Perché la pressione dell'aria è in tutte le direzioni?

1. Ecco una definizione tipica di pressione dell'aria:

La pressione dell'aria è causata dal peso delle molecole d'aria sopra. Anche minuscole molecole d'aria hanno un certo peso e gli enormi numeri di molecole d'aria che compongono gli strati della nostra atmosfera hanno collettivamente una grande quantità di peso, che preme su tutto ciò che è sotto.

2. Eppure, tutte le fonti che ho visto affermano che la pressione dell'aria è uguale in tutte le direzioni.

1 e 2 sembrano contraddittori.

Domanda correlata:

Perché la pressione dell'aria dall'alto non ci schiaccia? La risposta che vedo costantemente fornita è che una pressione dell'aria uguale dal basso la bilancia. Ma se un'auto si posasse su di me dall'alto e mi schiacciasse, allora un'altra auto che preme contro di me dal basso non allevierebbe quella pressione - aumenterebbe solo la pressione che proverei! Se fossi in un armadio chiuso, e una delle pareti dovesse premere contro di me, e poi anche la parete opposta si premerebbe contro di me, la seconda parete non "bilancerebbe" le cose, ma piuttosto aumenterebbe la pressione si sentirebbe!

Perché la pressione dell'aria è uguale in tutte le direzioni?

Immagina cosa significherebbe per un sottile pezzo di metallo piatto se la pressione non fosse uguale da sopra e da sotto. Ci sarebbe più pressione che spinge dall'alto verso il basso che spingere verso l'alto dal basso, il che equivarrebbe a una forza netta. Questa forza avrebbe iniziato ad accelerare il pezzo di metallo verso il basso; non ci sarebbe equilibrio. Ora dimentica il pezzo di metallo. Senza di essa ci sarebbero molecole d'aria che precipitano giù dal gradiente di pressione. Si precipiterebbero fino a quando non uniformassero il gradiente di pressione e smettessero di muoversi.

Perché la pressione dell'aria dall'alto non ci schiaccia? La risposta che vedo costantemente fornita è che una pressione dell'aria uguale dal basso la bilancia.

Questo non è del tutto corretto. La pressione non è semplicemente uguale da sopra e sotto con il tuo corpo essendo una zona di pressione diversa. Piuttosto, tutto il tuo corpo è alla stessa pressione dell'ambiente circostante. Per capire la differenza, pensa a un serbatoio da cui parte dell'aria può essere evacuata (un serbatoio a vuoto). Quando il serbatoio è pieno d'aria alla stessa pressione dell'ambiente circostante, il coperchio può essere rimosso facilmente. Se sigillate il contenitore, pompate un po 'd'aria, quindi provate a rimuovere il coperchio e scoprirete che è molto bloccato. Questo perché c'è una forte forza sul coperchio causata dal gradiente di pressione tra interno ed esterno.

Il fatto che il tuo corpo sia a pressione atmosferica è in realtà molto importante per il modo in cui funziona. Se dovessi essere lanciato fuori da un'astronave in cui la pressione è vicina allo zero, tutti i gas (l'ossigeno è importante) evaporerebbero dai fluidi del tuo corpo.

La pressione dell'aria viene esercitata sulla superficie di un corpo da molecole d'aria che colpiscono la superficie e vengono riflesse. Ognuna di queste riflessioni (gazillions di cui si verificano al secondo) trasferisce un piccolo impulso sulla superficie, che macroscopicamente significa una forza permanente (per unità di area). Perché le molecole d'aria rimbalzano e colpiscono continuamente? O perché l'aria si muove in senso lato (alias "vento"), o perché rimbalzano irregolarmente (alias "temperatura"). Quest'ultimo tipo di movimento non conosce una direzione preferita e quindi la pressione è la stessa indipendentemente dall'orientamento della superficie di prova. Il fatto stesso che non vi sia alcun movimento netto (vento) è espresso dal fatto che la stessa forza agisce sul lato posteriore di una superficie sottile come sul lato anteriore (quindi non esiste una forza netta).

Allora come mai la pressione dell'aria è correlata al peso dell'aria sopra di noi? In equilibrio, la forza causata dalla pressione dell'aria dal basso su una superficie orizzontale immaginaria è appena sufficiente per mantenere "in posizione" la colonna d'aria sopra di essa, il che significa che è uguale al peso. Non abbiamo sempre bisogno di avere un equilibrio, ma se non lo facciamo allora la traversa delle forze provoca accelerazione e movimento - fino al raggiungimento dell'equilibrio.

Ho provato a dividere un po 'le domande, a lasciare un commento se mi sono perso qualcosa.

La pressione dell'aria è causata dal peso delle molecole d'aria sopra.

Questo è davvero corretto. La pressione dell'aria è proporzionale a quanta aria è sopra di essa: hai meno su un'alta montagna che a livello del mare. Il diagramma mostra questo in pratica.

La pressione dell'aria è uguale in tutte le direzioni.

Questo è anche vero: spingerà equamente in tutte le direzioni. Se fosse ineguale, proverebbe a raggiungere l'equilibrio. Le molecole dell'aria saranno soggette sia alla forza di gravità che la spinge verso terra (comprimendola) sia alla forza di altre molecole, spingendola via.

fonte

Eppure, tutte le fonti che ho visto affermano che la pressione dell'aria è uguale in tutte le direzioni.

Per qualche piccolo punto nell'atmosfera, questo sarebbe vero. Ci sarebbe la stessa forza che agisce su di essa in tutte le direzioni.

1 e 2 sembrano contraddittori.

C'è una differenza molto piccola per, diciamo, un piccolo contenitore a cubetti poiché il fondo avrà una pressione leggermente superiore dall'aria sopra di esso rispetto al lato superiore e la pressione sarà leggermente più alta. Tuttavia, tale diminuzione della pressione con l'altitudine avverrà sia all'interno che all'esterno della scatola. In generale, la differenza di pressione può essere ignorata per quasi tutte le applicazioni.

La pressione è data dalla formula,

${P = {\rho}gh}$

Dove:

• ${\rho}$ = densità

• ${g}$ = costante gravitazionale

• ${h}$ = altezza / profondità

La pressione in qualsiasi punto al di sotto del limite superiore dei fluidi, come aria e acqua, è uniforme in tutte le direzioni a causa delle molecole fluide che sono in costante movimento e si urtano continuamente l'una nell'altra. La pressione aumenta con la profondità del fluido a causa della quantità di fluido sopra di esso, ma qualsiasi punto su un piano orizzontale avrà la stessa pressione.

Confronta questo con il rock nella crosta terrestre e nel mantello. Ignorando le tensioni tettoniche, la pressione nella direzione verticale è ancora data da

${P = {\rho}gh}$

Tuttavia, a causa della natura solida della roccia, le molecole non si muovono rapidamente e non si scontrano continuamente l'una con l'altra. Di conseguenza, la pressione nella direzione laterale non è uguale alla pressione nella direzione verticale e la pressione / sollecitazione nella roccia non è uniforme in tutte le direzioni.

Questa fonte fornisce la pressione / stress laterale come correlata alla pressione / stress verticale.

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

La pressione è la forza esterna media che le molecole esercitano sul loro ambiente.

Se prendi il caso delle molecole d'aria che rimbalzano intorno colpendo tutto, spingono verso l'esterno ai lati allo stesso modo, ma come hai detto il loro peso significa che spingono verso il basso più forte di quanto spingano verso l'alto. Poiché il peso dell'aria in un piccolo spazio è molto piccolo, questa differenza può di solito essere trascurata. Tuttavia, senza questa differenza i palloncini non galleggiano. Questa piccola differenza si aggiunge all'atmosfera fino a quando le pressioni quaggiù in superficie sono in realtà piuttosto significative.

Il motivo per cui le macchine ti schiacciano è che quando l'auto spinge verso il basso con un'alta pressione, si sposterà la superficie verso l'interno fino a quando non spingerai indietro con la stessa pressione. Sfortunatamente per te, poiché la tua pressione interna aumenta, il che rende i tuoi fianchi a una pressione superiore a quella dell'aria che ti circonda, quindi i tuoi lati si gonfiano poiché l'aria non si spinge indietro. Quindi, non è sufficiente essere spinti dall'alto e dal basso, o anche da quattro lati. Devi essere spinto da tutte le direzioni, incluso il naso e dentro i polmoni, affinché la pressione interna sia in grado di respingere comodamente contro l'alta pressione.

Entrambe le affermazioni sono corrette. Il modo migliore per capire come possono coesistere queste due affermazioni è comprendere il concetto di pressione del gas.

Ora per capire la pressione guardiamo un contenitore pieno di molecole di gas. Le molecole di gas non si comportano affatto come solidi o liquidi. In un gas le molecole non sono attratte l'una dall'altra, quindi volano in giro a velocità estreme rimbalzando su oggetti e altre molecole di gas. Queste collisioni sono elastiche, quindi non si perde energia durante le collisioni.

Ogni volta che si verifica una collisione tra le molecole avviene un qualche tipo di trasferimento di energia. Tuttavia, a livello macroscopico, ci sono così tante collisioni in atto che hanno una media a zero di energia trasferita. Immagina che una molecola di gas stia per colpire il muro dal contenitore sopra. Sappiamo che quando la molecola colpisce, rimbalza e si dirige nella direzione opposta, proprio come una palla rimbalzante. Il muro sentirà anche una forza a causa della seconda legge di Newton . Tuttavia dall'altro lato del contenitore sta succedendo esattamente le stesse cose. In effetti la stessa cosa sta accadendo anche all'esterno del contenitore. Tutte queste collisioni esercitano una forza ma si annullano a vicenda.

Ora applichiamo questo alla tua prima definizione. Come hai affermato, la pressione dell'aria è causata dal peso delle molecole dell'aria sopra. Le molecole di gas sono attratte dalla gravità verso la superficie terrestre. Quando una molecola di gas viene tirata verso la superficie della terra, è probabile che colpirà un'altra molecola di gas e la rimbalzerà in un'altra direzione. Ora diciamo che in questa particolare collisione la prima molecola colpisce la cima della seconda molecola. Questo fa sì che la seconda molecola viaggi verso il basso anche più velocemente della prima molecola. Questo succede ancora e ancora finché la molecola non rimbalza sulla superficie della terra. Ecco come viene derivata la tua prima definizione. La chiave è ricordare che questa è una pressione del gas e quindi proviene da tutti i lati.

Questo è il concetto più difficile da capire perché quando qualcuno sente che ci sono centinaia di libbre d'aria sopra di loro immagina centinaia di libbre di piastre d'acciaio sulle loro spalle. Non pensarci così. Se una palla rimbalzante ti cade in testa ti spinge verso il basso. Tuttavia, se manca, colpisce il pavimento, rimbalza e ti colpisce le due forze si annullano a vicenda. Il trucco è rendersi conto che si verificano così tante collisioni su una scala così piccola che non si "sente" la pressione dell'atmosfera.

Gli oggetti solidi sono molto bravi a resistere a una forza uniforme da tutte le direzioni. Hai mai sentito che non puoi schiacciare un uovo se lo schiacci da tutte le direzioni? Lo stesso concetto si applica al tuo corpo. L'atmosfera sta spingendo molto forte da tutte le direzioni (anche dall'interno dei polmoni!) Ma tutti si annullano.

Per contrastare questo, immagina un tamburo d'acciaio con solo poche molecole di gas che cosa accadrebbe?

Ora, nonostante questo sia interessante, noti che anche i lati della canna crollano. Ciò significa che le molecole d'aria spingevano dal lato ma non c'era nulla da respingere dall'interno. Dalla botte che implora possiamo vedere che l'atmosfera ci sta comprimendo con una forza sufficiente per accartocciare un tamburo d'acciaio. Tuttavia, poiché questa pressione viene esercitata da ogni direzione, le forze si annullano e non sentiamo nulla.

Vorrei aggiungere la mia comprensione, nel caso in cui aiuti qualcuno a comprenderne il motivo. Il motivo della pressione esercitata da tutti i lati in queste situazioni è dovuto alle proprietà dei fluidi in equilibrio. Nell'atmosfera, ad esempio, le molecole dell'aria che vengono "appesantite" dall'alto spremerebbero i lati della colonna d'aria, se ciò fosse possibile. Ovviamente non è perché la colonna d'aria adiacente è sotto la stessa forza e quindi non stanno meglio. Le molecole di gas sono energiche in ogni direzione o, in altre parole, la pressione del fluido non può esistere in una direzione se in equilibrio, poiché qualsiasi differenza di pressione produrrebbe movimento (vento).

La ragione per cui usi il peso del fluido sopra di te (aria, oceano, ecc.) Per conoscere la pressione orizzontale che sentiresti è perché stai assumendo di trovarti in un'area in equilibrio e quindi dai motivi di cui sopra che il la pressione "orizzontale" è uguale alla pressione "verticale".

Un'altra intuizione che mi piace è l'idea di un pistone pneumatico. Il cilindro che contiene il fluido deve essere forte per evitare lo scoppio. Se si sostituisse il fluido con un'asta di metallo e si esercitasse una forza del pistone, le pareti del cilindro non avvertiranno nulla.