Pritisak i prenošenje pritiska
- Objasniti pritisak kao silu raspoređenu na površinu oslonca.
- Izračunati pritisak po formuli p = F / S i izraziti ga u paskalima i kilopaskalima.
- Objasniti zašto ista sila na manjoj površini daje veći pritisak — ekser, nož, skije.
- Uporediti prenošenje opterećenja kroz čvrstu šipku i prenošenje dodatnog pritiska u fluidu.
„Pod pritiskom sam zbog provjere“ opisuje osjećaj u svakodnevnom jeziku. U fizici pritisak p opisuje okomitu silu raspoređenu po površini i ima jedinicu Pa. Ne pretvaramo osjećaj u paskale. Na istom tragu, „pritisni jače“ govori o sili; pritisak zavisi i od površine.
1. Šta je pritisak?
Staneš li u dubok snijeg u običnim cipelama, propadaš do koljena. Ista ti osoba na skijama ostaje na površini. Sila kojom tijelo djeluje na snijeg je ista — tvoja težina. Razlika je u tome na koliku je površinu ta sila raspoređena.
Zato u fizici uvodimo novu veličinu. Pritisak je sila koja djeluje okomito na površinu, podijeljena tom površinom.
Oznake: p — pritisak, F — sila koja djeluje okomito na površinu, S — površina na koju sila djeluje. Jedinica pritiska je paskal (oznaka Pa):
Paskal je vrlo mala jedinica. Zato u praksi često koristimo kilopaskal (1 kPa = 1000 Pa) i bar (1 bar = 100 000 Pa = 1000 hPa). Pritisak od 1 Pa osjetiš kada na dlan staviš list papira — jedva.
U tablici su približne modelne vrijednosti pritiska iz svakodnevice. Red veličine pomaže da provjeriš svoj račun.
| Pojava | Sila i površina | Pritisak |
|---|---|---|
| Osoba na skijama | ≈ 800 N na ≈ 0,32 m² | ≈ 2,5 kPa |
| Ista osoba u cipelama | ≈ 800 N na ≈ 0,04 m² | ≈ 20 kPa |
| Vrh eksera pri udarcu | ≈ 50 N na ≈ 2 mm² | ≈ 25 MPa |
| Atmosferski pritisak | stupac zraka iznad nas | ≈ 1013 hPa |
2. Ista sila, različita površina
Iz formule p = F / S vidi se pravilo: što je površina manja, pritisak je veći — i obrnuto, ako se sila ne mijenja. To pravilo objašnjava mnoge stvari koje koristimo svaki dan.
- Ekser i čekić: vrh eksera ima površinu od nekoliko kvadratnih milimetara, pa ista sila udarca pravi ogroman pritisak i probija dasku. Glava eksera je šira da ga čekić lakše pogodi i da se sila prenese na ekser.
- Nož i sjekutić: oštrica ima tanku dodirnu površinu, pa mala sila reže. Tup nož reže samo ako pritisneš mnogo jače — moraš nadoknaditi veću površinu.
- Skije i krplje: velika površina razblaži težinu, pa pritisak padne ispod granice koju snijeg može nositi.
- Temelji zgrade: ogromna površina temelja drži pritisak na tlu malim, iako je zgrada veoma teška.
Uporedi dva slučaja s istom silom od 700 N. Na cipelama površine 0,025 m² pritisak je 28 000 Pa = 28 kPa. Na skijama površine 0,35 m² pritisak je svega 2000 Pa = 2 kPa. Ista sila, pritisak manji četrnaest puta.
3. Kako se pritisak prenosi kroz čvrsto tijelo
Kada pritisneš prstom o vrh olovke, na drugi kraj olovke djeluje pritisak. U jednostavnom primjeru ravne šipke opterećenje se prenosi pretežno duž šipke — od mjesta gdje guraš prema osloncu. Čvrsto tijelo zadržava oblik i može prenositi i druga naprezanja; to nije opći zakon da se svako opterećenje u svakom čvrstom tijelu prenosi samo jednom linijom.
Na primjer, ravnu šipku pritisneš uzduž njene ose: ona prenese silu do oslonca. Ako je pritisneš sa strane, može se i saviti. Zato za čvrsto tijelo uvijek pogledaj njegov oblik i oslonce.
Ovo važi za čvrsta tijela. U tečnostima i gasovima pritisak se ponaša drugačije: tamo se prenosi jednako na sve strane, o čemu govori sljedeća lekcija o Pascalovom zakonu.
Čvrsto tijelo, tečnost i gas — poređenje
| Sredstvo | Kako odgovara | Šta očekuješ |
|---|---|---|
| Ravna čvrsta šipka | Zadržava oblik, prenosi uzdužno opterećenje do oslonca | Može i da se savije; ne primjenjuješ automatski Pascalov zakon na cijelu šipku |
| Zatvorena tečnost | Vrlo slabo se sabija, dodatni pritisak prenosi u svim smjerovima | Mali pomak klipa brzo prenosi djelovanje na drugi klip |
| Zatvoren gas | Također prenosi pritisak u svim smjerovima, ali se znatno sabija | Pomak klipa može prvo smanjiti zapreminu gasa |
Primjer korak po korak: klip površine 2 cm² pritisneš silom 10 N. Prvo pretvori S = 0,0002 m², zatim Δp = F/S = 10/0,0002 = 50 000 Pa. U idealnoj zatvorenoj tečnosti taj dodatni pritisak prenosi se u svim smjerovima. Gas ga također prenosi nakon uspostavljanja ravnoteže, ali njegov pomak ne možeš odrediti bez podataka o sabijanju. Isti račun F/S na kraju šipke opisuje prosječno normalno opterećenje te plohe, a ne pritisak jednak u svim pravcima kroz cijelu šipku.
4. Isprobaj: blok na pijesku
Mijenjaj silu kojom blok pritišće pijesak i površinu oslonca. Gledaj koliko blok tone i koliki je pritisak. Širina bloka je srazmjerna površini oslonca, a dubina tonjenja pritisku (mjerilo dubine je logaritamsko, pa je crtež šematski).
p = 20 000 Pa ≈ 20,0 kPa
Sila 400 N na površini od 200 cm² daje pritisak 20 000 Pa. Blok tone plitko.
Ista sila, različit otisak: obuća i skije
Isti skijaš stoji na snijegu. Poređenje je šematsko: dubina otiska je samo kvalitativna ilustracija i ne predviđa koliko bi snijeg zaista popustio. Precizna veličina je pritisak p = F / S.
Odaberi predviđanje, pa pritisni „Uporedi otiske“.
2. Mijenjaj samo jednu veličinu i gledaj kako se pritisak mijenja u odnosu na sačuvano prvo poređenje.
Plava traka: trenutni pritisak. Crvena isprekidana crta: sačuvano prvo poređenje. Skala pritiska je linearna, 0 do 140 kPa.
5. Korak po korak: izračunaj pritisak
Zadatak: „Sanduk djeluje na pod silom od 600 N. Prvo stoji na strani površine 0,5 m², a zatim na strani površine 0,05 m². Koliki je pritisak u oba slučaja?“
6. Riješeni primjeri
Dva tipa zadatka: računanje pritiska iz sile i površine, te računanje površine ili sile iz poznatog pritiska. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.
Tip 1: pritisak iz sile i površine
Primjer 1: sanduk na podu
Sanduk djeluje na pod silom od 400 N. Površina oslonca je 0,02 m². Koliki je pritisak na pod?
Primjer 2: vrh eksera
Čekić djeluje na ekser silom od 50 N. Površina vrha eksera je 2 mm². Koliki pritisak pravi vrh eksera na dasku?
Primjer 3: kutija preko težine i dimenzija
Kutija mase 24 kg stoji na podu na strani dimenzija 30 cm × 20 cm. Koliki pritisak pravi na pod? Uzmi g = 9,81 N/kg.
Tip 2: površina i sila iz poznatog pritiska
Primjer 1: kolika je površina oslonca?
Tijelo djeluje silom od 800 N i pri tome pravi pritisak od 200 kPa. Kolika je površina oslonca?
Primjer 2: skijaš i skije
Skijaš mase 80 kg stoji na dvije skije, svaka dimenzija 1,6 m × 0,1 m. Koliki pritisak pravi na snijeg? Koliki bi bio pritisak u cipelama s ukupnom površinom 0,04 m²?
Primjer 3: dopušteni pritisak na tlo
Temelj zgrade ima površinu 0,5 m². Tlo podnosi pritisak do 400 kPa. Kolika najveća sila smije djelovati na temelj?
- „Pritisak i sila su isto.“ Nisu. Sila se mjeri u njutnima, pritisak u paskalima. Ista sila na velikoj dasci i na vrhu eksera daje potpuno različit pritisak.
- „Veća sila uvijek znači veći pritisak.“ Zavisi i od površine. Sila dvostruko veća na dvostruko većoj površini daje isti pritisak.
- „Pritisak se mjeri u njutnima.“ Njutn je jedinica sile. Jedinica pritiska je paskal: 1 Pa = 1 N/m².
- „Pritisak se kroz čvrstu šipku prenosi jednako na sve strane.“ U jednostavnom primjeru ravne opterećene šipke sila se prenosi duž nje. To ne znači da čvrsto tijelo ne može prenositi poprečna naprezanja. Mirni fluid ima drugi odgovor: dodatni pritisak prenosi u svim smjerovima.
✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)
1. U kojoj jedinici se izražava pritisak?
2. Ista sila djeluje prvo na veću, a zatim na manju površinu. Šta se dešava s pritiskom?
3. Sila od 400 N djeluje na površinu od 0,02 m². Koliki je pritisak?
4. Ravnu metalnu šipku pritiskaš uzdužno prema osloncu. U kojem pravcu ona prenosi ovo opterećenje?
7. Primijeni i objasni
Provjeri rješenje i obrazloženje
Prvo sila: F = m·g = 45 kg·9,81 N/kg ≈ 441 N. Pritisak na đonu: p = F/S = 441 N / 0,015 m² ≈ 29 400 Pa ≈ 29 kPa. Na dasci površine 0,3 m² pritisak je 441,45 N / 0,3 m² = 1471,5 Pa ≈ 1,5 kPa — dvadeset puta manji. To smanjuje opterećenje po površini, ali nosivost leda zavisi i od njegove debljine i stanja.
Klizaljka ima oštricu vrlo male dodirne površine, pa ista težina na njoj daje mnogo veći pritisak. Nekad se mislilo da pritisak tali led i stvara sloj vode, ali pri uobičajenim temperaturama taj efekat je mali. Klizanje zavisi od trenja, temperature i svojstava površine leda. Sam račun pritiska ne objašnjava cijelu pojavu.
Pokušaj najprije samostalno. Ako zapneš, vrati se na simulaciju i posmatraj šta se dešava s dubinom tonjenja kada smanjiš površinu pri istoj sili.
Samostalno istraži i obrazloži
Razvrstaj: (a) „pod pritiskom sam pred nastup“, (b) „sila 20 N raspoređena je na 0,01 m²“, (c) „isti ekser pritisni jače“. Za fizikalni primjer izračunaj p i objasni šta dodatno moraš znati za treću rečenicu.
Provjeri obrazloženje
(a) je svakodnevni opis, bez fizikalne mjerne jedinice. (b) daje p = 20/0,01 = 2000 Pa. (c) opisuje povećanje sile; ako je dodirna površina ista, pritisak raste u istom odnosu. Ako se promijeni i površina, bez njenog podatka ne možeš odrediti novi pritisak.
Samostalno istraži
Na dva zatvorena sistema s klipom iste površine 4 cm² djeluje sila 20 N. Jedan sadrži vodu, a drugi zrak. Odredi dodatni pritisak, objasni razliku u sabijanju i uporedi s ravnom šipkom koju pritiskaš uzdužno. Šta ne možeš odrediti iz samih podataka F i S?
Provjeri obrazloženje
S = 0,0004 m²; Δp = 20/0,0004 = 50 000 Pa. Oba mirna fluida prenose dodatni pritisak u svim smjerovima, ali zrak se pri tome znatno više sabija. Ne znaš pomak klipa bez podataka o sistemu i sabijanju. Ravna šipka prenosi uzdužno opterećenje do oslonca i može imati druga naprezanja; F/S na njenom kraju nije tvrdnja da se kroz cijelo čvrsto tijelo uspostavlja isti fluidni pritisak.
Ključni sadržaji koje ovdje učiš: pritisak, sila pritiska, površina oslonca, jedinica paskal, prenošenje pritiska kroz čvrsta tijela.
Oblast B. Mehanika — pritisak, 8. razred. Izvorna cjelina je u predmetnom kurikulumu KS na štampanoj stranici 17. Predmetni kurikulum KS, Fizika, 8. razred, štampana str. 17. Raspored oblasti na portalu je urednički. Objašnjenja, primjeri i aktivnosti su autorski.