A nyomás egy fizikai mennyiség, amely egy adott nagyságú felületre ható nyomóerő nagyságának és felület nagyságának a hányadosa. Mértékegysége az SI rendszerben a Pascal, vagyis Pa. Számítása Newton per négyzetméterben történik. A nyomás tehát p = F/A, ahol p a nyomás, F az erő és A a felület.
A nyomás skalár mennyiség, tehát nincs iránya, csak nagysága. Az erő viszont vektor, és a nyomás a felületre merőlegesen hat minden pontján. A nyomás iránya kölcsönhat a felület helyzetével, de maga a nyomás egységre észlelt nagysága állandóan merőleges a felületre. A Pascal definíciója szerint 1 Pascal az az erő, amely akkor keletkezik, ha 1 Newton erő egy 1 négyzetméter felületre merőlegesen hat.
Mértékegységek és kapcsolódó fogalmak
A nyomás SI mértékegysége a Pascal (Pa). Kilopascal (kPa), Megapascal (MPa) és Gigapascal (GPa) a Pa-nak megfelelő prefixumokkal. A bar egy nem SI, de gyakran használt mértékegység: 1 bar = 100 000 Pa. A légköri nyomást 1 atm = 101 325 Pa, míg a Torr a mm Hg nyomásának régi egysége, 1 Torr = 1 mm Hg. A psi (pounds per square inch) is gyakori különleges mértékegység, különösen orvosi és autóipari területeken; 1 psi kb. 6894,76 Pa. A vízoszlopos mértékegységek, például mm H2O vagy m H2O, hidrosztatikai nyomás mérésére szolgálnak, különösen alacsony nyomáskülönbségek megadásakor.
Abszolút, relatív és differenciál nyomás
Az abszolút nyomás az univerzumi vákuumhoz viszonyított nyomás: 0 Pa a vákuumnak felel meg. A relatív vagy mérőnyomás a környezeti légköri nyomáshoz viszonyított érték, amelyet a legtöbb eszköz is mér. Túlnyomásról (overpressure) beszélünk, ha a rendszer nyomása meghaladja a környezeti nyomást; vákuumról akkor, ha kisebb a környezeti nyomásnál. A differenciál nyomás két pont közötti nyomáskülönbség, amelyet gyakran áramlási viszonyok vagy szintmérés céljából mérnek.
Gázok, folyadékok és szilárd testek nyomása
A folyadékokban és gázokban a nyomás a folyadék vagy gáz súlya és a gravitáció hatására jelenik meg, mélységgel lineárisan nő. A hidrosztatikai nyomás a folyadékoszlop súlyából adódik, és Archimédész törvénye alapján a külső nyomás és a belső nyomás közötti viszonyt meghatározza: a folyadék minden pontján a nyomás ugyanakkora, és a tartály falára is kifejti hatását. A gázokra jellemző, hogy Boyle-Mariotte törvénye (p1V1 = p2V2) állandó hőmérsékleten a nyomás és a térfogat között fordított összefüggés van, míg Gay-Lussac törvényei a hőmérséklet és nyomás kapcsolatát írják le különböző feltételek mellett. A résznyomásokról szóló Dalton-féle törvény pedig a gázkeverékek nyomásainak összefüggéseit adja meg.
A szilárd felületeken a nyomás erőeloszlását nagyban befolyásolja az érintkező felület mérete. Például a hegyes szeg nagy nyomást hoz létre egy kis felületre, míg a széles talpú cipő megosztja a testsúlyt nagyobb felületen, így csökken a nyomás a talaj felületén. Az építőiparban a nyomószilárdság és a szerkezetek biztonsága kulcsfontosságú.
Költői példák és gyakorlati számítások
Egy téglaépítmény nyomását például a talajra lehet meghatározni: ha a nyomott felület A és a nyomóerő F adott, akkor F = p·A, vagy p = F/A. Két jellegzetes példán keresztül értelmezhető a nyomás:
- Egy 80 kg-os ember sílécen áll, a síléc felülete 0,6 m². A nyomás p = F/A = (m·g)/A; g körülbelül 9,81 m/s², így p körülbelül (80·9,81)/0,6 Pa.
- Egy 2 kg-os könyv 200 cm² felületen fekszik, tehát A = 0,02 m², F = m·g ≈ 2·9,81 N, p ≈ 2·9,81/0,02 Pa.
A nyomás mérése és szabályozása kulcsfontosságú az iparban és a mindennapi technológiákban. A nyomásmérő eszközök közé tartoznak a Bourdon-tömlő, membrános és kapszulás manométerek, illetve a piezoelektromos, kapacitív és nyomásérzékelők által működtetett rendszerek. A modern iparban egyre gyakoribbak az elektronikus nyomásérzékelők, amelyek digitálisan dolgozzák fel a nyomást.
Az általános alkalmazások és példák
A vákuumot az ipar számos területén használják: elektronsugaras hegesztés, CVD, száraz marás, vákuumos formázás és feladatok megfogása vagy szállítása. A tisztatér technológia enyhe túlnyomást tart fenn a megfigyelt zónák között, hogy a szennyeződések vagy kórokozók kifelé áramoljanak, miközben az alacsonyabb nyomású helyiségek felé halad a levegő. A zárt rendszerekben a nyomás és a térfogat vagy a hőmérséklet változtatásával lehet szabályozni a folyamatokat. A környezeti nyomás méréséhez a manométerek és különböző típusú érzékelők használatosak: Bourdon cső, membrános és kapszulás eszközök, illetve elektronikusan átalakított jelek.
A nyomás mérésének és szabályozásának továbbfejlesztése lehetővé teszi a hatékony energiafelhasználást és a környezettudatos termelést. A nyomás a Föld belső magjában rendkívül nagy, és a csillagok belsejében is szélsőséges nyomásokat találunk, de mindezek a nyomás általános fogalmának és mérési alapelveinek alkalmazása révén érthetők meg.
Végső összefoglalás a kulcsfogalmakról
A nyomás P = F/A képlet, ahol F a nyomóerő, A pedig a felület, amelyre az erő hat. A nyomás skalár mennyiség, tehát irány nélküli; a nyomás iránya a felületre merőleges, bár az erő maga vektor. Az SI mértékegység a Pascal (Pa), és a nyomás értékelése során a különböző mértékegységek használatával a valós helyzethez igazítunk. A nyomás mérésére és szabályozására különféle eszközök állnak rendelkezésre, a klasszikus mechanikus mérőeszközöktől az elektronikus szenzorokig, amelyek a modern ipart és a mindennapi technológiát támogatják.
