Что такое «давление» и каково его отношение к силе?

Честно говоря, я думаю, что уроки физики тщательно формулируют вещи, чтобы не отклоняться в том направлении, в котором вы балуетесь. Потому что все будет усложняться.

Позвольте мне начать с утверждения:

давление останавливается на твердой массе

Это неправильно, но это очень умная попытка объяснить мир. Что-то меняется на поверхности твердого вещества. Однако сила все равно передается.

Существует измеримая разница в свойствах твердого блока вещества при атмосферном давлении. У вас может быть (гипотетически) материал, который меняет цвет при нагрузке. На самом деле у нас есть вещи, которые делают очень похожие вещи. Я хочу сказать, что влияние поверхностного давления имеет физический смысл. Твердое тело представляет собой решетку атомов, которые сохраняют свое относительное положение за счет электронных связей. Давление на поверхность твердого тела уменьшает расстояние между атомами.

Тем не менее, вы можете полностью снять давление, и твердое тело не развалится. Это связано с тем, что химические связи представляют собой примерно потенциал Леннарда-Джонса . Это не точно и зависит от конкретной связи, но для наших целей этого более чем достаточно. Этот потенциал:

Это «потенциальный» график для химической связи. Здесь «потенциал» — это математическое понятие. Это антипроизводная силы. Опять же, я говорю довольно конкретно о твердых телах. Но я хочу, чтобы вы рассмотрели здесь несколько вещей, которые важны для получения ПОЛНОЙ молекулярной картины давления, о чем и просит ваш вопрос:

• Небольшой кристалл при нормальном земном давлении имеет положение атомов, сдвинутое чуть левее самого минимума этого графика.
• Возьмите этот маленький кристалл в космос. Теперь их атомные позиции находятся точно на минимуме этого графика.
• Подумайте о ядре Земли. Мы считаем, что из-за физики высокого давления у него все еще может быть некоторая решетчатая структура. В этом случае позиции атомов будут слева от минимума, но намного выше 0 по оси y . Это очень круто, потому что демонстрирует, что давление там превышает максимальную прочность на растяжение, которую может иметь материал.

Это то, что я бы использовал для введения абсолютного давления . В космосе нулевое давление. Твердое вещество ведет себя как пружина. При нулевом давлении твердое вещество представляет собой пружину в точке покоя.

Теперь поговорим об относительном давлении (иногда манометрическом). Это форма давления, которой вас хотят научить на уроках физики. Это потому, что ньютоновская физика (даже большая часть жидкостей) может быть очень хорошо концептуализирована без какого бы то ни было упоминания об атомах. Когда вы нажимаете рукой на стену или ногой на землю, сила мала по сравнению с давлением окружающей среды, но давление окружающей среды одинаково пронизывает все. В этих случаях мы имеем дело с неизотропными силами — и под этим я подразумеваю направленные.

Определение давления на самом деле не имеет значения, является ли оно относительным, абсолютным или изотропным. Это просто сила на единицу площади. Это просто юнит, а юниты постоянно повторяются в разных контекстах.

По сути, любую силу, которую вы принимаете в базовой физике, можно представить как давление, просто взяв где-нибудь поперечное сечение. Это верно для натяжения веревкой или толкания палкой. Между «вытягиванием» и «толканием» есть разница в знаках, и в материалах они воспринимаются как «растяжение» и «сжатие», неизотропное напряжение... которое имеет единицы измерения давления.

Я надеюсь, что это поможет, но я не удивлюсь, если вы просто еще больше запутались. Следует упомянуть о тензоре напряжений материала. Если вы понимаете это и понимаете природу нулевого/абсолютного давления, то вы полностью понимаете этот предмет.

https://en.wikipedia.org/wiki/Коши_стресс_тензор

В этой модели мы думаем о твердом теле как о ящике и выполняем над ним математические операции. Вы можете видеть, что там много векторов. Если это воображаемый ящик вокруг некоторого газа, все компоненты, кроме тех, которые толкают прямо к центру ящика, равны нулю, и в этом состоит идея изотропного давления. Если представить твердый ящик, парящий в пространстве, то все векторы равны нулю.

С этой точки зрения абсолютное давление и другие виды давления должны иметь смысл.

Более высокое давление атмосферы похоже на более сильное «сжатие» всего, что в ней находится.

Это один из видов давления. То, что мы называем «статическим давлением» жидкости. Он давит внутрь на объекты внутри жидкости и наружу на контейнер, содержащий жидкость.

В статической ситуации без гравитации все объекты, соприкасающиеся с идеализированной жидкостью, будут испытывать одинаковое давление, а результирующая сила, действующая на твердый объект, полностью находящийся внутри жидкости или окружающий ее, будет равна нулю. Если мы подключим два цилиндра разного размера к одной и той же гидравлической линии, то больший цилиндр будет производить большее усилие. Давление жидкости в обоих цилиндрах одинаково, но в большем цилиндре оно приложено к большей площади. Обратной стороной, конечно, является то, что для перемещения большого цилиндра на заданное расстояние потребуется больший объем жидкости.

Однако в реальном мире гравитация существует, и вещи не статичны, поэтому разные объекты и даже разные части одного и того же объекта могут испытывать разное давление.

Это в основном то, что вызывает такие свойства, как бойкость и сопротивление воздуха. Различные части объекта испытывают разное давление, и это давление приводит к результирующей силе, действующей на объект.

Что касается твердых объектов, то нет причин, по которым вы не можете рассуждать о давлении между двумя твердыми объектами. Просто в большинстве случаев проще мыслить в терминах суммарной силы.

Допустим, у вас есть поршень в цилиндре. Если давление внутри составляет 2 атмосферы, а снаружи — одна атмосфера, то результирующая сила составляет примерно 14 фунтов на квадратный дюйм. Площадь поверхности поршневого плунжера составляет 4 квадратных дюйма. Таким образом, внешнее усилие, действующее на поршень, составляет 4 х 14 = 56 фунтов. (Я обычно определяю давление как силу на единицу площади. Это эквивалентно определению, которое вы дали, но, кажется, проще превратить давление x площадь в полезный результат.)

Сила – это величина, которая определена на объекте. Целый объект. Это означает, что сила является «экстенсивной», поскольку она соответствует масштабу объекта, который толкают, тянут, поднимают и т. д. Одна единица силы — фунты (фунт-сила), другая — ньютоны (Н).

Давление, однако, есть величина, которую можно определить на каждом микроскопическом кусочке (площади) объекта. Давление — это «интенсивная» величина, соответствующая силе.
Единицы давления включают фунты на квадратный дюйм (psi) и паскали (Па).

Таким образом, манометр жидкости гидравлического цилиндра может показывать 60 фунтов на квадратный дюйм, когда гидравлический поршень, приводимый в движение поршнем площадью 4 квадратных дюйма, оказывает усилие в 240 фунтов. Зная величину давления (интенсивного) недостаточно, чтобы определить силу, вам ТАКЖЕ нужен размер поршня. И знание силы не говорит вам, перегружено ли гидравлическое уплотнение, потому что это зависит от номинального давления этого уплотнения; каждая точка уплотнения должна выдерживать прилагаемое давление.

Конечно, это сложнее, чем числа, поскольку и сила, и давление являются векторами. Статическое давление жидкости всегда ортогонально любой поверхности, в то время как другие давления могут следовать другим правилам направления.

Вы совершенно правы. Любая неидеальная сила реального мира на самом деле является давлением. Любая сила в реальном мире должна быть приложена к некоторой области (даже если она очень и очень мала)

Однако во многих задачах иногда целесообразно моделировать давление как единую силу, приложенную в одном направлении в одной точке — во многих системах давления можно (точно) упростить до так называемой равнодействующей силы, что значительно упрощает проблема.

Короче говоря, точечные силы на самом деле являются просто идеализацией реальных ситуаций, которые чрезвычайно точны в одних контекстах и ​​крайне неточны в других. Это физика — мы преуспеваем в идеализациях, если можем их воплотить.

Считайте «точечные силы» аналогом идеи «точечных частиц», которые используются в качестве идеализации в механике, и «точечных зарядов», которые используются в качестве идеализации в электромагнетизме. Ни одна из этих вещей не обязательно существует в реальном мире, но они очень полезны для упрощения задач и в большинстве случаев достаточно точны.

Редактировать: я не думаю, что хорошо ответил на ваш вопрос.

Если вы можете охарактеризовать силу (а кажется, что можете), вы можете просто понять давление как совокупность небольших сил, действующих на объект в разных точках и в разных направлениях.

Все, что вы считаете давлением, можно интерпретировать как сумму сил.