Tlak je základná fyzikálna veličina, ktorá popisuje účinky sily pôsobiacej kolmo na plochu. Používa sa na opis silového pôsobenia v kvapalinách a plynoch, ako aj na vyjadrenie miery deformácie tuhých telies. Tlak je priamoúmerný tlakovej sile a nepriamoúmerný obsahu plochy, na ktorú sila pôsobí. Vypočítame ho ako podiel tlakovej sily a plochy: p = F/S.
Jednotkou tlaku v medzinárodnej sústave SI je pascal (Pa), ktorý je definovaný ako newton na meter štvorcový (N/m²). Táto jednotka je pomenovaná po francúzskom fyzikovi a matematikovi Blaise Pascalovi, ktorý významne prispel k pochopeniu tlaku a jeho vlastností.
Pochopenie tlaku je kľúčové v mnohých oblastiach fyziky a inžinierstva. Napríklad, ostré nože dokážu krájať potraviny s menšou silou práve preto, že ich hrana má veľmi malú plochu, čo vedie k vysokému tlaku aj pri malej sile. Prístroj na meranie tlaku sa nazýva manometer alebo tlakomer.
Atmosférický Tlak
Vzduch okolo nás, tvoriaci atmosféru Zeme, tiež pôsobí tlakom. Tento atmosférický tlak je spôsobený tiažou vzduchu. S rastúcou nadmorskou výškou atmosférický tlak klesá, pretože stĺpec vzduchu nad nami je nižší. Pri predpovediach počasia sa atmosférický tlak často uvádza v hektopascaloch (hPa). V minulosti sa používali aj jednotky ako milibar, pričom 1 bar zodpovedá 100 000 pascalom.
Prvé meranie atmosférického tlaku uskutočnil taliansky fyzik Evangelista Torricelli v 17. storočí pomocou vynájazdeného barometra. Zariadenie pozostávalo zo sklenenej trubice naplnenej ortuťou, ponorenej do nádoby s ortuťou. Atmosférický tlak pôsobiaci na ortuť v nádobe bránil tomu, aby všetka ortuť z trubice stekala, čím sa vytvoril stĺpec ortuti, ktorého výška priamo úmerne zodpovedala atmosférickému tlaku.
V medicíne sa na meranie krvného tlaku používa jednotka Torr (alebo mmHg), ktorá zodpovedá jednému milimetru ortuťového stĺpca v tlakomery. Hustota ortuti je približne 13 534 kg/m³.
Hydrostatický Tlak
V kvapalinách pôsobí hydrostatický tlak, ktorý je vyvolaný tiažou samotnej kvapaliny. Častice kvapaliny na povrchu tlačia na častice pod nimi, čo vytvára tlak smerom nadol na dno nádoby a na ponorené predmety. Tlaková sila v tomto prípade zodpovedá tiažovej sile kvapaliny.
Vzorec na výpočet hydrostatického tlaku (ph) je odvodený z rovnice p = F/S. Keďže tlaková sila sa rovná tiažovej sile (FG = m * g) a hmotnosť (m) môžeme vyjadriť ako súčin hustoty (ρ) a objemu (V), teda m = ρ * V, dostaneme p = (ρ * V * g) / S. Pretože objem (V) je súčinom obsahu plochy (S) a výšky (h), teda V = S * h, po skrátení S dostaneme konečný vzorec pre hydrostatický tlak: ph = h * ρ * g.
Z tohto vzorca vyplýva, že hydrostatický tlak nezávisí od množstva kvapaliny, ale iba od hĺbky ponoru (h), hustoty kvapaliny (ρ) a gravitačného zrýchlenia (g). Napríklad, dno Mariánskej priekopy v Tichom oceáne, ktoré leží v hĺbke 11 km, je vystavené obrovskému tlaku.
Pascalov Zákon a Jeho Aplikácie
Pascalov zákon hovorí, že tlak vyvolaný vonkajšou silou pôsobiacou na kvapalinu v uzavretej nádobe sa šíri rovnomerne do všetkých smerov a je rovnaký vo všetkých miestach kvapaliny. Tento princíp je základom fungovania hydraulických zariadení, ako sú hydraulické lisy a brzdy v automobiloch.
V hydraulickom lise sa malou silou pôsobiacou na malý piest vytvára tlak, ktorý sa vďaka Pascalovmu zákonu prenáša na väčší piest. Keďže tlak je rovnaký, ale plocha väčšieho piestu je väčšia, výsledná sila pôsobiaca na väčší piest je mnohonásobne zväčšená (F = p * S). Toto umožňuje zdvíhanie ťažkých bremien.
Plyny a kvapaliny sa spoločne označujú ako tekutiny, pričom ich spoločnou vlastnosťou je tekutosť. Tlak v tekutine sa šíri rovnomerne, na rozdiel od pevných telies, kde sa deformácia môže koncentrovať v okolí miesta pôsobenia sily.
Vztlaková Sila a Archimedov Zákon
Na teleso ponorené v tekutine pôsobí vztlaková sila (FVZ), ktorá smeruje nahor a je opačná k tiažovej sile. Vzniká preto, že hydrostatický tlak na spodnú časť ponoreného telesa je väčší ako na hornú časť. Tento rozdiel tlakov spôsobuje, že tekutina teleso nadnáša.
Archimedov zákon udáva, že veľkosť vztlakovej sily sa rovná tiaži kvapaliny, ktorá by vyplnila objem ponorenej časti telesa (FVZ = FG kvapaliny). Ak teleso pláva, znamená to, že jeho tiažová sila je rovná vztlakovej sile. Napríklad, drevený klát plávajúci na vode, ktorý má ponorené 2/3 svojho objemu, je nadľahčovaný vztlakovou silou zodpovedajúcou tiaži 2/3 objemu vody.
Ako kúpanie viedlo k Archimedovmu princípu - Mark Salata
Príklady Výpočtu Tlaku
Príklad 1: Tlak nohy a lyže
Plocha podrážky topánky je 270 cm² (0.027 m²). Ak osoba váži 80 kg, tlak na zem pri státí na jednej nohe by bol p = F/S = (80 kg * 9.81 m/s²) / 0.027 m² ≈ 29 000 Pa.
Lyža má šírku 86 cm. Ak stojíme na oboch lyžiach, celková šírka je 2 * 86 cm = 172 cm (1.72 m). Dĺžka lyže je 185 cm - 7 cm = 178 cm (1.78 m). Plocha jednej lyže je teda približne 1.72 m * 1.78 m ≈ 3.06 m². Plocha oboch lyží je 2 * 3.06 m² = 6.12 m². V tomto prípade by tlak na sneh bol p = (80 kg * 9.81 m/s²) / 6.12 m² ≈ 128 Pa. Je zrejmé, že tlak vyvíjaný na lyži je oveľa menší ako tlak vyvíjaný na topánku.
Príklad 2: Televízny stožiar z betónu
Medza pevnosti betónu v tlaku je 18 MPa (18 000 000 Pa). Hustota betónu je 2400 kg/m³.
Pre 300 m vysoký stožiar, ak predpokladáme, že má tvar kvádra alebo valca, výška zodpovedá podielu objemu a obsahu podstavy. Tlak na dne stožiara by bol p = h * ρ * g = 300 m * 2400 kg/m³ * 9.81 m/s² ≈ 7 063 200 Pa (7.06 MPa).
Bezpečnostná miera je 3, čo znamená, že maximálny povolený tlak je tretina medze pevnosti: 18 MPa / 3 = 6 MPa (6 000 000 Pa).
Keďže vypočítaný tlak (7.06 MPa) je vyšší ako maximálny povolený tlak (6 MPa), postaviť 300 m vysoký stožiar z tohto betónu nie je bezpečné.
Príklad 3: Mariánska priekopa
Najhlbšie miesto na Zemi je Mariánska priekopa s hĺbkou 11 km (11 000 m). Tlak na dne tejto priekopy by bol obrovský. Ak by sme zanedbali atmosférický tlak a predpokladali hustotu morskej vody približne 1025 kg/m³, tlak by bol ph = h * ρ * g = 11 000 m * 1025 kg/m³ * 9.81 m/s² ≈ 110 300 000 Pa, čo je viac ako 1100-násobok atmosférického tlaku na hladine mora.
Príklad 4: Ponorka
Ponorka, ktorá znesie maximálny tlak 50 MPa (50 000 000 Pa), sa môže bezpečne ponoriť do hĺbky, kde hydrostatický tlak dosiahne túto hodnotu. Použitím vzorca ph = h * ρ * g môžeme vypočítať maximálnu hĺbku: h = ph / (ρ * g) = 50 000 000 Pa / (1025 kg/m³ * 9.81 m/s²) ≈ 5000 m.
Príklad 5: Hustota ortuti
Hustota ortuti je 13 534 kg/m³.
Príklad 8: Drevený klát
Drevený klát plávajúci na vode má ponorené 2/3 svojho objemu. To znamená, že tiažová sila klátu je vyrovnaná vztlakovou silou zodpovedajúcou tiaži 2/3 objemu vody.
