Почему давление воздуха во всех направлениях?

1. Вот типичное определение давления воздуха:

Давление воздуха обусловлено весом молекул воздуха выше. Даже крошечные молекулы воздуха имеют некоторый вес, а огромное количество молекул воздуха, которые вместе составляют слои нашей атмосферы, имеют большой вес, который давит на все, что ниже.

2. И все же, все источники, которые я видел, утверждают, что давление воздуха одинаково во всех направлениях.

1 и 2 кажутся противоречивыми.

Связанный вопрос:

Почему давление воздуха сверху не давит на нас? Ответ, который я вижу последовательно, заключается в том, что равное давление воздуха снизу уравновешивает его. Но если бы машина опиралась на меня сверху и давила на меня, то другая машина, прижимающаяся ко мне снизу, не снимала бы это давление - она ​​только увеличивала бы давление, которое я чувствовал бы! Если бы я находился в закрытом шкафу, и одна из стен прижалась бы ко мне, а затем противоположная стена также прижалась бы ко мне, вторая стена не "уравновесила бы" вещи, а скорее только усилила бы давление. будет чувствовать!

Почему давление воздуха одинаково во всех направлениях?

Представьте, что бы это значило для тонкого плоского куска металла, если бы давление не было равно сверху и снизу. Было бы больше давления, толкающего сверху вниз, чем толкающего снизу, что равнялось бы чистой силе. Эта сила начнет ускорять кусок металла вниз; не было бы никакого равновесия. Теперь забудьте о куске металла. Без этого молекулы воздуха устремятся вниз от градиента давления. Они на самом деле бросались вниз, пока не уравняли градиент давления и не перестали двигаться.

Почему давление воздуха сверху не давит на нас? Ответ, который я вижу последовательно, заключается в том, что равное давление воздуха снизу уравновешивает его.

Это не совсем правильно. Давление не просто равно сверху и снизу, при этом ваше тело является зоной разного давления. Скорее, все ваше тело находится под тем же давлением, что и окружение. Чтобы понять разницу, подумайте о резервуаре, из которого можно удалить часть воздуха (вакуумный резервуар). Когда резервуар заполнен воздухом, находящимся под равным давлением к окружающей среде, крышку можно легко снять. Если вы закроете контейнер, откачаете немного воздуха, а затем попытаетесь снять крышку, вы обнаружите, что она очень плотно застряла. Это связано с тем, что на крышку действует сильное усилие, вызванное градиентом давления между внутренней и внешней сторонами.

Тот факт, что ваше тело находится под атмосферным давлением, на самом деле очень важен для его функционирования. Если бы вас выбросили из космического корабля, где давление близко к нулю, все газы (важен кислород) испаряются из жидкостей вашего тела.

Воздух оказывает давление на поверхность тела молекулами воздуха, ударяясь о поверхность и отражаясь. Каждое из этих отражений (тысячи миллиардов которых происходят в секунду) передает небольшой импульс на поверхности, что макроскопически означает постоянную силу (на единицу площади). Почему молекулы воздуха подпрыгивают и ударяются все время? Либо потому, что воздух движется в целом (он же «ветер»), либо потому, что они нерегулярно подпрыгивают (он же «температура»). Последний тип движения не знает предпочтительного направления, и поэтому давление одинаково, независимо от ориентации тестируемой поверхности. Тот факт, что нет чистого движения (ветра), выражается в том, что на задней стороне тонкой поверхности действует то же усилие, что и на передней стороне (таким образом, нет чистой силы).

Тогда почему давление воздуха связано с весом воздуха над нами? В равновесии сила, вызванная давлением воздуха снизу на воображаемой горизонтальной поверхности, достаточна для того, чтобы воздушный столб над ним «на месте», что означает, что он равен весу. Нам не всегда нужно иметь равновесие, но если мы этого не делаем, то стрингер сил вызывает ускорение и движение - пока равновесие не будет достигнуто.

Я попытался немного разделить вопросы, оставить комментарий, если я что-то пропустил.

Давление воздуха обусловлено весом молекул воздуха выше.

Это действительно правильно. Давление воздуха пропорционально тому, сколько воздуха над ним: на высокой горе у вас меньше, чем на уровне моря. Диаграмма показывает это на практике.

Давление воздуха одинаково во всех направлениях.

Это также верно: он будет продвигаться одинаково во всех направлениях. Если оно будет неравным, оно попытается достичь равновесия. Молекулы воздуха будут подвергаться действию силы тяжести, притягивающей его к земле (сжимающей его), и силы других молекул, отталкивающих ее.

Источник

И все же, все источники, которые я видел, утверждают, что давление воздуха одинаково во всех направлениях.

Для какой-то маленькой точки в атмосфере это было бы правдой. На него будет действовать одинаковая сила во всех направлениях.

1 и 2 кажутся противоречивыми.

Скажем, есть небольшая разница, скажем, для маленького кубовидного контейнера, поскольку дно будет иметь чуть более высокое давление воздуха над ним, чем верхняя сторона, и давление будет незначительно выше. Однако это снижение давления с высотой будет происходить как внутри, так и снаружи коробки. В целом, перепад давления можно игнорировать практически для всех применений.

Давление дается по формуле:

${P = {\rho}gh}$

Где:

• ${\rho}$ = плотность

• ${g}$ = гравитационная постоянная

• ${h}$ = высота / глубина

Давление в любой точке ниже верхней границы жидкостей, таких как воздух и вода, является равномерным во всех направлениях из-за того, что молекулы жидкости находятся в постоянном движении и постоянно сталкиваются друг с другом. Давление увеличивается с глубиной жидкости из-за количества жидкости над ней, но любая точка на горизонтальной плоскости будет иметь такое же давление.

Сравните это с камнем в земной коре и мантии. Игнорируя тектонические напряжения, давление в вертикальном направлении все еще дается

${P = {\rho}gh}$

Однако, из-за твердой природы породы, молекулы не движутся быстро и не сталкиваются друг с другом. Следовательно, давление в боковом направлении не равно давлению в вертикальном направлении, а давление / напряжение в породе не является равномерным во всех направлениях.

Этот источник дает боковое давление / напряжение, связанное с вертикальным давлением / напряжением.

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

Давление - это средняя внешняя сила, которую молекулы оказывают на свое окружение.

Если вы возьмете случай, когда молекулы воздуха подпрыгивают, ударяя все, что они толкают наружу в равной степени, но, как вы упомянули, их вес означает, что они действительно толкают вниз сильнее, чем вверх. Поскольку вес воздуха в небольшом пространстве очень мал, этой разницей обычно можно пренебречь. Однако без этой разницы воздушные шары не плавали бы. Эта крошечная разница накапливается в атмосфере до тех пор, пока давление на поверхности на самом деле не будет значительным.

Причина, по которой автомобили будут давить вас, заключается в том, что когда машина толкается под высоким давлением, она будет перемещать вашу поверхность внутрь, пока вы не отодвинетесь назад с тем же давлением. К сожалению для вас, так как ваше внутреннее давление увеличивается, это заставляет ваши стороны под более высоким давлением, чем воздух вокруг вас, поэтому ваши стороны сжимаются, так как воздух не отталкивает так сильно. Так что недостаточно просто толкаться сверху и снизу или даже с четырех сторон. Вам нужно толкать со всех сторон, включая нос и внутреннюю часть легких, чтобы ваше внутреннее давление могло с комфортом отталкиваться от высокого давления.

Оба утверждения верны. Лучший способ понять, как эти два утверждения могут сосуществовать, - это понять концепцию давления газа.

Теперь, чтобы понять давление, мы смотрим на контейнер, полный молекул газа. Молекулы газа не ведут себя как твердые вещества или жидкости. В газе молекулы не притягиваются друг к другу, поэтому они летают с предельной скоростью, прыгая на объекты и другие молекулы газа. Эти столкновения являются упругими, поэтому во время столкновений энергия не теряется.

Каждый раз, когда происходит столкновение, происходит некоторый перенос энергии между молекулами. Однако на макроскопическом уровне происходит так много столкновений, что они усредняют до нуля переданную энергию. Представьте, что молекула газа вот-вот ударит о стенку вышеупомянутого контейнера. Мы знаем, что когда молекула попадает, она отскакивает и направляется в другом направлении, как надувной шар. Стена также будет чувствовать силу из-за второго закона Ньютона . Однако на другой стороне контейнера происходит то же самое. На самом деле то же самое происходит и снаружи контейнера. Все эти столкновения создают силу, но все они взаимно компенсируют друг друга.

Теперь давайте применим это к вашему первому определению. Как вы заявили, давление воздуха обусловлено весом молекул воздуха выше. Молекулы газа притягиваются гравитацией к поверхности земли. Когда молекула газа притягивается к поверхности земли, она может ударить другую молекулу газа и отскочить от нее в другом направлении. Теперь давайте скажем, что в этом конкретном столкновении первая молекула попадает в вершину второй молекулы. Это заставляет вторую молекулу двигаться вниз даже быстрее, чем первая молекула. Это происходит снова и снова, пока молекула не отскочит от поверхности земли. Вот как получается ваше первое определение. Ключ должен помнить, что это давление газа и, следовательно, со всех сторон.

Это самая сложная концепция для понимания, потому что когда кто-то слышит, что над ним находятся сотни фунтов воздуха, он представляет себе сотни фунтов стальных пластин на своих плечах. Не думай об этом так. Если на вашу голову падает упругий шар, он отталкивает вас вниз. Однако, если он промахивается, падает на пол, подпрыгивает и ударяет вас, две силы уничтожают друг друга. Хитрость заключается в том, чтобы осознать, что так много столкновений происходит в таком минутном масштабе, что вы не «чувствуете» давление атмосферы.

Твердые объекты очень хорошо противостоят равномерной силе со всех сторон. Вы когда-нибудь слышали, что вы не можете раздавить яйцо, если вы сжимаете его со всех сторон? То же самое относится и к вашему телу. Атмосфера очень сильно давит со всех сторон (даже из легких!), Но все они сводятся на нет.

Для сравнения: представьте стальной барабан с несколькими молекулами газа, что произойдет?

Теперь, несмотря на то, что это круто, обратите внимание, что стороны ствола также разрушаются. Это означает, что молекулы воздуха толкались сбоку, но изнутри было нечего отталкивать. Из взрывающегося ствола видно, что атмосфера сжимает нас с достаточной силой, чтобы смять стальной барабан. Однако, поскольку это давление оказывается со всех сторон, силы уравновешиваются, и мы ничего не чувствуем.

Я хотел бы добавить свое понимание, на случай, если оно поможет кому-либо понять причину. Причина, по которой в этих ситуациях существует давление со всех сторон, связана со свойствами жидкостей в равновесии. В атмосфере, например, молекулы воздуха, «взвешенные» сверху, выдавили бы боковые стороны воздушного столба, если бы это было возможно. Это, конечно, не потому, что смежный воздушный столб находится под одной и той же силой, и поэтому они не в лучшем положении. Молекулы газа энергичны во всех направлениях , или, другими словами, давление жидкости не может существовать в одном направлении, если находится в равновесии, так как любая разница в давлении приведет к движению (ветру).

Причина, по которой вы используете вес жидкости над вами (воздух, океан и т. Д.), Чтобы узнать горизонтальное давление, которое вы чувствуете, заключается в том, что вы предполагаете, что находитесь в равновесной области, и, следовательно, вы знаете из приведенных выше причин, что «горизонтальное» давление равно «вертикальному» давлению.

Еще одна интуиция, которая мне нравится, это идея пневматического поршня. Цилиндр, содержащий жидкость, должен быть прочным, чтобы не лопнуть. Если вы замените жидкость металлическим стержнем и вместо этого приложите к нему силу поршня, стенки цилиндра ничего не почувствуют.