Mengapa tekanan udara di segala arah?

1. Berikut adalah definisi khas dari tekanan udara:

Tekanan udara disebabkan oleh berat molekul udara di atas. Bahkan molekul udara kecil memiliki beberapa bobot, dan sejumlah besar molekul udara yang membentuk lapisan atmosfer kita secara kolektif memiliki banyak bobot, yang menekan pada apa pun yang ada di bawah.

2. Namun, semua sumber yang saya lihat menyatakan bahwa tekanan udara sama di semua arah.

1 & 2 tampaknya saling bertentangan.

Pertanyaan terkait:

Mengapa tekanan udara dari atas tidak menghancurkan kita? Jawaban yang saya lihat secara konsisten diberikan adalah bahwa tekanan udara yang sama dari bawah menyeimbangkannya. Tetapi jika sebuah mobil menyandarkan saya dari atas dan menghancurkan saya, maka mobil lain yang menekan saya dari bawah tidak akan mengurangi tekanan itu - itu hanya akan meningkatkan tekanan yang akan saya rasakan! Jika saya berada di lemari tertutup, dan salah satu dinding menekan saya, dan dinding yang berlawanan juga akan menekan saya, dinding kedua tidak akan "menyeimbangkan" semuanya, tetapi hanya meningkatkan tekanan saya. akan merasakan!

Mengapa tekanan udara sama di semua arah?

Bayangkan apa artinya bagi sepotong logam pipih tipis jika tekanannya tidak sama dari atas dan bawah. Akan ada lebih banyak tekanan yang mendorong turun dari atas daripada mendorong naik dari bawah yang akan sama dengan gaya total. Gaya ini akan mulai mempercepat potongan logam ke bawah; tidak akan ada keseimbangan. Sekarang lupakan potongan logam. Tanpa itu akan ada molekul udara bergegas turun dari gradien tekanan. Mereka benar-benar akan bergegas turun sampai mereka menyamakan gradien tekanan dan berhenti bergerak.

Mengapa tekanan udara dari atas tidak menghancurkan kita? Jawaban yang saya lihat secara konsisten diberikan adalah bahwa tekanan udara yang sama dari bawah menyeimbangkannya.

Ini tidak sepenuhnya benar. Tekanan tidak hanya sama dari atas dan bawah dengan tubuh Anda menjadi zona tekanan berbeda. Sebaliknya, seluruh tubuh Anda berada pada tekanan yang sama dengan lingkungan. Untuk memahami perbedaannya, pikirkan sebuah tangki tempat sebagian udara dapat dievakuasi (sebuah tangki hampa udara). Saat tangki penuh dengan udara dengan tekanan yang sama ke sekelilingnya, tutupnya dapat dilepas dengan mudah. Jika Anda menyegel wadah, pompa udara keluar, dan kemudian coba lepaskan tutupnya Anda akan menemukan bahwa itu sangat macet. Ini karena ada kekuatan yang kuat pada tutupnya yang disebabkan oleh gradien tekanan antara dalam dan luar.

Fakta bahwa tubuh Anda berada pada tekanan atmosfer sebenarnya sangat penting untuk fungsinya. Jika Anda dibuang dari pesawat ruang angkasa di mana tekanannya mendekati nol, semua gas (oksigen menjadi yang penting) akan menguap keluar dari cairan dalam tubuh Anda.

Tekanan udara diberikan pada permukaan tubuh oleh molekul-molekul udara yang mengenai permukaan dan dipantulkan. Masing-masing refleksi ini (gazillions yang terjadi per detik) mentransfer sedikit dorongan pada permukaan, yang secara makroskopis berarti gaya permanen (per unit area). Mengapa molekul udara memantul dan mengenai setiap saat? Entah karena udara bergerak pada umumnya (alias. "Angin"), atau karena mereka memantul secara tidak teratur (alias. "Suhu"). Jenis gerakan yang terakhir tidak mengenal arah yang disukai dan oleh karena itu tekanannya sama tidak peduli apa pun orientasi permukaan pengujian. Fakta bahwa tidak ada gerakan jaring (angin) diekspresikan oleh fakta bahwa gaya yang sama bekerja pada sisi belakang permukaan tipis seperti pada sisi depan (sehingga tidak ada gaya total).

Lalu bagaimana tekanan udara terkait dengan berat udara di atas kita? Dalam equilibrum gaya yang disebabkan oleh tekanan udara dari bawah pada permukaan horisontal imajiner hanya cukup untuk menjaga kolom udara di atasnya "tetap", yang artinya sama dengan beratnya. Kita tidak perlu selalu memiliki equilibrum, tetapi jika tidak, maka stringer dari kekuatan menyebabkan akselerasi dan pergerakan - sampai equilibrum tercapai.

Saya sudah mencoba membagi pertanyaan sedikit, memberikan komentar jika saya melewatkan sesuatu.

Tekanan udara disebabkan oleh berat molekul udara di atas.

Ini memang benar. Tekanan udara sebanding dengan seberapa banyak udara di atasnya: Anda memiliki lebih sedikit di gunung tinggi daripada di permukaan laut. Diagram menunjukkan ini dalam praktiknya.

Tekanan udara sama di semua arah.

Ini juga benar: Ini akan mendorong sama ke segala arah. Jika tidak merata, ia akan mencoba mencapai keseimbangan. Molekul udara akan tunduk pada gaya gravitasi yang menariknya ke bumi (mengompresnya) dan kekuatan molekul lain, mendorongnya menjauh.

Sumber

Namun, semua sumber yang saya lihat menyatakan bahwa tekanan udara sama di semua arah.

Untuk beberapa titik kecil di atmosfer, ini akan benar. Akan ada kekuatan yang sama yang bekerja di sana ke segala arah.

1 & 2 tampaknya saling bertentangan.

Ada perbedaan yang sangat kecil untuk, katakanlah, sebuah wadah kubus kecil karena bagian bawah akan memiliki tekanan sedikit lebih tinggi dari udara di atasnya daripada sisi atas dan tekanan akan sedikit lebih tinggi. Namun penurunan tekanan dengan ketinggian akan terjadi baik di dalam maupun di luar kotak. Secara umum, perbedaan tekanan dapat diabaikan untuk hampir semua aplikasi.

Tekanan diberikan oleh formula,

${P = {\rho}gh}$

Dimana:

• ${\rho}$

• ${g}$

• ${h}$

Tekanan pada titik mana pun di bawah batas atas fluida, seperti udara dan air, seragam di semua arah karena molekul fluida bergerak konstan dan terus-menerus saling bertabrakan. Tekanan meningkat dengan kedalaman fluida karena jumlah fluida di atasnya, tetapi setiap titik pada bidang horizontal akan memiliki tekanan yang sama.

Bandingkan ini dengan batu di kerak dan mantel Bumi. Mengabaikan tekanan tektonik, tekanan dalam arah vertikal masih diberikan

${P = {\rho}gh}$

Namun, karena sifat batuan yang solid, molekul tidak bergerak dengan cepat dan mereka tidak saling bertabrakan. Akibatnya, tekanan pada arah lateral tidak sama dengan tekanan pada arah vertikal dan tekanan / tegangan pada batuan tidak seragam di semua arah.

Sumber ini memberikan tekanan / tekanan lateral yang terkait dengan tekanan / tekanan vertikal.

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

Tekanan adalah kekuatan luar rata-rata yang diberikan oleh molekul di sekelilingnya.

Jika Anda mengambil kasus molekul udara memantul memukul semua yang mereka mendorong ke luar ke sisi yang sama, tetapi seperti yang Anda sebutkan beratnya berarti mereka memang mendorong ke bawah lebih keras daripada mendorong ke atas. Karena berat udara di ruang kecil sangat kecil, perbedaan ini biasanya dapat diabaikan. Namun, tanpa perbedaan ini balon tidak akan mengambang. Perbedaan kecil ini bertambah di atmosfer sampai tekanan di permukaan sini sebenarnya cukup signifikan.

Alasan mobil akan menekan Anda adalah bahwa ketika mobil menekan dengan tekanan tinggi, itu akan menggerakkan permukaan Anda ke dalam sampai Anda mendorong kembali dengan tekanan yang sama. Sayangnya untuk Anda, karena tekanan internal Anda meningkat yang membuat sisi tubuh Anda pada tekanan lebih tinggi daripada udara di sekitar Anda, sehingga sisi tubuh Anda memadat karena udara tidak mendorong ke belakang dengan keras. Jadi, tidak cukup hanya didorong dari atas dan bawah, atau bahkan dari empat sisi. Anda harus didorong dari segala arah, termasuk hidung dan bagian dalam paru-paru Anda agar tekanan internal Anda dapat mendorong kembali dengan nyaman melawan tekanan tinggi.

Kedua pernyataan itu benar. Cara terbaik untuk memahami bagaimana kedua pernyataan ini dapat hidup berdampingan adalah dengan memahami konsep tekanan gas.

Sekarang untuk memahami tekanan, kita melihat wadah penuh molekul gas. Molekul gas sama sekali tidak berperilaku seperti padatan atau cairan. Dalam gas, molekul tidak tertarik satu sama lain sehingga mereka terbang dengan kecepatan ekstrim yang memantul ke benda-benda dan molekul gas lainnya. Tabrakan ini elastis sehingga tidak ada energi yang hilang selama tabrakan.

Setiap kali tabrakan terjadi, terjadi semacam transfer energi antar molekul. Namun, pada tingkat makroskopis, ada begitu banyak tabrakan yang terjadi sehingga rata-rata dari nol energi yang ditransfer. Bayangkan sebuah molekul gas akan mengenai dinding dari wadah di atas. Kita tahu bahwa ketika molekul itu mengenai molekul itu akan memantul dan menuju ke arah lain seperti bola melenting. Dinding juga akan merasakan kekuatan karena hukum kedua Newton . Namun di sisi lain wadah hal yang sama persis terjadi. Bahkan hal yang sama juga terjadi di bagian luar wadah. Semua tabrakan ini mengerahkan kekuatan tetapi mereka semua membatalkan satu sama lain.

Sekarang mari kita terapkan ini pada definisi pertama Anda. Seperti yang Anda katakan, tekanan udara disebabkan oleh berat molekul udara di atas. Molekul gas tertarik oleh gravitasi ke permukaan bumi. Ketika molekul gas ditarik ke permukaan bumi, kemungkinan molekul itu akan mengenai molekul gas lain dan memantul ke arah lain. Sekarang katakanlah dalam tumbukan khusus ini molekul pertama menyentuh bagian atas molekul kedua. Ini menyebabkan molekul kedua bergerak ke bawah bahkan lebih cepat daripada molekul pertama. Ini terjadi berulang-ulang sampai molekul memantul dari permukaan bumi. Ini adalah bagaimana definisi pertama Anda diturunkan. Kuncinya adalah untuk mengingat bahwa ini adalah tekanan gas dan karenanya dari semua sisi.

Ini adalah konsep yang paling sulit untuk dipahami karena ketika seseorang mendengar ada ratusan pon udara di atas mereka, mereka membayangkan ratusan pon pelat baja di pundak mereka. Jangan berpikir seperti itu. Jika bola melenting jatuh di kepala Anda, itu mendorong Anda ke bawah. Namun jika itu meleset, mengenai lantai, memantul dan memukul Anda dua kekuatan membatalkan satu sama lain. Kuncinya adalah menyadari bahwa begitu banyak tabrakan yang terjadi pada skala kecil sehingga Anda tidak "merasakan" tekanan atmosfer.

Benda padat sangat bagus dalam menahan gaya genap dari segala arah. Pernahkah Anda mendengar bahwa Anda tidak dapat menghancurkan sebutir telur jika Anda memerasnya dari segala arah? Konsep yang sama berlaku untuk tubuh Anda. Atmosfer mendorong sangat keras dari segala arah (bahkan dari dalam paru-paru Anda!) Tetapi mereka semua membatalkan.

Untuk membandingkan ini bayangkan sebuah drum baja dengan hanya beberapa molekul gas di dalamnya apa yang akan terjadi?

Sekarang meskipun ini pemberitahuan keren bahwa sisi laras runtuh juga. Ini berarti bahwa molekul udara mendorong dari samping tetapi tidak ada yang mendorong kembali dari dalam. Kita dapat melihat dari tong yang meledak bahwa atmosfer menekan kita dengan kekuatan yang cukup untuk meremas drum baja. Namun karena tekanan ini diberikan dari segala arah, kekuatan akan hilang dan kita tidak merasakan apa-apa.

Saya ingin menambahkan pemahaman saya, kalau-kalau itu membantu siapa pun memahami alasannya. Alasan ada tekanan dari semua pihak dalam situasi ini adalah karena sifat-sifat cairan dalam keseimbangan. Di atmosfer, misalnya, molekul udara yang "dibebani" dari atas akan menekan sisi kolom udara, jika itu mungkin. Tentu saja, ini bukan karena kolom udara yang berdekatan berada di bawah gaya yang sama dan karenanya tidak lebih baik. Molekul gas energik di setiap arah , atau dengan kata lain, tekanan fluida tidak bisa eksis dalam satu arah jika dalam kesetimbangan, karena perbedaan tekanan akan menghasilkan gerak (angin).

Alasan mengapa Anda menggunakan berat cairan di atas Anda (udara, laut, dll.) Untuk mengetahui tekanan horizontal yang akan Anda rasakan adalah karena Anda menganggap Anda berada di suatu daerah di bawah kesetimbangan dan dengan demikian Anda tahu dari alasan di atas bahwa Tekanan "horisontal" sama dengan tekanan "vertikal".

Intuisi lain yang saya sukai adalah gagasan tentang piston pneumatik. Silinder yang berisi cairan harus kuat agar tidak pecah. Jika Anda mengganti fluida dengan batang logam dan sebaliknya menggunakan tenaga piston, dinding silinder tidak akan merasakan apa-apa.