정수압:응용, 예 및 계산

이 기사에서 정수압과 관련된 응용 분야 및 예시에 대해 자세히 알아보세요.

액체의 압력 기사에서 정수압의 형성 및 계산이 자세히 설명되었습니다. 정수압 ph는 액체의 밀도 ϱ와 중력 가속도 g 외에도 액체 표면 아래 깊이 h에만 의존하는 것으로 나타났습니다.

\begin{정렬}
\라벨{h}
&\boxed{p_h =\rho \cdot g \cdot h} \\[5px]
\end{정렬}

다음 섹션에서는 일상생활에서 정수압의 중요성에 대해 자세히 설명합니다.

블레즈 파스칼의 배럴 실험

17세기 블레즈 파스칼(Blaise Pascal)의 실험을 기반으로 한 다음 실험은 수심에 대한 정수압의 단순한 의존성을 보여줍니다. 이를 위해 큰 유리 용기에 물을 완전히 채웁니다. 병 바닥의 (정수압) 수압은 방정식 (\ref{h})으로 계산할 수 있습니다. 높이가 0.5m라고 가정하면 바닥의 정수압은 약 0.05bar입니다. 유리병은 상대적으로 낮은 수압을 아무런 문제 없이 견딜 수 있습니다.

그러나 병목에 작은 수직관을 부착하고 물을 채우면 수위가 높아짐에 따라 정수압이 증가합니다. 예를 들어, 튜브가 건물의 여러 층에 걸쳐 운행되는 경우 압력이 상당히 증가할 수 있습니다. 30m 높이에서는 수압이 3bar 이상으로 올라갑니다. 결국 수압은 결국 유리병이 더 이상 엄청난 힘을 견디지 못하고 부서질 정도로 높아질 것입니다.

이 실험의 인상적인 점은 모세관 효과를 무시할 수 있는 한 튜브의 내경이 어느 정도인지는 중요하지 않다는 것입니다. 이론적으로는 내부 직경이 4mm인 튜브이면 충분합니다. 이 튜브에 물을 채우려면 약 380ml의 물이 필요합니다. 따라서 380ml의 물이면 용기의 용량에 관계없이 유리 용기의 수압을 60배 이상 높이는 데 충분합니다!

바다의 수압

정수압은 수심이 깊어질수록 물의 압력을 점점 더 증가시킵니다. 물의 밀도가 약 1000kg/m3이고 중력 가속도가 약 10N/kg인 경우 수압은 수심 10m당 약 1bar 증가합니다. 아래 그림의 압력 값은 정수압(수압)만을 나타냅니다. ). 특정 수심에서의 절대압력을 얻으려면 수면 위의 주변압력 1bar(대기압)를 더해야 합니다.

수압은 수심 10m당 약 1bar씩 증가합니다!

예를 들어, 다이빙 중 수압이 증가하면 수심이 깊어질수록 스쿠버 탱크에서 더 많은 공기를 흡입해야 합니다. 주변 수압의 균형을 맞추기 위해 폐는 흡입된 공기를 통해 동일한 압력을 생성해야 합니다. 그렇지 않으면 더 큰 수압으로 인해 폐가 압축됩니다. 더 큰 폐 압력은 더 많은 공기를 흡입해야만 달성할 수 있습니다. 이는 압력을 높이기 위해 더 많은 공기를 펌핑해야 하는 자전거 타이어와 유사합니다. 따라서 다이빙 탱크의 공기 공급은 더 깊이 다이빙할수록 더 빨리 소진됩니다.

물뿌리개

정수압이 깊이에만 영향을 받는다는 사실은 일상생활의 여러 곳에서 자명합니다. 파이프로 연결된 선박(소위 통신선)에서는 어디서나 동일한 수위가 나타나는 이유이기도 합니다. ). 이는 예를 들어 물로 채워진 물뿌리개에서 볼 수 있습니다. 시간이 지나면 주입 파이프(주둥이라고도 함)의 수위가 동일해집니다. ) 캔 자체와 같습니다.

통신선은 액체로 채워진 용기로, 파이프로 서로 연결되어 있으며 공통 액체 수위를 가지고 있습니다!

이는 수학적으로 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 캔 안의 물은 노즐이 용접된 깊이 hc에서 특정 정수압 pc로 이어집니다.

\begin{정렬}
&p_{c} =\rho \cdot g \cdot h_{c} ~~\text{캔 안의 정수압} \\[5px]
\end{정렬}

같은 방법으로 수위 아래 깊이 hs에서 주둥이 ps의 정수압을 결정할 수 있습니다.

\begin{정렬}
&p_{s} =\rho \cdot g \cdot h_{s} ~~\text{주둥이의 정수압} \\[5px]
\end{정렬}

캔을 채우는 동안 캔과 붓는 파이프 사이의 서로 다른 수위를 관찰할 수 있습니다. 결국, 캔의 더 큰 수압에 의해 주둥이의 물이 위쪽으로 밀려나게 됩니다.

그러나 충전 후에는 평형 상태에 도달하고 물이 더 이상 파이프를 통해 강제로 유입되지 않습니다. 이 경우, 주둥이의 물기둥에 의해 발생하는 정수압은 분명히 캔의 물기둥에 의해 발생하는 정수압만큼 높아야 합니다. 그렇지 않다면 두 정수압 중 더 큰 압력이 캔 안의 물이나 주둥이 안의 물을 더 위쪽으로 밀어 올릴 것입니다. 평형 상태에서 정수압은 필연적으로 동일해야 하며 이는 궁극적으로 공통 수위의 경우에만 해당됩니다.

\begin{정렬}
\요구{취소}
p_{c} &\오버셋{!}{=} p_{s} \\[5px]
\b취소 {\rho \cdot g} \cdot h_{c} &=\bcancel{\rho \cdot g} \cdot h_{s} \\[5px]
h_{c} &=h_{s} \\[5px]
\end{정렬}

평형 상태에서 동일한 정수압이 형성된다는 사실은 액체의 압력이 모든 방향에서 동일하게 작용한다는 사실로도 나타납니다. 따라서 특정 깊이에서는 서로 다른 두 가지 정수압이 존재할 수 없습니다. 만약 그렇다면 전류가 형성될 것이고 평형은 없을 것입니다.

수위

서로 연결된 용기에서 동일한 수위가 형성된다는 사실은 기술적으로 소위 수위 장치에 사용됩니다. . 두 개의 용기에는 각각 저울이 제공되고 물로 채워진 유연한 튜브로 서로 연결됩니다. 물의 양은 저울로 읽을 수 있습니다.

두 용기 모두 동일한 수위에 도달하기 때문에 단순한 수준기를 사용할 수 없는 장거리에서도 동일한 수위를 설정하는 것이 매우 쉽습니다. 예를 들어 건설 기술에서는 수위가 사용되며 오늘날에는 전자 센서가 주로 사용됩니다.

급수탑

정수압을 사용하거나 통신 선박의 공통 액체 수위에 대한 노력을 사용하는 또 다른 기술 구현은 급수탑입니다. .

원칙적으로 급수탑은 펌프에 의해 물이 채워지는 높은 탱크입니다. 이로 인해 발생하는 정수압으로 인해 추가 펌프 없이도 물이 저지대 가구로 유입될 수 있습니다. 일반적으로 수백만 리터에 달하는 타워의 대형 저수조로 인해 수위는 상대적으로 천천히 가라앉습니다. 이는 수위가 특정 한도 아래로 떨어지면 물이 다시 펌핑되기 전에 거의 일정한 수압을 보장합니다.

그러나 요즘에는 급수탑의 사용이 점점 줄어들고 있습니다. 현대 급수 시스템에서는 물을 소비자에게 직접 전달하는 데 주로 펌프가 사용됩니다.