Par spiedienu fizikā sauc spēku uz laukuma vienību (1. att. a), līdz ar to spiedienu var izteikt ar venādojumu p=F/S, kur
F - spēks, kas spiež uz lakumu, N
S - atbalsta laukums, m2
Ja spēku izsaka ņutonos (N) un laukumu kvadrātmetros (m2), tad spiediena mērvienība ir paskāls (Pa). Lai aprēķinātu, kādu spiedienu uz zemi rada cilvēks, jāzina smaguma spēks Fg un apavu laukums S, kas saskaras ar zemi (1. att. b).
1. att. Spiediena definīcija un piemērs
Spiedienu rada ne tikai cieti ķermeņi, bet arī gāzes un šķidrumi. Piemēram, Zemes atmosfēras kopējā masa ir aptuveni 5,15·1018 kg. Mēs atrodamies šī “gaisa okeāna” dibenā un gaisa stabs, kas atrodas virs mums, veido atmosfēras spiedienu, kas ir aptuveni 100000 Pa. Tas ir spiediens, ko radītu 10 t smags veltnis uz 1 m2 lielu laukumu (2. att. a). Ir divi iemesli, kādēļ cilvēks šo spiedienu nesajūt. Pirmkārt, spiediens gāzēs un šķidrumos visos virzienos izplatās vienādi, tādēļ atmosfēra spiež vienādi gan no augšas, gan sāniem un apakšās (2. att. b), to sauc par Paskāla likumu. Otrkārt, cilvēka orgāni ir pakļauti tādam pašam spiedienam, kas kompensē atmosfēra spiedienu.
2. att. Atmosfēras spiediens un tā darbības virzieni
Ja ķermenis nonāk šķidrumā, tad arī šķidrums uz to iedarbojas ar savu spiedienu, ko sauc par hidrostatisko spiedienu. Piemēram, ja šķidrumā nonāk klucītis dziļumā ∆h, tad papildus atosfēras spiedienam patm, uz klucīti darbojas šķidruma hidrostatiskais spiediens, ko rada šķidruma stabs virs klucīša (3. att.). Hidrostatisko spiedienu aprēķina, izmantojot formulu pšķ=ρšķ·g·∆h, kur
ρšķ - šķidruma blīvums, kg/m3
g - brīvās krišanas paātrinājums, m/s2
∆h - šķidruma staba augstums, m
Hidrostatiskā spiediena kā jau jebkura spiediena mērvienība ir paskāls (Pa).
Jo dziļāk sķidrumā mēs skatāmies, jo lielāks ir šķidruma hidrostatiskais spiediens. Tas ir tādēļ, ka palielinās ūdens slāņa biezums, kas spiež. Šķidrumā iegremdētam ķermenim ar augstumu h uz tā virspusi un apakšpusi darbojas pretēji vērsti spēki F1 un F2, ko izraisa ūdens slāņu radītais hidrostatiskais spiediens (3. att.). Ūdens slānis, kas atrodas virs ķermeņa apakšējās daļas (augstums h2), ir lielāks nekā tas, kas pārklāj ķermeņa virsmu (augstums h1), tādēļ F2 ir lielāks nekā F1. Spēku saskaitīšanas rezultāta uz ķermeni darbojas augšup vērsts spēks, ko sauc par Arhimēda spēku. Arhimēda spēku aprēķina pēc formulas F=ρšķ·g·V, kur
ρšķ - šķidruma blīvums, kurā iegremdēts ķermenis, kg/m3
g - brīvās krišanas paātrinājums, m/s2
V - ķermeņa tilpums, kas ir iegrimis šķidrumā, m3
Arhimēda spēks darbojas ne tikai šķidrumos, bet arī gāzēs.
3. att. Hidrostatiskais spiediens un Arhimēda spēks
Arhimēda spēka lielums nosaka to, vai objekts šķidrumā vai gaisā var brīvi peldēt, vai arī tas grims. Ja Arhimēda spēks FA ir lielāks par smaguma spēku FG, tad objekts grimst (5. att. a). Ja FA ir mazāks par FG, tas nozīmē, ka objekta blīvums ir lielāks par šķidruma blīvumu, kurā tas atrodas. Piemēram, ūdenī iemesta nagla grims, jo naglas materiāls ir blīvāks par ūdeni (5. att. a). Ja šķidruma blīvums ir vienāds ar ķermeņa blīvumu, tad FA = FG un ķermenis var peldēt (5. att. b). Savukārt, ja ķermeņa blīvums ir mazāks par šķidruma blīvumu, tad ķermenis uzpeldēs (5. att. c) un atradīsies šķidruma virspusē daļēji iegrimis.
5. att. Peldēšanas nosacījums
Tā kā spiediens ir atkarīgs no atbalsta laukuma, tad viens un tas pats ķermenis, atkarība no atbalsta laukuma, var radīt atšķirīgu spiedienu uz virsmu. Cilvēks dažādās dzīves situācijās saskaras ar to, ka tiek radīts atšķirīgs spiediens uz virsmu. Piemēram, trīs ierastas cilvēka darbības ir stāvēšana, sēdēšana uz gulēšana. Katru no šīm darbībām raksturo atšķirīgs cilvēka saskares laukums ar virsmu uz kuras darbība notiek, līdz ar to atšķirīgs ir arī spiediens ar kādu cilvēks spiež uz virsmu. Tāpēc, ja mēs apguļamies gultā, tad madracis deformējas tikai nedaudz (1. att. a), savukārt ja mēs nostājamiesu uz gultas ar kājām, tad madracis iespiežas diezgan ievērojami (1. att. b)
1. att. Spiediena izpausme dažādos stāvokļos
Šo spiediena atšķirību dēļ, pa nedrošu ledu ir drošāk pārvietoties guļus (2. att.), jo tad spiediens uz ledus virsmu ir vismazākais. Ja līdzi iespējams paņemt vēl kādu plakanu objektu, piemēram, trepes vai dēli (2. att.), tad pārvietošanās kļūst vēl doršāka.
2. att. Droša pārvietošanās pa ledus virsmu
Tomēr arī stāvot kājās, cilvēks var radīt dažāda lieluma spiedienu uz virsmu, atkarībā no apaviem, kādi tiek lietoti. Meitenes dažkārt izvēlas uz balli vilkt kurpes ar ļoti šauriem papēžiem. Augstu papēžu nēsātājas parasti piesaista pastiprinātu puišu uzmanību, tomēr no šiem papēžiem ir arī jāuzmanās, jo valkātājas radītais smaguma spēks tiek koncentrēts mazā saskares laukumā, kas var izraisīt sāpīgus mirkļus (3. att.).
3. att. Augstpapēžu kurpes spiediens
Dažādās dzīves situācijās mums ir nepieciešams spiedienu palielināt vai samazināt, to tad arī mēs darām, samazinot vai palielinot laukumu, uz kuru darbojas spēks. Piemēram, ja virtuvē ir kļuvis truls (neass) nazis, tad mēs to uzasinām (4. att.). Asināšana nozīmē, ka tiek samazināta tā naža virsma, kas saskaras ar griežamo objektu, līdz ar to uz objektu tiek radīts lielāks spiediens.
4. att. Asa un trula naža saskarvirsmas laukums
Bērnu zinātnes centrā Zinoo atrodas krēsls, kura virsma ir pārklāta ar naglām. Cilvēks bez lielām sāpēm var šajā krēslā apsēsties (5. att.). Tas ir tādēļ, ka cilvēka radītais spiediens sadalās uz ļoti daudz naglām, līdz ar to spiediens uz vienu naglu ir mazāks un cilvēkam tas nerada sāpju sajūtu.
5. att. Naglām noklāts krēsls zinātnes centrā Zinoo
Dažādus ūdens transporta līdzekļus virs ūdens notur Arhimēda spēks. Tomēr, ja mēs paskatītos no kāda materiāla ir veidoti kuģi, laivas un citi ūdens transporta līdzekļi, tad tas ir materiāls, kas ir blīvāks par ūdeni. Tas ir tādēļ, ka Arhimēda spēka lielumu nosaka visas iegrimušās daļas blīvums. No blīva materiāla kuģiem un laivām ir tikai korpuss, bet pārējo tilpumu pilda vieglāki materiāli un gaiss, kas nodrošina mazu vidējo blīvumu (6. att.).
6. att. Arhimēda spēks darbībā
Arhimēda spēks darbojas gan šķidrumos gan arī gāzēs, tādēļ arī gaisā var novērot Arhimēda spēka ietekmi. Tas darbojas gan uz putniem, gan lidojošiem kukaiņiem, gan arī lidmašīnām, tikai gāzu blīvums parasti ir mazs salīdzinot ar šķidruma blīvumu, tādēļ arī Arhimēda spēks gāzes ir daudz mazāks nekā šķidrumos un tā ietekme nav tik ļoti sajūtama. Bet ar visu to, piemēram, gaisa balons var lidot pateicoties tieši Arhimēda spēkam (7. att.), jot tā iekšpusē tiek uzkarsēts gaiss. Karstam gaisma ir mazāks blīvums nekā aukstam, līdz ar to rodas Arhimēda spēks, kas ceļ balonu gaisā!
7. att. Gaisa balons
Arhimēdas spēka priekšrocības tiek izmantotas arī kosmosa izpētē. Zemes kaimiņu planētai Venērai ir ļoti bieza un blīva atmosfēra, kas noteic elles cienīgus apstākļus uz tās virsmas: temperatūra var sasniegt par 450 grādus pēc Celsija un atmosfēra spiediens ir aptuveni 90 reizes lielāks nekā uz Zemes. Šādos apstākļus kosmosa izpētes zondes ātri salūzt, tādēļ daži Venēras pētījumi ir noritējuši kosmiskajām zondēm peldot Venēras atmosfēras augšējos slāņos (8. att.), kur temperatūra un spiediens līdzinās apstākļiem uz Zemes, un gāzu blīvums ir pietiekoši liels, lai Arhimēda spēks noturētu tās noteiktā augstumā.
8. att. Zonde Venēras mākoņos
Kad 2014. gadā FIZMIX aicināja piedalīties Ginesa rekorda uzstādīšanā, tapa video, kurā basketbola kluba VEF puiši centās pēc iespējas augstāk uzsūkt šķidrumu caur garu salmiņu. Video apgalvo, ka, balstoties uz fizikas likumiem, nebūs iespējams šķidrumu uzsūkt augstāk par aptuveni 10 m. Arī eksperiments apliecina, ka nevienam neizdodas uzsūkt šķidrumu augstāk par 8 m. Šī 10 m robeža ir tādēļ, ka šķidruma celšanos salmiņā nodrošina starpība starp ārējo spiedienu (atmosfēras spiedienu) un spiedienu salmiņā. Ideālā gadījumā salmiņā varētu rādīt vakuumu jeb spiediens būtu 0, tādā gadījumā spiedienu starpība būtu 1 atmosēra jeb aptuveni 100000 Pa. Ja aprēķina kādu hidrostatisko spiedienu rada 10 m augsts ūdens stabs, tad iznāk tie paši 100000 Pa. Līdz ar to atmosfēras spiediens darbojas pretī šķidruma hidrostatiskajam spiedienam.
1. att. Ekrāna šāviņš no video
Šo efektu pirmais atklāja Toričelli, tādā veidā arī pirmo reizi izskanēja doma, ka pastāv atmosfēra spiediens. Toričelli gan neveica eksperimentu ar 10 m garu cauruli ūdenī. Tā vietā viņš izmantoja daudz blīvāko dzīvsudrabu, kuru ielēja 1 m garā caurulē, aizpieda ciet caurules galu, apgrieza cauruli otrādi un iegremdēja to dzīvsudraba traukā. Kads gals tika palaist vaļā, caurulē dzīvsudraba stabiņš noslīdēja līdz 76 cm jeb 760 mm augstumam (2. att. a). Aprēķinot šada stabiņa radīto hidrostatisko spiedienu, atkal iznāk 1 atmosfēra. Tā kā šis eksperiments bija pirmais pēc kura izskanēja doma par atmosfēra spiedienu, tad vēl aizvien laika ziņās (2. att. b) atmosfēras spiediena mērvienībaa ir dzīvsudraba stabiņa milimetri (mmHg). Normāls atmosfēras spiediens ir 760 mmHg.
2. att. Atmosfērs spiediens mmHg
Šķidruma stabiņa milimetros neizsaka tikai atmosfēras spiedienu. Dažkārt arī dažādās iekārtās spiediens tiek mērīts šķidruma stabiņa milimetros. Piemēram, 3. att. redzams gāzes skaitītājs, kuram darba spiediens tiek merīts ūdens stabiņa milimetros.
3. att. Gāzes skaitītājs
Lai gan atmsofēru veido gāzes, tomēr atmosfēras spiediens rodas līdzīgi kā šķidrumu hidrostatiskais spiediens. Tikai šajā gadījumā ir jāņem vērā fakts, ka atmosfēra zemes tuvumā ir blīvākā (4. att. a), tādēļ nav viena blīvuma, ko varētu lietot aprēķinos. Tomēr, ja paņemtu vienu kvadrāmetru lielu laukumu un saskaitītu kopā masu visām gaisā esošajām molekulām, kas virs tā atrodas, kopā iznāktu ap 10000 kg (4. att. b). Uz šādu masu darbojas aptuveni 100000 N liels gravitācijas spēks, kas, izdalot uz vienu kvadrātmetru, dod 100000 Pa lielu spiedienu - atmosfēras spiedienu.
4. att. Atmosfēras spiediena veidošanās
Ja trīs traukos ar vienādu pamata laukumu ielej šķidrumu vienādā augstumā, tad neatkarīgi no trauka formas, ūdens hidrostatiskais spiediens visos trīs gadījumos ir vienāds (5. att.), jo hidrostatisko spiedienu nosaka šķidruma blīvums, pamata laukums un šķidruma augstums, kas visos trīs gadījumos ir vienāds.
5. att. Trauki ar vienādu pamata laukumu un šķidruma ūdens līmeni