tăng tốc mảnh kim loại xuống dưới; sẽ không có trạng thái cân bằng. Bây giờ hãy quên đi miếng kim loại. Không có nó, sẽ có các phân tử không khí ào xuống từ độ dốc áp suất. Họ thực sự sẽ lao xuống cho đến khi họ cân bằng độ dốc áp suất và ngừng di chuyển.

Tại sao áp suất không khí từ trên cao không đè bẹp chúng ta? Câu trả lời tôi thấy nhất quán được đưa ra là áp suất không khí bằng nhau từ bên dưới sẽ cân bằng nó.

Điều này không hoàn toàn chính xác. Áp lực không chỉ đơn giản là bằng nhau từ trên xuống dưới với cơ thể bạn là một vùng có áp lực khác nhau. Thay vào đó, toàn bộ cơ thể của bạn có cùng áp lực với môi trường xung quanh. Để hiểu sự khác biệt, hãy nghĩ về một chiếc xe tăng mà một số không khí có thể được sơ tán (một bể chân không). Khi bể chứa đầy không khí ở áp suất bằng với môi trường xung quanh, nắp có thể được tháo ra dễ dàng. Nếu bạn niêm phong thùng chứa, bơm một ít không khí ra ngoài, và sau đó cố gắng tháo nắp bạn sẽ thấy rằng nó bị kẹt rất chặt. Điều này là do có một lực mạnh trên nắp gây ra bởi độ dốc áp suất giữa bên trong và bên ngoài.

Việc cơ thể bạn ở áp suất khí quyển thực sự rất quan trọng đối với cách thức hoạt động của nó. Nếu bạn bị ném ra khỏi tàu vũ trụ nơi áp suất gần bằng 0, tất cả các khí (oxy là một chất quan trọng) sẽ bay hơi ra khỏi chất lỏng trong cơ thể bạn.

Áp suất không khí được tác động lên bề mặt cơ thể bởi các phân tử không khí chạm vào bề mặt và bị phản xạ. Mỗi phản xạ này (ánh sáng xảy ra trong một giây) truyền một xung lực nhỏ trên bề mặt, mà về mặt vĩ mô có nghĩa là một lực vĩnh viễn (trên một đơn vị diện tích). Tại sao các phân tử không khí nảy và đánh tất cả các thời gian? Hoặc là vì không khí đang chuyển động ở mức lớn (hay còn gọi là "gió") hoặc do chúng bật xung quanh không đều (hay còn gọi là "nhiệt độ"). Loại chuyển động thứ hai không biết hướng ưa thích và do đó áp suất là như nhau cho dù bề mặt thử nghiệm có hướng nào. Thực tế là không có chuyển động ròng (gió) được thể hiện bởi thực tế là cùng một lực tác dụng lên mặt sau của một bề mặt mỏng như ở mặt trước (vì vậy không có lực ròng).

Vậy thì làm thế nào đến áp suất không khí có liên quan đến trọng lượng của không khí ở trên chúng ta? Ở trạng thái cân bằng , lực gây ra bởi áp suất không khí từ bên dưới lên bề mặt nằm ngang tưởng tượng là vừa đủ để giữ cho cột không khí phía trên nó "đúng vị trí", whoich có nghĩa là nó bằng trọng lượng. Chúng ta không cần phải luôn luôn có trạng thái cân bằng, nhưng nếu chúng ta không có thì lực kéo của các lực gây ra sự dồn dập và chuyển động - cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng.

Tôi đã cố gắng phân tách các câu hỏi một chút, bỏ bình luận nếu tôi bỏ lỡ điều gì đó.

Áp suất không khí được gây ra bởi trọng lượng của các phân tử không khí ở trên.

Điều này thực sự chính xác. Áp suất không khí tỷ lệ thuận với lượng không khí ở trên nó: Bạn có ít trên một ngọn núi cao hơn so với mực nước biển. Sơ đồ cho thấy điều này trong thực tế.

Áp suất không khí bằng nhau theo mọi hướng.

Điều này cũng đúng: Nó sẽ đẩy bằng nhau theo mọi hướng. Nếu nó không bằng nhau, nó sẽ cố gắng đạt đến trạng thái cân bằng. Các phân tử không khí sẽ chịu cả lực hấp dẫn kéo nó về phía trái đất (nén nó) và lực của các phân tử khác, đẩy nó đi.

Nguồn

Tuy nhiên, tất cả các nguồn tôi đã thấy rằng áp suất không khí bằng nhau theo mọi hướng.

Đối với một số điểm nhỏ trong bầu khí quyển, điều này sẽ đúng. Sẽ có lực bằng nhau tác động lên nó theo mọi hướng.

1 & 2 có vẻ mâu thuẫn.

Có một sự khác biệt rất nhỏ đối với một thùng chứa hình khối nhỏ vì đáy sẽ có áp suất cao hơn một chút từ không khí phía trên nó so với mặt trên và áp suất sẽ cao hơn một chút. Tuy nhiên, việc giảm áp suất theo độ cao sẽ diễn ra cả bên trong và bên ngoài hộp. Nói chung, sự khác biệt áp lực có thể được bỏ qua cho hầu hết các ứng dụng.

Áp lực được đưa ra bởi công thức,

${P = {\rho}gh}$

Ở đâu:

• ${\rho}$

• ${g}$

• ${h}$

Áp suất tại bất kỳ điểm nào bên dưới ranh giới trên của chất lỏng, chẳng hạn như không khí và nước, đồng nhất theo mọi hướng do các phân tử chất lỏng chuyển động liên tục và liên tục va vào nhau. Áp suất tăng theo độ sâu của chất lỏng do lượng chất lỏng bên trên nó, nhưng bất kỳ điểm nào trên mặt phẳng nằm ngang sẽ có cùng áp suất.

So sánh điều này với đá trong lớp vỏ và lớp phủ của Trái đất. Bỏ qua các ứng suất kiến ​​tạo, áp lực theo hướng thẳng đứng vẫn được đưa ra bởi

${P = {\rho}gh}$

Tuy nhiên, vì bản chất rắn của đá, các phân tử không di chuyển nhanh và chúng không liên tục va vào nhau. Do đó, áp suất theo hướng bên không bằng áp lực theo hướng thẳng đứng và áp lực / ứng suất trong đá không đồng đều theo mọi hướng.

Nguồn này cung cấp cho áp lực / căng thẳng bên có liên quan đến áp lực / căng thẳng đứng.

${{\sigma}_h = k{\sigma}_v = k{\rho}gh}$

Áp lực là lực hướng ra ngoài trung bình mà các phân tử tác động lên xung quanh.

Nếu bạn coi trường hợp các phân tử không khí nảy xung quanh đánh vào mọi thứ chúng đẩy ra hai bên bằng nhau, nhưng như bạn đã đề cập, trọng lượng của chúng có nghĩa là chúng thực sự đẩy xuống dưới mạnh hơn khi chúng đẩy lên. Vì trọng lượng của không khí trong một không gian nhỏ là rất nhỏ, sự khác biệt này thường có thể bị bỏ qua. Tuy nhiên, không có sự khác biệt này bóng bay sẽ không nổi. Sự khác biệt nhỏ này cộng lại trong bầu khí quyển cho đến khi áp lực ở đây trên bề mặt thực sự khá đáng kể.

Lý do những chiếc xe sẽ squish bạn là vì khi xe đẩy xuống với áp lực cao, nó sẽ di chuyển bề mặt của bạn vào bên trong cho đến khi bạn đẩy lùi với cùng một áp lực. Thật không may cho bạn, vì áp lực bên trong của bạn tăng lên khiến cho các bên của bạn có áp suất cao hơn không khí xung quanh bạn, do đó, các bên của bạn bị đẩy ra ngoài vì không khí không đẩy lùi mạnh như vậy. Vì vậy, nó không đủ để chỉ được đẩy từ trên xuống và dưới cùng, hoặc thậm chí từ bốn phía. Bạn phải được đẩy từ tất cả các hướng, bao gồm cả mũi và bên trong phổi của bạn để áp lực bên trong của bạn có thể thoải mái đẩy lùi chống lại áp lực cao.

Cả hai câu đều đúng. Cách tốt nhất để hiểu làm thế nào hai tuyên bố này có thể cùng tồn tại là hiểu khái niệm về áp suất khí.

Bây giờ để hiểu áp lực, chúng tôi nhìn vào một thùng chứa đầy các phân tử khí. Các phân tử khí hoàn toàn không hoạt động như chất rắn hoặc chất lỏng. Trong chất khí, các phân tử không bị hút vào nhau nên chúng bay xung quanh với tốc độ cực cao dội vào vật thể và các phân tử khí khác. Những va chạm này có tính đàn hồi nên không mất năng lượng trong các va chạm.

Mỗi khi xảy ra va chạm, một số loại truyền năng lượng diễn ra giữa các phân tử. Tuy nhiên, ở cấp độ vĩ mô, có rất nhiều vụ va chạm diễn ra đến mức chúng trung bình chuyển thành năng lượng bằng không. Hãy tưởng tượng rằng một phân tử khí sắp đâm vào bức tường khỏi thùng chứa ở trên. Chúng ta biết rằng khi phân tử va vào nó sẽ bật ra và đi theo hướng khác giống như một quả bóng nảy. Bức tường cũng sẽ cảm thấy một lực do định luật thứ hai của Newton . Tuy nhiên, ở phía bên kia của container, điều tương tự chính xác đang xảy ra. Trong thực tế, điều tương tự cũng xảy ra ở bên ngoài của container. Tất cả những va chạm này tác động một lực nhưng tất cả chúng triệt tiêu lẫn nhau.

Bây giờ hãy để chúng tôi áp dụng điều này để xác định đầu tiên của bạn. Như bạn đã nói áp suất không khí được gây ra bởi trọng lượng của các phân tử không khí ở trên. Các phân tử khí bị thu hút bởi trọng lực về phía bề mặt trái đất. Khi một phân tử khí được kéo về phía bề mặt trái đất, rất có thể nó sẽ va vào một phân tử khí khác và bật ra khỏi hướng khác. Bây giờ hãy nói rằng trong sự va chạm đặc biệt này, phân tử đầu tiên chạm vào đỉnh của phân tử thứ hai. Điều này làm cho phân tử thứ hai đi xuống thậm chí nhanh hơn phân tử thứ nhất. Điều này xảy ra lặp đi lặp lại cho đến khi phân tử nảy lên trên bề mặt trái đất. Đây là cách định nghĩa đầu tiên của bạn được bắt nguồn. Điều quan trọng là phải nhớ rằng đây là áp suất khí và do đó là từ mọi phía.

Đây là khái niệm khó nắm bắt nhất bởi vì khi ai đó nghe rằng có hàng trăm pound không khí phía trên họ, họ tưởng tượng hàng trăm pound thép tấm trên vai. Đừng nghĩ về nó như thế. Nếu một quả bóng nảy rơi trên đầu bạn, nó sẽ đẩy bạn xuống. Tuy nhiên, nếu nó bỏ lỡ, chạm sàn, bật lên và đánh bạn, hai lực lượng triệt tiêu lẫn nhau. Bí quyết là nhận ra rằng rất nhiều vụ va chạm đang xảy ra ở quy mô nhỏ đến mức bạn không "cảm nhận" được áp lực của bầu khí quyển.

Các vật thể rắn rất tốt trong việc chống lại một lực chẵn từ mọi hướng. Bạn đã bao giờ nghe nói rằng bạn không thể nghiền nát một quả trứng nếu bạn bóp nó từ mọi hướng? Khái niệm tương tự áp dụng cho cơ thể của bạn. Bầu không khí đang đẩy rất mạnh từ mọi hướng (thậm chí từ bên trong phổi của bạn!) Nhưng tất cả đều hủy bỏ.

Để tương phản điều này hãy tưởng tượng một cái trống thép chỉ có một vài phân tử khí trong đó chuyện gì sẽ xảy ra?

Bây giờ mặc dù điều này được thông báo mát mẻ rằng các bên của thùng sụp đổ là tốt. Điều này có nghĩa là các phân tử không khí bị đẩy từ bên cạnh nhưng không có gì để đẩy lùi từ bên trong. Chúng ta có thể thấy từ thùng nổ rằng bầu khí quyển đang nén chúng ta với lực đủ mạnh để làm nát một cái trống thép. Tuy nhiên vì áp lực này được tác động từ mọi hướng nên các lực lượng bị hủy bỏ và chúng tôi không cảm thấy gì.

Tôi muốn thêm sự hiểu biết của tôi, trong trường hợp nó giúp bất cứ ai hiểu lý do. Lý do có áp lực từ tất cả các phía trong những tình huống này là do các tính chất của chất lỏng ở trạng thái cân bằng. Trong khí quyển, ví dụ, các phân tử không khí bị "đè nặng" từ phía trên sẽ vắt ra các cạnh của cột không khí, nếu điều đó là có thể. Tất nhiên, đó không phải là vì cột không khí liền kề nằm dưới cùng một lực và do đó chúng không khá hơn. Các phân tử khí có năng lượng theo mọi hướng , hay nói cách khác, áp suất chất lỏng không thể tồn tại theo một hướng nếu ở trạng thái cân bằng, vì bất kỳ sự khác biệt nào về áp suất sẽ tạo ra chuyển động (gió).

Lý do bạn sử dụng trọng lượng của chất lỏng phía trên bạn (không khí, đại dương, v.v.) để biết áp lực ngang bạn sẽ cảm thấy là vì bạn cho rằng bạn đang ở trong một khu vực dưới trạng thái cân bằng và do đó bạn biết từ những lý do trên mà Áp suất "ngang" bằng với áp suất "dọc".

Một trực giác khác mà tôi thích là ý tưởng về piston khí nén. Các xi lanh chứa chất lỏng cần phải mạnh mẽ để tránh bị vỡ. Nếu bạn thay thế chất lỏng bằng một thanh kim loại và đặt lực piston lên đó, các thành xi lanh sẽ không cảm thấy gì.