Az 1 méter folyadékoszlop nyomása: A hidrosztatikai elvek és az öntözőrendszerekben való jelentősége
Amikor az öntözőrendszer működéséről van szó, az „átfolyó víz mennyisége” és a „nyomás” két egymással szoros kapcsolatban lévő fogalom. Hiszed vagy sem, egy öntözőrendszer erre a két dologra épül, emiatt fontos tisztázni ezeket a fogalmakat.
Az öntözőrendszerek működésének alapjai: átfolyó víz mennyisége és nyomás
Az „átfolyó víz mennyisége” kifejezéssel a víz mennyiségét írjuk le, amely egy adott idő alatt áthalad a csöveken az öntözés során. Az öntözési katalógusokban a leggyakrabban az angolszász országokban elterjedt gallon/perc (GPM) illetve a Magyarországon is alkalmazott m3/óra, illetve liter/perc mértékegységgel jellemezzük. A vízforrásnál mért átfolyó víz mennyiségének az ismerete az első dolgok egyike, amit megkérdezünk, amikor segítségért fordulsz hozzánk. Ez a maximális vízmennyiség, amelyet egyszerre használni tudsz. A vízforrásnál az átfolyó víz mennyiségének a kiszámítása egyszerű, csak egy ismert méretű vödröt, egy stopperórát vagy időzítőt, és egy könnyen hozzáférhető vízcsapot igényel. Egy adott vízforrás esetében az átfolyó víz maximális mennyiségét jellemzően nem tudod növelni, szükség esetén az áramlás csökkentésére van leginkább lehetőség.
A nyomás kifejezés az öntözőrendszerek kapcsán a „vízoszlop súlya egy négyzetcentiméteres felületen”, illetve kicsit hétköznapibb nyelven a nyomás az az erő, ami a vizet a csöveken keresztül nyomja. Az Egyesült Államokban ez általában PSI mértékegységgel jellemzik, Magyarországon pedig a Bar alkalmazott.
Statikus és dinamikus nyomás mérése
Rögzíts egy nyomásmérőt közvetlenül egy vízcsapra, és győződj meg arról, hogy minden más vízforrás el van zárva, majd nyisd ki a csapot, és olvasd le a nyomást. Ez a statikus nyomás az, amit a vízforrásod biztosít. A lakossági víznyomás általában maximum 6 Bar szokott lenni.
| Nyomás tartomány | Kategória | Javaslat / Jellemző |
|---|---|---|
| < 2,8 Bar | Alacsony | Nyomásfokozó szükséges lehet öntözőrendszer telepítésekor. |
| Akár 6 Bar | Átlagos / Ideális | Jellemző lakossági víznyomás. |
| > 6 Bar | Magas | Károsíthatja a háztartási vízberendezéseket, nyomáscsökkentő ajánlott. |
A dinamikus víznyomás a folyó víz nyomása, gyakran üzemi nyomásnak is nevezik. A dinamikus nyomást úgy mérheted meg, hogy egy nyomásmérőt csatlakoztatsz az egyik vezeték végéhez, miközben elindítod a rendszert, és hagyod, hogy teljesen nyomás alá kerüljön, majd a víz folyásával egyidőben leolvasod a nyomást. A vízforrásnál mért dinamikus nyomást ne tekintsd azonban véglegesnek, hiszen a telken belül domborzati viszonyok (emiatt fontos a telek pontos felmérése) és a súrlódási veszteség (pl.: csövek hossza, távolsága, bizonyos idomok) ezt még módosítani fogja.
Az áramlási sebesség és a súrlódási veszteség
Ahogy a víz áramlik a cső vagy vezeték mentén, a turbulencia súrlódást okoz, ami nyomásveszteséghez vezet. Egy további kifejezés, amivel találkozhatsz, amikor a víz áramlásról és a nyomásról beszélünk az öntözésben, az az ún. áramlási sebesség, hogy a víz milyen gyorsan halad át a csőben. A sebességet méter / szekundum (m/s) mértékegységben mérjük. Ez egy fontos dolog, amit az optimális csőátmérő kiválasztásakor figyelembe kell venni. Magasabb áramlási sebesség magasabb súrlódási veszteséget eredményez, ami csökkenti a nyomást.
Egy gyakori tévhit az, hogy egy kisebb csőátmérő nagyobb nyomást biztosít. A víz egy kisebb csövön áthaladva növeli a sebességét, ami turbulenciát okoz, így növelve a súrlódási veszteséget. Hosszú csövek, szerelvények és más összetevők (pl: könyök idomok, nyomáscsökkentők stb.) is mind turbulenciát hoznak létre.
- Víz áramlási sebessége - A víz mozgása a csőben turbulenciát okoz, ami nyomásveszteséget okoz.
- A cső hossza - Minél hosszabb a cső, annál nagyobb a súrlódási veszteség.
- A csövek átmérője - A kisebb csőátmérők nagyobb súrlódási veszteséget eredményeznek.
- Szerelvények, alkatrészek - Minden csőhossz, csőkanyar, szerelvény és összetevő súrlódási veszteséget eredményez.
A hidrosztatikai nyomás bemutatása: nyugalomban lévő folyadékok nyomása
Most viszont továbbmegyünk, a nyugvó folyadékokban fellépő nyomással fogunk ismerkedni. Ezt hívjuk hidrosztatikai nyomásnak. Először fejtsük meg, mit is jelent ez az új szó? Szóösszetételekben a 'hidro' vizet, vizest jelent, a 'sztatika' jelentése pedig nyugvó, egyensúlyban levő. Nézzük meg, a folyadékokban is a súlytól származik a nyomás? Igaz, hogy a folyadékok hidrosztatikai nyomása a folyadék súlyából származik? Persze, hogy igen. Ezt azzal tudjuk bizonyítani, hogy egy gumihártya kidudorodását figyeljük és elfogadjuk, megállapodunk abban, hogy a hártya kidudorodásának mértéke a nyomás mértékét jelzi! Mi mást jelezne?
Töltsünk vizet a luftballonba, helyezzünk rá egy nehezéket, fújjuk fel. Ugye ez mind a nyomást növeli és a hártya megnyúlásával jár. Tehát megegyezhetünk, hogy a nyomás és szűkebben a folyadék nyomása arányos a hártya megnyúlásával. Pontosabban is fogunk majd mérni, az a manométer* (=nyomásmérő) lesz. A folyadékoknak is van súlya, tehát ez is nyomást gyakorol az alátámasztási felületre. De mi a folyadék esetében ez a fix felület, amikor itt a molekulák szabadon mozognak egymáshoz képest?
Nos itt is tetten érhetjük a fizika modellalkotását. Tegyük fel, hogy a folyadékot rétegekre osztjuk, amint ez a kis ábra mutatja és akkor már a szilárd testeknél tárgyalt és elfogadott nyomás fogalma alkalmazható. Ez leegyszerűsítés, de tükrözi a valóságot és segít egy fizikai mennyiség megmagyarázásában, megértésében. Ezt jelenti a modellezés. Pontosan úgy, mint amikor kis autómodellel játszol. Olyan mint az igazi, a számodra érdekes lényeget, az alakot és a mozgékonyságot mutatja, tükrözi.
A legfelső réteget nem nyomja folyadék, tehát itt 0 a folyadék súlyából származó nyomás. (most a modellezés miatt eltekintünk a levegő nyomásától, ami, remélem eszdbe jutott). Alatta viszont már egy réteget kell hordozni, tehát ez már egy egységnyi nyomás. A felülről harmadik (picit sötétebb) réteget már két réteg nyomja, ami miatt itt már két egységnyi a nyomás. .... A legalsó (legsötétebb) réteget már az összes felette levő réteg nyomja, tehát itt a legnagyobb (ábránkban 4 egység) a nyomás.
A hidrosztatikai nyomás függősége és mértékegységei
Ebből következik, hogy a folyadékokban a folyadékoszlop magasságával - h - arányos a nyomás. Hasonlóképpen lehet belátni, hogy minél 'nehezebb', sűrűbb a folyadék, nyomása is annál nagyobb. Emlékezz arra, mi történt az órán, amikor a vízbe sót öntöttem, vagyis növeltem a sűrűségét. Ismét jobban megnyúlt gumihártya. Ugyanakkora magasságú folyadékoszlop esetében a gumihártya megnyúlása annál nagyobb, tehát a nyomás annál nagyobb, minél sűrűbb a folyadék. A folyadékokban a folyadék sűrűségével - ρ - arányos a nyomás. p ~ ρ. Ez a "ró" betű.
A fentiek szerint a folyadékok nyomása, vagyis a hidrosztatikai nyomás két tényezőtől függ és mindkettővel egyenesen arányos. Függ: - a folyadékoszlop magasságától, - a folyadék sűrűségétől. Mást nem említettem, tehát CSAK e kettő befolyásolja a NYUGVÓ FOLYADÉK hidrosztatikai nyomását. FIGYELEM, ezek után logikus a következtetés, hogy például a folyadék színétől, hőmérsékletétől nem függ. Tehát NEM FÜGG a folyadékot tartalmazó edény alakjától (állhat ferdén is!) és főleg nem függ az edény szélsségétől, az aljának kiterjedésétől, bármekkora legyen is az!
Mértékegysége ugyancsak Pa, mint a szilárd testeknél. Még szép, furán nézne ki, ha a kétfajta nyomásnak más lenne a mértékegysége. Természetesen 1000 Pa = 1 kPa (kilopascal) és ez a nyomás SI mértékegysége. Tán hallottátok még a másik mértékegységet is említeni, ez a bar**, illetve a kilobar. Ez nem a szabványos SI m.e.
Pascal törvénye és a hidraulikus elv
Még egy kísérletet végezz el gondolatban. Minden irányban szinte azonos nyomással fröcsköl ki a víz. Ezen a Pascal törvényen alapszik a hidrosztatika egy észszerű alkalmazása, a hidraulikus emelő működése: Az A1 felületen megnyomom a dugattyút. Ennek hatására a négyszer nagyobb A2 felületen ugyanannyival emelkedik a nyomás (=F/A). Tehát az F1/A1 = F2/A2 egyenletből látható, hogy A2>A1 miatt ez (Pascal) törvényszerűen az F2>F1 relációt jelenti. Ugyanis ebben a konkrét esetben az F1/A1=F2/A2 egyenlőség akkor marad érvényben az A2 helyére 4*A1-et írva, ha F2 helyére 4*F1-et írok. F1/A1=4*F1/4*A1. Ami bennünket érdekel: F2 erő, vagyis a teher négyszerese az F1 erőnek. Tehát nagyobb súlyt/terhet lehet imígyen megemelni! Itt meg kell említeni, hogy csak erőt nyerünk, de munkát, energiát NEM!
Hogyan válasszunk Durex óvszert?
Pascal törvényének alkalmazása | Nyomás folyadékokban és légköri nyomás | 9. osztályos természettudomány ICSE
Gyakorlati alkalmazások és az 1 méter folyadékoszlop nyomása
Jó tudni: 1 méter mélyen a víz hidrosztatikai nyomása 10.000 Pa. De vigyázz, ez a víz súlyából származó nyomás! Mivel a víz felszínét a levegő súlya is nyomja, nyilván a víz felszínén (h = 0) nem 0 a nyomás, hanem már a normál légköri nyomás érvényesül. Ez az elv érvényes minden folyadékra, így a benzinre is; csupán a folyadék sűrűsége (ρ) befolyásolja az adott magasságú oszlop által kifejtett nyomás értékét.
A nyomás a hőmérséklet mellett az egyik leggyakrabban mért érték a gyártási folyamatokban az ipar szinte minden ágában. A pontos nyomásértékek meghatározása, leolvasása és fenntartása elengedhetetlen számos folyamathoz. A folyadékmechanika fizikai törvényei nemcsak magukra a folyadékokra vonatkoznak, hanem legtöbbször igazak a gázokra is. Amikor a folyadék nyugalmi állapotban van, vagyis amikor az áramlási sebesség nulla, akkor csak a pstat statikus nyomás hat rá minden irányban egyenletesen. Ha a statikus nyomásról beszélünk, érdemes megemlíteni a hidrosztatikus nyomást is. Ez is nyugalomban lévő folyadékokban fordul elő. Értékét a "G" gravitációs erőhatás, a "ρ" közepes sűrűség és a "h" folyadékoszlop magasság határozza meg.
Alacsony nyomású, több méter magasságú rendszerek nyomásmérésénél a nyomásérzékelő eszköz elhelyezése is befolyásolja a mért értéket, a rendszerben lévő folyadék súlyából kialakuló nyomás miatt. Nagy nyomású és viszonylag kis kiterjedésű rendszereknél a folyadékoszlop súlyából származó nyomáseltérés elhanyagolható. Tartályokban lévő folyadék szintjének magasságára mindig következtethetünk a hidrosztatikus nyomásból. Akár nyitott, akár zárt rendszerről van szó, mindig a folyadék felett és alján lévő nyomást hasonlítjuk össze, és ebből következtetünk a tartályban lévő folyadékoszlop magasságára. Nyitott rendszerben például egy tartály alján elhelyezett relatív-nyomástávadó a külső nyomáshoz hasonlítja a felette lévő folyadékoszlop magasságából származó nyomás értékét. Zárt rendszerben szintén a rendszerben lévő folyadék oszlop feletti nyomást hasonlítjuk a tartály alján lévő nyomáshoz.