Presiunea

Elevii înțeleg noțiunea de presiune, factorii de care depinde și aplicațiile în practică.

De ce nu este de ajuns să vorbim despre forță

Un experiment pe care îl poți face acum: apasă palma pe bancă, apoi apasă la fel de tare cu vârful unui creion. Forța este aceeași, dar senzația este complet diferită – creionul te doare, palma nu.

Alte situații care arată același lucru:

• un om în cizme se afundă în zăpadă, dar pe schiuri merge fără să se afunde, deși are aceeași greutate;
• un cuțit ascuțit taie ușor, unul tocit doar strivește pâinea, chiar dacă apeși identic;
• un tractor cu șenile trece peste teren moale, în timp ce o mașină obișnuită se împotmolește.

Concluzia: efectul unei apăsări nu depinde doar de cât de mare este forța, ci și de pe ce suprafață se împrăștie ea. Aceeași forță, distribuită pe o suprafață mică, are un efect mult mai puternic decât atunci când este împrăștiată pe o suprafață mare.

Mărimea fizică ce descrie acest lucru se numește presiune. Ea răspunde la întrebarea: cât din forța de apăsare revine fiecărei unități de suprafață?

De reținut de la început: forța de apăsare pe care o studiem în acest capitol acționează perpendicular pe suprafață. Dacă forța este oblică, doar efectul ei perpendicular apasă suprafața.

Definiția și formula presiunii

Presiunea este mărimea fizică egală cu raportul dintre forța care apasă perpendicular pe o suprafață și aria acelei suprafețe:

p = F : S

unde:

• p este presiunea;
• F este forța de apăsare, perpendiculară pe suprafață, măsurată în newtoni;
• S este aria suprafeței de contact, măsurată în metri pătrați.

Din formulă se scot imediat și celelalte două relații, cerute frecvent la evaluare:

• F = p · S (afli forța, când cunoști presiunea și aria);
• S = F : p (afli aria, când cunoști forța și presiunea).

Citirea corectă a formulei: presiunea crește dacă forța crește și scade dacă suprafața crește. Sunt două mărimi care trag în sensuri opuse, iar la probleme trebuie urmărită mereu care dintre ele se modifică.

Când un corp solid stă pe o suprafață orizontală, forța care apasă este chiar greutatea corpului, deci p = G : S, cu G = m · g. Acesta este cazul cel mai des întâlnit în exerciții.

Atenție la un detaliu care costă puncte: S este aria suprafeței de contact, nu aria totală a corpului. Un dulap sprijinit pe patru picioare apasă podeaua doar cu suma ariilor celor patru tălpi, nu cu aria întregii lui baze.

Unități de măsură

Unitatea de măsură a presiunii în Sistemul Internațional este pascalul (Pa), numit după savantul Blaise Pascal.

1 Pa = 1 N/m², adică presiunea produsă de o forță de 1 N care apasă perpendicular pe o suprafață cu aria de 1 m².

Pascalul este o unitate foarte mică – o coală de hârtie așezată pe masă apasă cu doar câțiva pascali – de aceea se folosesc frecvent multiplii:

• 1 kPa (kilopascal) = 1000 Pa
• 1 MPa (megapascal) = 1 000 000 Pa
• 1 bar = 100 000 Pa = 100 kPa

Cea mai periculoasă capcană a capitolului este transformarea ariilor. Trebuie știut pe de rost:

• 1 m² = 10 000 cm², deci 1 cm² = 0,0001 m²;
• 1 m² = 1 000 000 mm².

Mulți elevi împart corect, dar lasă aria în centimetri pătrați și obțin un rezultat de zece mii de ori mai mic. Regula sigură: înainte de a înlocui în formulă, transformă forța în newtoni și aria în metri pătrați.

Ordine de mărime utile ca reper: presiunea atmosferică normală este de aproximativ 100 000 Pa, presiunea din anvelopa unei biciclete este de câteva sute de mii de pascali, iar un om în picioare apasă podeaua cu circa 15 000–20 000 Pa.

Presiunea exercitată de corpurile solide

Corpurile solide transmit apăsarea numai în direcția forței și numai pe suprafața pe care se sprijină – aceasta este marea deosebire față de lichide și gaze, pe care le vei studia în capitolele următoare.

Să urmărim un exemplu clasic de evaluare. O cărămidă cu greutatea de 30 N are trei perechi de fețe, cu ariile de 0,03 m², 0,015 m² și 0,01 m². Așezată pe rând pe fiecare față, ea apasă podeaua cu:

• pe fața mare: p = 30 : 0,03 = 1000 Pa;
• pe fața mijlocie: p = 30 : 0,015 = 2000 Pa;
• pe fața mică: p = 30 : 0,01 = 3000 Pa.

Observă ce s-a schimbat și ce nu: greutatea cărămizii a rămas aceeași în toate cele trei situații, deci și forța de apăsare. S-a modificat doar suprafața de contact, iar presiunea a variat de trei ori.

Aceasta este ideea pe care se construiesc majoritatea întrebărilor: nu confunda forța cu presiunea. Un corp poate apăsa cu o forță mare și o presiune mică (elefantul, cu tălpile lui late) sau cu o forță mică și o presiune uriașă (acul unei seringi).

Atunci când un corp se sprijină în mai multe puncte, aria de contact este suma ariilor tuturor punctelor de sprijin. Dacă un om ridică un picior, aria se înjumătățește, iar presiunea pe podea se dublează, deși greutatea lui nu s-a schimbat cu nimic.

Cum mărim și cum micșorăm presiunea

Din formula p = F : S rezultă direct toate metodele practice.

Mărim presiunea atunci când vrem ca un corp să pătrundă, să taie sau să se înfigă:

• micșorând suprafața de contact – vârfurile ascuțite ale cuielor, tăișul subțire al cuțitului, lama patinelor, dinții și ghearele animalelor, acele de seringă;
• mărind forța – lovim cuiul cu ciocanul, apăsăm mai tare pe cuțit.

Micșorăm presiunea atunci când vrem să nu deteriorăm suprafața pe care apăsăm:

• mărind suprafața de contact – schiurile, șenilele tractorului și ale tancului, tălpile late ale cămilei pe nisip, fundațiile largi ale clădirilor, roțile duble ale camioanelor, ranița cu bretele late care nu taie umerii;
• micșorând forța – transportăm mai puțină marfă odată.

Două exemple de gândit până la capăt:

• Cuțitul tocit taie mai greu nu pentru că am puterea mai mică, ci pentru că lama lui are aria de contact mai mare, deci aceeași apăsare produce o presiune mai mică.
• Cine cade pe gheață subțire nu trebuie să se ridice în picioare, ci să se târască: întins pe burtă, aria de contact este mult mai mare, deci presiunea asupra gheții scade și aceasta nu se mai sparge.

Termenul care apare frecvent în subiecte este presiunea admisibilă: valoarea maximă pe care o suprafață o suportă fără să se deterioreze. Fundațiile clădirilor se dimensionează exact ca presiunea pe sol să rămână sub această limită.

Test — 6 întrebări ca la examen