Тиск у фізиці позначається простою малою латинською літерою p, але ця скромна позначка криє в собі колосальну силу, яка формує все навколо – від тиску шин автомобіля на асфальт до невидимого натиску океанських глибин на підводний човен. Формула p = F / S розкриває суть: сила F, прикладена до поверхні S, перетворюється на тиск, що визначає, чи розріже ніж м’ясо, чи просто продавить його. У повсякденному житті ми рідко замислюємося, як цей параметр вирішує долю конструкцій, керує потоками рідин і навіть впливає на погоду.
Ця величина скалярна, тобто має лише числове значення і напрямок нормалі до поверхні, без векторної складової. У твердих тілах тиск діє перпендикулярно, викликаючи деформацію, а в газах і рідинах – рівномірно з усіх боків. Розуміння, як позначається тиск, відкриває двері до інженерних чудес: від гальмівних систем літаків до штучних серць.
Атмосферний тиск на рівні моря коливається біля 101 325 Па, що еквівалентно вазі повітряного стовпа висотою в десятки кілометрів. Варіації цього значення пояснюють, чому на вершині Евересту повітря “тонке”, а в долинах – важке й задушливе.
Сутність тиску: від мікросвіту до мегаструктур
Уявіть краплю води, що падає на листок: сила тяжіння притискає її до поверхні, але тиск розподіляється рівномірно, не прориваючи целюлозу. Тиск – це квінтесенція механіки: міра сили на одиницю площі, де нормальна складова F_n ділиться на площу S. У математичній формі p = F_n / S, де одиниці сили в ньютонах і площі в квадратних метрах дають паскалі.
У твердих тілах тиск неоднорідний, залежить від контактуючих поверхонь – гострий шпилька впивається в підошву сильніше, ніж тупий каблук, бо площа мала. Рідини та гази передають тиск ізотропно, скрізь однаково, як велить закон Паскаля: тиск на рідину передається без змін у кожну точку. Це пояснює, чому гідравлічний прес піднімає вантажівку: мала сила на малій площі множиться на велику поршень.
Термодинаміка додає шарму: тиск як інтенсивна величина не залежить від об’єму системи, на відміну від екстенсивних, як енергія. У рівнянні стану ідеального газу pV = nRT тиск балансує температуру й об’єм, визначаючи, чи вибухне балон або здується кулька.
Як позначається тиск: символи та базові формули
Стандартно тиск позначається p або P у верхньому регістрі для позначення абсолютного. У векторній формі p = (e_n · F) / A, де e_n – одиничний вектор нормалі. Ця нотація уніфікована в Міжнародній системі одиниць (SI), де p вимірюється в паскалях.
У гідростатиці формула спрощується до p = ρgh: густина рідини множиться на прискорення вільного падіння та глибину. На дні Чорного моря тиск сягає 20 атмосфер, розчавлюючи непідготовлені об’єкти. У газах атмосферний тиск p_atm – барометричний, що падає з висотою експоненційно.
- Основні символи: p – тиск, F_n – нормальна сила, S – площа, ρ – густина, h – глибина.
- Варіації: p_abs для абсолютного, p_g для манометричного, Δp для перепада.
- Похідні: У термодинаміці p = – (∂U / ∂V)_S, де U – внутрішня енергія.
Ці позначення спрощують розрахунки: інженери в авіації обчислюють тиск на крило, щоб уникнути кавітації. Переходи між формулами плавні, ніби тиск сам диктує логіку явищ.
Одиниці вимірювання тиску: від паскаля до барів
Основна одиниця SI – паскаль (Па), де 1 Па = 1 Н/м². Це тиск сили в 1 ньютон на квадратний метр – скромно, тож використовують кіло- (кПа), мегапаскалі (МПа). Атмосферний тиск – 101,325 кПа, або приблизно 100 кПа для спрощень.
Позасистемні одиниці живуть поруч: бар (1 бар = 105 Па) популярний у техніці, мм рт. ст. (торр, 1 мм рт. ст. = 133,322 Па) – у метеорології, мм вод. ст. для малих тисків. Технічна атмосфера (ат = 98 066,5 Па) і стандартна атмосфера (атм = 101 325 Па) відображають історичні стандарти.
| Одиниця | Па | бар | атм | мм рт. ст. | psi |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 Па | 1 | 10-5 | 9,87×10-6 | 0,0075 | 1,45×10-4 |
| 1 бар | 100 000 | 1 | 0,987 | 750,06 | 14,504 |
| 1 атм | 101 325 | 1,013 | 1 | 760 | 14,696 |
| 1 мм рт. ст. | 133,322 | 0,001333 | 0,001316 | 1 | 0,01934 |
| 1 psi | 6894,76 | 0,06895 | 0,06805 | 51,715 | 1 |
Таблиця базується на даних uk.wikipedia.org. Перетворення полегшують роботу: 2 бар шинного тиску – це 200 кПа, ідеально для легковика. У США psi домінує в автомобілях, нагадуючи про імперську спадщину.
Типи тиску: абсолютний, манометричний, вакуумний
Абсолютний тиск p_abs рахують від ідеального вакууму (0 Па) – повний тиск у системі. Манометричний (надлишковий) p_g – різниця з атмосферним: p_abs = p_atm + p_g. На манометрі авто показують саме його, бо атмосферу ігнорують.
Вакуумметричний (розрідження) – коли тиск нижчий атмосферного, позначається від’ємно. У космосі абсолютний тиск мізерний, але манометричний – величезне розрідження. У турбінах перепада тиску Δp генерує енергію.
- Визначте тип: для вакуумних насосів – абсолютний або вакуумметричний.
- Оберіть прилад: манометр для надлишкового, барометр для атмосферного.
- Перерахуйте: p_g = p_abs – p_atm.
Ці типи критичні в нафтогазовій промисловості: у свердловинах манометричний сягає сотень атмосфер, ризикуючи вибухом.
Закони тиску: Паскаль, Гідростатика та потоки
Закон Паскаля стверджує: тиск у спокійній рідині передається рівномірно. Гідравлічний домкрат – класика: сила на малому поршні множиться на велику площу. Формула F_2 / S_2 = F_1 / S_1 дозволяє підняти будинок.
Гідростатичний тиск росте лінійно з глибиною: на 10 м води – 1 атм. У Маріанській западині – 1100 атм, де риби адаптувалися скелетами з хрящів. У газах барометрична формула dp/dh = -ρg описує експоненційний спад.
У потоках закон Бернуллі пов’язує тиск, швидкість і висоту: p + ρgh + (1/2)ρv² = const. Авіаконструктори зменшують тиск на крилі, створюючи підйомну силу – літак летить.
Вимірювання тиску: класика й високі технології
Барометр Торрічеллі – ртутний стовп, що показує атмосферу: 760 мм рт. ст. Манометри рідинні для низьких тисків, мембранні для високих. У лабораторіях – пірометри для екстрем.
Сучасні цифрові манометри, як ADT685, досягають похибки 0,02% на діапазонах до 4200 бар, з дисплеями та Bluetooth. У 2025–2026 роках IoT-датчики інтегруються в смарт-фабрики, прогнозуючи поломки в реальному часі (дані з сайтів виробників як Additel).
Цікаві факти про тиск
Тиск світла: Фотони створюють тиск, здатний розганяти зонди в космосі – проект Breakthrough Starshot планує 20% швидкості світла.
На Евересті атмосферний тиск – половина морського рівня, тому альпіністи дихають киснем.
У центрі Землі тиск – 360 ГПа, де залізо тверде попри 5000°C.
Кров’яний тиск у жирафа – 300 мм рт. ст. у ногах, щоб качати кров на 6 м.
Кавітація в пропелерах знищує лопаті бульбашками пари від падіння тиску.
Ці факти, взяті з наукових джерел як uk.wikipedia.org, ілюструють, як тиск грає в природі. У промисловості датчики WIKA з кольоровими дисплеями сигналізують аварійні режими, рятуючи життя.
Застосування тиску в техніці та побуті
Гальма авто: манометричний тиск 100 бар стискає колодки. У холодильниках компресор створює низький тиск для випаровування хладагента. Шини: 2–3 бар забезпечують зчеплення, але перекачка рве покришку.
- Автомобілі: ABS регулює тиск для антиблокування.
- Медицина: Тонометри вимірюють артеріальний тиск манометрично.
- Енергетика: Турбіни на Δp генерують МВт.
- Побут: Еспресо-машини на 9 бар витіскають каву.
У дайвінгу декомпресія уникає “кесонної хвороби” від розчинених газів під тиском. Інженери оптимізують, щоб тиск служив, а не руйнував.
Типові помилки та поради з тиском у практиці
Поширене: плутанина абсолютного й манометричного – у вакуумних системах це веде до вибухів. Ще: ігнор температури в газах, бо p ∝ T. Перевіряйте одиниці перед розрахунками!
Порада: для шин – манометр щотижня, оптимал 2,2 бар. У лабораторіях калібруйте датчики за ДСТУ. Сучасні аппи на смартфонах з Bluetooth-манометрами спрощують контроль.
Тиск продовжує еволюціонувати з технологіями: нано-датчики для wearables вимірюють мікропаскалі в біомедицині, обіцяючи революцію в моніторингу здоров’я.
About the Author
