สรุปฟิสิกส์ เรื่อง ความหนาแน่นและความดัน

ของไหล (Fluid) เป็นหนึ่งในหัวข้อสำคัญในวิชาฟิสิกส์ ซึ่งครอบคลุมทั้ง ของเหลว และ ก๊าซ โดยเน้นศึกษาเกี่ยวกับคุณสมบัติและพฤติกรรมของของไหลเมื่อได้รับแรงต่าง ๆ เช่น แรงดัน หรือแรงโน้มถ่วง รวมถึงกฎและหลักการที่อธิบายการไหลของของไหลในสภาวะและสภาพแวดล้อมต่าง ๆ

หลักการที่สำคัญในเรื่องของไหลมีหลายประการ ตั้งแต่ กฎของปาสกาล ที่กล่าวถึงการกระจายแรงดันภายในของเหลว, กฎของอาร์คิมิดีส ที่เกี่ยวกับแรงลอยตัว, ไปจนถึง สมการของเบอร์นูลลี ซึ่งใช้ในการอธิบายการไหลของของไหลที่ไม่หนืด การเรียนรู้หัวข้อนี้ช่วยให้เข้าใจการทำงานของเครื่องมือและเครื่องจักรต่าง ๆ เช่น เครื่องสูบน้ำ เครื่องไฮดรอลิก หรือแม้กระทั่งการออกแบบยานพาหนะและอากาศยาน

สสารที่มีสถานะของเหลวและแก๊สจะมีรูปร่างที่ไม่แน่นอน และสามารถเกิดการไหลจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้เมื่อมีความแตกต่างของสภาวะบางอย่าง จึงเรียกของเหลวและแก๊สว่า ของไหล (fluid

1.ความหนาแน่น (Density, ρ)

ความหนาแน่น (density : ) คือ อัตราส่วนของมวลต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร หาได้จากสมการ

1.1 ความหนาแน่นสัมพัทธ์ (relative density)

ความหนาแน่นสัมพัทธ์ (relative density) คือ อัตราส่วนระหว่างความหนาแน่นของวัตถุที่สนใจต่อความหนาแน่นของน้ำที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส ซึ่งมีค่าเท่ากับ 1,000 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร บางครั้งเรียกว่า ความถ่วงจำเพาะ(specific gravity)

ความหนาแน่นสัมพัทธ์ไม่มีหน่วย เพราะเป็นการเปรียบเทียบความหนาแน่นของวัตถุกับความหนาแน่นของน้ำ

2.ความดัน

ความดัน (Pressure) คือ ปริมาณที่บอกถึงแรงที่กระทำลงบนพื้นที่หนึ่งหน่วย ความดันเกิดขึ้นเมื่อมีแรงกระทำต่อพื้นผิว ซึ่งแรงนั้นจะกระจายไปทั่วพื้นที่ผิวของวัตถุ ความดันคำนวณได้จากสูตร:

โดยที่:

• P คือ ความดัน (Pressure)
• F คือ แรงที่กระทำ (Force) มีหน่วยเป็นนิวตัน (N)
• A คือ พื้นที่ที่แรงกระทำลงไป (Area) มีหน่วยเป็นตารางเมตร (m²)

หน่วยของความดันในระบบเอสไอ (SI) คือ ปาสกาล (Pascal, Pa) ซึ่งเท่ากับนิวตันต่อตารางเมตร (N/m²) 1 ปาสกาล หมายถึง การที่แรงขนาด 1 นิวตันกระทำลงบนพื้นที่ 1 ตารางเมตร

2.1 ความดันในสถานการณ์ต่าง ๆ

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ความดัน

• เครื่องไฮดรอลิก: ใช้หลักการของความดันในการถ่ายทอดแรงจากส่วนหนึ่งไปยังอีกส่วนหนึ่งผ่านของเหลว
• ยานพาหนะใต้น้ำ: การออกแบบยานพาหนะที่ใช้งานใต้น้ำต้องคำนึงถึงความดันของน้ำที่เพิ่มขึ้นตามความลึก

2.2 สรุปความดันในหน่วยต่าง ๆ

  1 พาสคัล (Pa)  =  1 นิวตันต่อตารางเมตร

 1 บาร์ (bar)  =  1×10⁵ นิวตันต่อตารางเมตร (นิยมใช้ในทางอุตุนิยมวิทยา)

  1 บรรยากาศ (atm)  =  1.013×10⁵ นิวตันต่อตารางเมตร

  1 บรรยากาศ (atm) =  760 มิลลิเมตรปรอท (mmHg)

  1 ทอร์ (torr)  =  1 มิลลิเมตรของปรอท

2.3 ความดันสัมบูรณ์ (absolute pressure : P)

ความดันสัมบูรณ์ (absolute pressure : P) คือ ความดันรวมของของเหลวที่ความลึกใด ๆ

เมื่อ  P  คือ ความดันสัมบูรณ์ มีหน่วยเป็น นิวตันต่อตารางเมตร (N/m²)

  P_a  คือ ความดันบรรยากาศ มีค่าเท่ากับ 1.013×10⁵ นิวตันต่อตารางเมตร  

h  คือ ความลึกจากผิวของเหลว มีหน่วยเป็น เมตร (m)

2.4 ความดันเกจ (guage pressure : P_g)

ความดันเกจ (guage pressure : P_g) คือ ความดันเนื่องจากน้ำหนักของของเหลว เป็นค่าที่วัดได้จากเครื่องวัดความดัน

2.5 เครื่องวัดความดัน

1. แมนอมิเตอร์ (manometer) ประกอบด้วยหลอดแก้วรูปตัวยูที่บรรจุของเหลวไว้ภายใน ปลายหลอดด้านหนึ่งเปิดจึงมีความดันเท่ากับความดันของบรรยากาศ ปลายอีกด้านหนึ่งต่อกับระบบที่ต้องการวัดความดัน

2. บารอมิเตอร์ (barometer) เป็นเครื่องวัดความดันอากาศมีลักษณะเป็นหลอดแก้วยาว ปลายข้างหนึ่งปิด มีปรอทบรรจุอยู่ภายในหลอดแก้ว และคว่ำลงในอ่างปรอท ดังรูป โดยที่ความดัน
1 บรรยากาศ ปรอทในหลอดแก้วจะมีระดับความสูง 760 มิลลิเมตร