Warum ist der Luftdruck in alle Richtungen?

1. Hier ist eine typische Definition des Luftdrucks:

Der Luftdruck wird durch das Gewicht der oben genannten Luftmoleküle verursacht. Sogar winzige Luftmoleküle haben ein gewisses Gewicht, und die große Anzahl von Luftmolekülen, aus denen die Schichten unserer Atmosphäre zusammengesetzt sind, haben ein hohes Gewicht, das auf alles drückt, was sich darunter befindet.

2. Und dennoch stellen alle Quellen, die ich gesehen habe, fest, dass der Luftdruck in alle Richtungen gleich ist.

1 & 2 scheinen widersprüchlich.

Verwandte Frage:

Warum zerquetscht uns der Luftdruck von oben nicht? Die Antwort, die ich immer wieder sehe, ist, dass ein gleichmäßiger Luftdruck von unten dies ausgleicht. Aber wenn ein Auto von oben auf mir ruhen und mich zerdrücken würde, würde ein anderes Auto, das von unten gegen mich drückt, diesen Druck nicht abbauen - es würde nur den Druck erhöhen, den ich fühlen würde! Wenn ich mich in einem geschlossenen Schrank befände und eine der Wände gegen mich drücken würde und dann auch die gegenüberliegende Wand gegen mich drücken würde, würde die zweite Wand die Dinge nicht "ausgleichen", sondern nur den Druck erhöhen, den ich habe würde fühlen!

Warum ist der Luftdruck in alle Richtungen gleich?

Stellen Sie sich vor, was es für ein dünnes flaches Stück Metall bedeuten würde, wenn der Druck von oben und unten nicht gleich wäre. Es würde mehr Druck von oben nach unten als von unten nach oben wirken, was einer Nettokraft gleichkäme. Diese Kraft würde beginnen, das Metallstück nach unten zu beschleunigen; es würde kein Gleichgewicht geben. Vergiss jetzt das Stück Metall. Ohne sie würden Luftmoleküle vom Druckgradienten herabströmen. Sie stürmten tatsächlich hinunter, bis sie das Druckgefälle ausgeglichen hatten und sich nicht mehr bewegten.

Warum zerquetscht uns der Luftdruck von oben nicht? Die Antwort, die ich immer wieder sehe, ist, dass ein gleichmäßiger Luftdruck von unten dies ausgleicht.

Das ist nicht ganz richtig. Der Druck ist nicht einfach von oben und unten gleich, da Ihr Körper eine Zone mit unterschiedlichem Druck ist. Ihr ganzer Körper steht vielmehr unter dem gleichen Druck wie die Umgebung. Um den Unterschied zu verstehen, stellen Sie sich einen Tank vor, aus dem ein Teil der Luft evakuiert werden kann (ein Vakuumtank). Wenn der Tank mit Luft gefüllt ist, die dem Umgebungsdruck entspricht, kann der Deckel leicht entfernt werden. Wenn Sie den Behälter verschließen, etwas Luft herauspumpen und dann versuchen, den Deckel zu entfernen, stellen Sie fest, dass er sehr fest sitzt. Dies liegt daran, dass durch das Druckgefälle zwischen innen und außen eine starke Kraft auf den Deckel ausgeübt wird.

Die Tatsache, dass Ihr Körper unter atmosphärischem Druck steht, ist sehr wichtig für die Funktionsweise. Wenn Sie aus einem Raumschiff geworfen würden, in dem der Druck nahe Null ist, würden alle Gase (Sauerstoff ist wichtig) aus den Flüssigkeiten in Ihrem Körper verdampfen.

Luftdruck wird auf die Oberfläche eines Körpers ausgeübt, indem Luftmoleküle auf die Oberfläche treffen und reflektiert werden. Jede dieser Reflexionen (von denen Millionen pro Sekunde auftreten) überträgt einen kleinen Impuls auf die Oberfläche, was makroskopisch eine permanente Kraft (pro Flächeneinheit) bedeutet. Warum prallen die Luftmoleküle die ganze Zeit? Entweder weil sich die Luft in großen Mengen bewegt (auch bekannt als "Wind") oder weil sie unregelmäßig herumspringt (auch bekannt als "Temperatur"). Die letztere Art der Bewegung kennt keine Vorzugsrichtung und daher ist der Druck unabhängig von der Ausrichtung der Prüffläche gleich. Die Tatsache, dass es keine Nettobewegung (Wind) gibt, drückt sich dadurch aus, dass auf die Rückseite einer dünnen Oberfläche dieselbe Kraft wirkt wie auf die Vorderseite (es gibt also keine Nettokraft).

Wie kommt es dann, dass der Luftdruck mit dem Luftgewicht über uns zusammenhängt? Im Gleichgewicht reicht die Kraft, die der Luftdruck von unten auf eine imaginäre horizontale Fläche ausübt, gerade aus, um die Luftsäule darüber "an Ort und Stelle" zu halten, was bedeutet, dass sie dem Gewicht entspricht. Wir brauchen nicht immer ein Gleichgewicht zu haben, aber wenn wir es nicht tun, dann bewirkt der Stringer der Kräfte eine Beschleunigung und Bewegung - bis das Gleichgewicht erreicht ist.

Ich habe versucht, die Fragen ein wenig aufzuteilen und einen Kommentar abzugeben, wenn ich etwas verpasst habe.

Der Luftdruck wird durch das Gewicht der oben genannten Luftmoleküle verursacht.

Das ist in der Tat richtig. Der Luftdruck ist proportional zur Luftmenge darüber: Auf einem hohen Berg herrscht weniger Luft als auf Meereshöhe. Das Diagramm zeigt dies in der Praxis.

Der Luftdruck ist in alle Richtungen gleich.

Dies gilt auch für den gleichmäßigen Druck in alle Richtungen. Wenn es ungleich wäre, würde es versuchen, ein Gleichgewicht zu erreichen. Die Luftmoleküle werden sowohl der Schwerkraft ausgesetzt, die sie in Richtung Erde zieht (komprimiert), als auch der Kraft anderer Moleküle, die sie wegdrücken.

Quelle

Und dennoch stellen alle Quellen, die ich gesehen habe, fest, dass der Luftdruck in alle Richtungen gleich ist.

Für einen kleinen Punkt in der Atmosphäre wäre dies wahr. Es würde in alle Richtungen die gleiche Kraft auf sie einwirken.

1 & 2 scheinen widersprüchlich.

Es gibt einen sehr kleinen Unterschied zum Beispiel für einen kleinen Würfelbehälter, da der Luftdruck auf dem Boden geringfügig höher ist als auf der Oberseite und der Druck geringfügig höher ist. Diese Abnahme des Drucks mit der Höhe erfolgt jedoch sowohl innerhalb als auch außerhalb der Box. Im Allgemeinen kann der Druckunterschied für fast alle Anwendungen ignoriert werden.

Der Druck wird durch die Formel gegeben,

${P = {\rho}gh}$

Wo:

• ${\rho}$

• ${g}$

• ${h}$

Der Druck an jedem Punkt unterhalb der oberen Grenze von Flüssigkeiten wie Luft und Wasser ist in alle Richtungen gleichmäßig, da die Flüssigkeitsmoleküle in ständiger Bewegung sind und ständig aneinander stoßen. Der Druck steigt mit der Tiefe der Flüssigkeit aufgrund der darüber befindlichen Flüssigkeitsmenge an, aber jeder Punkt in einer horizontalen Ebene hat den gleichen Druck.

Vergleichen Sie dies, um in der Erdkruste und im Erdmantel zu rocken. Ohne Berücksichtigung von tektonischen Spannungen ist der Druck in vertikaler Richtung weiterhin gegeben durch

${P = {\rho}gh}$

Aufgrund der festen Natur des Gesteins bewegen sich die Moleküle jedoch nicht schnell und stoßen nicht ständig aneinander. Folglich ist der Druck in seitlicher Richtung nicht gleich dem Druck in vertikaler Richtung und der Druck / die Spannung im Gestein ist nicht in alle Richtungen gleichmäßig.

Diese Quelle gibt den seitlichen Druck / die seitliche Spannung in Beziehung zu dem vertikalen Druck / der vertikalen Spannung.

${{\sigma}_h = k{\sigma}_v = k{\rho}gh}$

Druck ist die durchschnittliche äußere Kraft, die Moleküle auf ihre Umgebung ausüben.

Wenn Sie den Fall annehmen, dass Luftmoleküle herumspringen und alles treffen, drücken sie sich gleichmäßig nach außen, aber wie Sie sagten, bedeutet ihr Gewicht, dass sie tatsächlich stärker nach unten drücken als nach oben. Da das Luftgewicht auf kleinem Raum sehr gering ist, kann dieser Unterschied in der Regel vernachlässigt werden. Ohne diesen Unterschied würden Ballons jedoch nicht schweben. Dieser winzige Unterschied summiert sich in der Atmosphäre, bis der Druck hier unten an der Oberfläche tatsächlich ziemlich signifikant ist.

Der Grund, warum die Autos Sie quetschen würden, ist, dass wenn das Auto mit einem hohen Druck nach unten drückt, es Ihre Oberfläche nach innen bewegt, bis Sie mit demselben Druck zurückdrücken. Leider für Sie, wenn Ihr innerer Druck zunimmt, wodurch Ihre Seiten unter höherem Druck stehen als die Luft um Sie herum, quetschen Ihre Seiten heraus, da die Luft nicht so stark zurückdrückt. Es reicht also nicht aus, nur von oben und unten oder sogar von vier Seiten geschoben zu werden. Sie müssen aus allen Richtungen, einschließlich der Nase und der Lunge, gedrückt werden, damit sich Ihr Innendruck bequem gegen den hohen Druck zurückdrücken kann.

Beide Aussagen sind richtig. Der beste Weg zu verstehen, wie diese beiden Aussagen nebeneinander existieren können, besteht darin, das Konzept eines Gasdrucks zu verstehen.

Um den Druck zu verstehen, schauen wir uns einen Behälter voller Gasmoleküle an. Gasmoleküle verhalten sich überhaupt nicht wie Feststoffe oder Flüssigkeiten. In einem Gas werden die Moleküle nicht voneinander angezogen, so dass sie mit extremer Geschwindigkeit herumfliegen und gegen Objekte und andere Gasmoleküle prallen. Diese Kollisionen sind elastisch, sodass bei Kollisionen keine Energie verloren geht.

Jedes Mal, wenn eine Kollision auftritt, findet eine Art Energietransfer zwischen Molekülen statt. Auf makroskopischer Ebene finden jedoch so viele Kollisionen statt, dass sich die übertragene Energie auf Null mittelt. Stellen Sie sich vor, ein Gasmolekül stößt gegen die Wand des obigen Behälters. Wir wissen, dass das Molekül beim Auftreffen abprallt und sich wie eine Hüpfkugel in die andere Richtung bewegt. Die Wand wird auch aufgrund von Newtons zweitem Gesetz eine Kraft spüren . Auf der anderen Seite des Containers geschieht jedoch genau das Gleiche. Tatsächlich passiert dasselbe auch auf der Außenseite des Containers. Alle diese Kollisionen üben eine Kraft aus, aber sie heben sich gegenseitig auf.

Wenden wir dies nun auf Ihre erste Definition an. Wie Sie angegeben haben, wird der Luftdruck durch das Gewicht der oben genannten Luftmoleküle verursacht. Gasmoleküle werden durch die Schwerkraft zur Erdoberfläche hin angezogen. Wenn ein Gasmolekül zur Erdoberfläche gezogen wird, trifft es wahrscheinlich auf ein anderes Gasmolekül und prallt in eine andere Richtung von diesem ab. Nehmen wir nun an, dass bei dieser bestimmten Kollision das erste Molekül auf das obere Ende des zweiten Moleküls trifft. Dadurch bewegt sich das zweite Molekül noch schneller nach unten als das erste Molekül. Dies geschieht immer wieder, bis das Molekül von der Erdoberfläche abprallt. So wird Ihre erste Definition abgeleitet. Der Schlüssel ist, sich daran zu erinnern, dass dies ein Gasdruck ist und somit von allen Seiten ist.

Dies ist das am schwersten zu fassende Konzept, denn wenn jemand hört, dass Hunderte von Pfund Luft über ihm liegen, stellt er sich Hunderte von Pfund Stahlplatten auf seinen Schultern vor. Denk nicht so darüber nach. Wenn ein Hüpfball auf deinen Kopf fällt, drückt er dich nach unten. Wenn es jedoch verfehlt, auf den Boden trifft, aufspringt und Sie trifft, heben sich die beiden Kräfte gegenseitig auf. Der Trick besteht darin, zu erkennen, dass so viele Kollisionen in so kleinem Maßstab auftreten, dass Sie den Druck der Atmosphäre nicht "spüren".

Feste Gegenstände halten einer gleichmäßigen Kraft aus allen Richtungen sehr gut stand. Haben Sie jemals gehört, dass Sie ein Ei nicht zerdrücken können, wenn Sie es aus allen Richtungen drücken? Das gleiche Konzept gilt für Ihren Körper. Die Atmosphäre drückt sehr stark aus allen Richtungen (sogar aus Ihrer Lunge!), Aber sie heben sich alle auf.

Um dies zu kontrastieren, stellen Sie sich eine Stahltrommel mit nur wenigen Gasmolekülen vor, was würde passieren?

Jetzt, obwohl das cool ist, fällt auf, dass auch die Seiten des Laufs zusammenbrechen. Dies bedeutet, dass Luftmoleküle von der Seite gedrückt wurden, von innen jedoch nichts zurückgedrückt werden konnte. Wir können an dem implodierenden Fass sehen, dass die Atmosphäre uns mit genug Kraft zusammendrückt, um eine Stahltrommel zu zerknittern. Da dieser Druck jedoch aus jeder Richtung ausgeübt wird, heben sich die Kräfte auf und wir fühlen nichts.

Ich möchte mein Verständnis hinzufügen, falls es jemandem hilft, den Grund zu verstehen. Der Grund, warum in diesen Situationen Druck von allen Seiten ausgeübt wird, liegt in den Eigenschaften von Flüssigkeiten im Gleichgewicht. In der Atmosphäre würden zum Beispiel die Luftmoleküle, die von oben "beschwert" werden, die Seiten der Luftsäule herausdrücken, wenn dies möglich wäre. Das liegt natürlich nicht daran, dass die benachbarte Luftsäule der gleichen Kraft ausgesetzt ist und es ihnen daher nicht besser geht. Gasmoleküle sind energisch in jede Richtung , oder in anderen Worten kann Fluiddruck nicht in eine Richtung existiert , wenn im Gleichgewicht, da jede Druckdifferenz würde Bewegung (Wind) ergibt.

Der Grund dafür, dass Sie das Gewicht der Flüssigkeit über Ihnen (Luft, Ozean usw.) verwenden, um den Horizontaldruck zu ermitteln, den Sie fühlen würden, liegt darin, dass Sie davon ausgehen, dass Sie sich in einem Bereich im Gleichgewicht befinden, und aus den oben genannten Gründen wissen Sie, dass Der "horizontale" Druck ist gleich dem "vertikalen" Druck.

Eine andere Intuition, die ich mag, ist die Idee eines pneumatischen Kolbens. Der Zylinder, der die Flüssigkeit enthält, muss stark sein, damit er nicht platzt. Wenn Sie die Flüssigkeit durch eine Metallstange ersetzen und stattdessen die Kolbenkraft darauf ausüben, würden die Zylinderwände nichts spüren.