לחץ

כוח F שמופעל בניצב למשטח ששטחו A יוצר לחץ P השווה ל-F/A.

לחץ בפיזיקה הוא גודל שניתן לשייך למערכות מאקרוסקופיות (כלומר, בעלות מספר רב של חלקיקים) שמתאר את היחס בין כוח לבין יחידת שטח עליה הוא מופעל במאונך. לדוגמה, עבור גז במיכל סגור, מולקולות הגז מתנגשות באופן תמידי בקירות המיכל, דבר שמפעיל על הקיר כוח. אם נסתכל בחלק קטן של הקיר נראה שביחידת זמן כמות ההתנגשויות של מולקולות גז בקיר פחות או יותר קבועה, ועבור חלק גדול פי 2 מהקיר (בעל יותר שטח) נקבל שיש פי 2 התנגשויות בו ולכן פי 2 כוח. התכונה של הכוח ליחידת שטח הקיר לא תלוי בגודל הקיר, אלא בתכונות הגז עצמו (כמה מהר המולקולות נעות, מה המסה של מולקולה בודדת, וכו'), ולכן ניתן לשייך לגז גודל שנקרא לחץ.

לחץ יכול להיות מוגדר גם בתוך חומר, כאשר אין משטח ממשי שעליו פועל כוח. בנוזלים ובגזים, לחץ הוא הכוח שיוצרת התנגשות של מספר רב של מולקולות החומר על דפנות הכלי שבו הוא מוכל. הלחץ במקרה זה מוגדר ככוח החיצוני שפועל על פאה של קובייה קטנה בתוך החומר, חלקי שטח הפאה.

מדידת לחץ אטמוספירי מאפשרת חיזוי מזג אוויר ומציאת גובה מעל פני הים. חישובי לחץ משמשים בכל תחומי ההנדסה (למשל בהנדסת בניין, הנדסת מכונות והנדסת רכב), ובמדע בתחומים רבים.

הקשר בין לחץ וכוח

משימור תנע ואנרגיה, בהתנגשות של מולקולה בודדת בעלת מסה קטנה בקיר עם מסה הרבה יותר גדולה, ניתן לקבל שהכוח שפועל על הקיר יהיה תמיד מאונך לקיר, לא משנה באיזה כיוון הגיע הכדור. לכן, לא משנה מה צורת מיכל הגז, הכוח שמרגיש אלמנט שטח מההתנגשויות תמיד יהיה מאונך לו. בנוסף, ככל שלוקחים שטח גדול יותר, כך יש יותר התנגשויות ביחידת זמן (באופן פרופורציונלי לשטח), ולכן כפי שתואר למעלה, נוח להגדיר לנוזלים וגזים תכונה שלא קשורה למיכל עצמו, הלחץ שלהם, המוסמן באות $P$. כאשר נסתכל על אלמנט שטח בעל גודל $A$ שנמצא בסמוך לזורם בלחץ $P$, אלמנט השטח ירגיש כוח במאונך אליו ששווה בגודלו למכפלת לחץ הנוזל בשטח האלמנט:

${\vec {F}}=PA{\hat {n}}$

כאשר ${\hat {n}}$ וקטור יחידה שמצביע בכיוון מאונך לאלמנט השטח.

ניתן להסתכל על הנוסחה גם בכיוון ההפוך. כלומר, אם רוצים ליצור כוח מסוים על גוף, כדי להקטין את הלחץ ניתן להגדיל את השטח שבו הכוח מופעל (כך כל חתיכה מאלמנט השטח מרגישה פחות כוח בפני עצמה). לדוגמה: אם ננסה לשכב על מסמר נרגיש כאב חד, והמסמר אף עלול לפצוע. לעומת זאת, אם נשכב על מיטת מסמרים עם מספר רב של מסמרים, שטח המגע בין המסמרים לגופנו יגדל. כתוצאה מכך, הכח הנקודתי הדרוש לכל מסמר להנעץ לאותו עומק כמו במקרה הקודם גם יגדל. אך הכוח הכולל המופעל (המשקל שלנו) לא ישתנה. במלים אחרות, הלחץ על העור יקטן (כל חתיכת עור מרגישה פחות כוח בפני עצמה ולכן אף חתיכה לא נקרעת).

יחידות

במערכת היחידות הבינלאומית נמדד הלחץ בפסקל שמוגדר כלחץ שמפעיל כוח של ניוטון אחד על משטח בעל שטח של מטר רבוע אחד.

יחידות נפוצות אחרות:

• PSI - Pound per Square Inch - כוח של ליברה אחת לשטח של אינץ' רבוע.
• inHg - אינץ' כספית - הלחץ שיצור עמוד כספית בגובה אינץ' אחד בתחתיתו.
• mmHg - מילימטר כספית - הלחץ שיצור עמוד כספית בגובה מילימטר אחד בתחתיתו. יחידה זו מכונה גם טור.
• אטמוספירה - אטמוספירה אחת היא בקירוב הלחץ הממוצע שמפעילה אטמוספירת כדור הארץ בגובה פני הים, והיא שווה ל-101,325 פסקל לערך או 760 מ"מ כספית.

טבלת המרות בין יחידות נפוצות

	פסקל	בר	N/mm2	kg/m2 *	kg/cm2 *	אטמוספירה	מילימטר כספית
1 פסקל	1	10-5	10-6	0.102	0.102×10-4	0.987×10-5	0.0075
1 בר	100,000	1	0.1	10,200	1.02	0.987	750
1 N/mm2	106	10	1	1.02×105	10.2	9.87	7,500
1 kg/m2	9.81	9.81×10-5	9.81×10-6	1	10-4	0.968×10-4	0.0736
1 kg/cm2	98,100	0.981	0.0981	10,000	1	0.968	736
1 אטמוספירה	101,325	1.013	0.1013	10,330	1.033	1	760
מילימטר כספית (torr)	133	0.00133	1.33×10-4	13.6	0.00136	0.00132	1

* kg בטבלה הוא ק"ג כוח, כלומר המשקל של מסה של ק"ג אחד על פני כדור הארץ.

מדידת לחץ

לחץ נמדד באמצעות מכשיר הנקרא מנומטר.

מנומטר פשוט בנוי מצינור בצורת האות U כאשר בקצהו האחד מצוי לחץ ידוע, בתחתיתו זורם כלשהו, וקצהו השני משמש למדידת לחץ. ניתן לחשב את הלחץ על ידי מדידת הפרש הגבהים בין שני קצוות הזורם ובעזרת הנוסחה למציאת לחץ סטטי בקירוב של שדה כבידה אחיד:

$P=\rho gh\,$

כאשר: $\ \rho$ היא צפיפות הנוזל, g הוא תאוצת הכובד, ו-h הוא גובה עמוד הנוזל.

לחץ בנוזלים ובגזים

לחץ הנוצר על ידי התנגשויות של חלקיקים בדפנות המכל. החלקיקים הן הנקודות השחורות. ניתן לדמיין שאלו כל החלקיקים במכל בנקודת זמן מסוימת. העקבות השחורים הם מסלולים של חלקיקים שרחוקים מהדפנות. חלקיקים כאלו לא יתרמו ללחץ על הדפנות בנקודת הזמן שבציור. העקבות האדומים הם של חלקיקים שהתנגשו בדופן, והחלקיק הוחזר למכל. שקלול וקטורי הכח של החלקיקים שכן התנגשו מייצר כוח אנכי לדופן. מרכיבי כוח של חלקיקים שונים שאינם מאונכים מבטלים זה את זה.

נוזלים וגזים (המכונים יחד זורמים) מורכבים ממספר רב של מולקולות אשר נעות באופן אקראי לכל הכוונים. בכל זמן נתון מספר רב של מולקולות מתנגשות זו בזו או במשטח, והכוח אשר הן מפעילות בהתנגשות זו יוצר לחץ אחיד בקירוב טוב. במיוחד כשמדובר בגזים הלחץ תלוי בתכונות החומר: ככל שיש יותר חלקיקים (יותר גז במיכל) הלחץ עולה, וככל שמהירות החלקיקים של הגז גדלה (ואיתה גם הטמפרטורה), הלחץ יעלה גם כן.

לחץ סטגנציה (עצירה) הוא הלחץ שיוצר זרם הנתון במהירות מסוימת ונעצר. בכלי טיס משתמשים בצינור פיטו על מנת למדוד את הלחץ מסביב למטוס, ואת לחץ הסטגנציה ובאמצעותם לחשב את מהירות הטיסה ביחס לאוויר.

יישומים

• עומד הידראולי

לחץ בתרמודינמיקה

בתרמודינמיקה מקובל לדבר על הלחץ הממוצע שמפעילה המערכת על פאותיה. לרוב, המערכת תהיה גז הנתון במכל. לחץ זה נתון על ידי

$\ P=-\left({\frac {\partial U}{\partial V}}\right)_{S}$

כאשר

• P זה הלחץ הממוצע שמפעילה מערכת על פאותיה. בתהליך הפיך הוא שווה ללחץ החיצוני המופעל על המערכת.
• U זוהי האנרגיה הפנימית של המערכת.
• V הוא נפח המערכת
• S היא האנטרופיה שנשארת קבועה בגזירה חלקית זו.

אם התהליכים הפיכים, במערכת בעלת מספר חלקיקים קבוע, כמות העבודה האינפיניטסימלית שנעשתה עליה שווה ל

$\ dW=-PdV$

לחץ אטמוספירי

ערך מורחב – לחץ אטמוספירי

לחץ אטמוספירי הוא הכוח שמפעיל משקל האוויר ליחידת שטח עליו פועל הכח. לחץ זה תלוי ברום הנקודה ובתנאים המטאורולוגיים. לחץ האוויר מופעל כאשר מולקולות האוויר מתנגשות בשטח עליו מופעל הלחץ. ככל שהמולקולות צפופות יותר, וככל שמהירותן (שתלויה בטמפרטורה) גדלה, הלחץ גדל.

בתנאים סטנדרטיים, שנקבעו לגובה פני הים, מוגדר לחץ האוויר כאטמוספירה אחת.

תת-לחץ

תת לחץ או לחץ שלילי מתאר מצב בו הלחץ הנמדד מוצג כערך שלילי. תת-לחץ בדרך כלל נובע כתוצאה מכך שהלחץ הנמדד נמוך מלחץ ייחוס כלשהו ומוצג יחסית אליו. תת-לחץ בצמיג למשל הוא לחץ הנמוך מהלחץ הרצוי לצמיג. תת-לחץ של 80 קילו פסקל יכול להופיע במד לחץ סטנדרטי כלחץ שלילי של 21 קילו פסקל ביחס ללחץ אטמוספירי (101 קילו פסקל).

עם זאת, קיימים מקרים בהם לחץ שלילי הוא לחץ שלילי אבסולוטי ולא יחסי (כלומר לא ביחס ללחץ חיובי אחר). במצב זה, אלמנט שטח מרגיש כוח משיכה אל כיוון הנוזל ולא החוצה ממנו. במצב זה אם הלחץ השלילי גדול יותר (בערכו המוחלט) מהחוזק של החומר, החומר ייקרע.

ראו גם

• חוק פסקל
• תרמודינמיקה
• לחץ אטמוספירי
• לחץ דם
• לחץ חלקי
• מנומטר