Natuurkunde: Druk

• Installatietechniek
• MBO
• Studiejaar 2

Natuurkunde: Druk

Hoe ontstaat druk?

Stel je voor een aquarium met de afmetingen 1m x 1m x 1m.

Dat betekent dat de inhoud van de aquarium 1 m3 is.

1 m = 10 dm => 1m x 1m x 1m = 10 dm x 10 dm x 10 dm = 1000 dm3.

1 dm3 = 1 liter, dus zit er 1000 liter in het aquarium.

De dichtheid van water 1.000 kg/m³ of 1 kg/dm3.

Dat is dus 1000 kg voor de inhoud van het water in het aquarium.

Deze 1000 kg drukt op de bodem. De oppervlakte van de bodem is 1m x 1m = 1m2.

Met andere woorden er drukt een massa van 1000 kg op een bodemoppervlak van 1 m2.

Definitie van druk

Druk p is gedefinieerd als kracht [F] per oppervlakte-eenheid [A in m2].

p = F / A [Pa]

Waarbij de eenheid van druk wordt opgeschreven in Pascal [Pa]

Definitie van druk

Om de druk op de bodem van het aquarium te berekenen, zetten we het gewicht van het water op de bodem om in een kracht op de bodem. Dat doen we met de gravitatie of zwaartekracht wet van Newton:

F = m . g [N]

Waarin F is de kracht in Newton N; m is de massa [kg] en g = 9,81: de zwaartekracht of valversnelling [m/s2]

Waterdruk

De kolom heeft drie gaten. Het water uit het onderste gat spuit er het hardst uit. Het water uit het bovenste gat stroomt er rustig uit. Dat heeft alles te maken met de waterdruk.

Waterdruk

• Bij het bovenste gat is de waterdruk 9,81 [kPa]. Want daarboven zit 1 meter water.
  
• Bij het middelste gat is de waterdruk 19,62 [kPa]. Want daarboven zit 2 meter water.
  
• Bij het onderste gat is de waterdruk 29,43 [kPa]. Want daarboven zit 3 meter water.
  
• Op de bodem heerst een waterdruk van 39,24 [kPa].
  

Let op! We houden hierbij geen rekening met de luchtdruk die bovenop de 4 meter hoge kolom drukt.

Bij de openingen heerst namelijk dezelfde luchtdruk op het water. Dus de luchtdruk heeft geen invloed op de uitstroming.

Luchtdruk

De luchtdruk die op de aardbodem heerst, ontstaat door de hoeveelheid lucht die erboven zit.

Lucht heeft ook massa en deze massa drukt op de aardkost.

De onderste laag van de dampkring is de troposfeer en bevat ongeveer 80% van de massa van lucht. Deze is tot 18 kilometer hoog.

Luchtdruk

Je kunt niet met de hoogte en dichtheid van lucht de luchtdruk op de aardoppervlakte berekenen zoals we hierboven met een waterkolom hebben gedaan.

Dat komt omdat de dichtheid van lucht snel afneemt op hoogte. Ook is de luchtdruk sterk van het weer afhankelijk (denk aan de weerkaarten met barometerstanden).

Standaardatmosfeer

Hierin wordt uitgegaan van:

• Een druk van 1013,2 [hPa] op zeeniveau;
  
• Met een afname van 1 hectopascal per 8 meter in de
  

       troposfeer (eerste 11 kilometer);

• Een temperatuur van 288,15 K (15 °C);
  
• Met een afname van 2 °C per 300 meter in de troposfeer.

Voortplanting van druk

Denk aan een zwembad, je duikt 2 meter diep en blijft even horizontaal zweven met je armen en benen gespreid.

Boven je zit dan ongeveer 1000 kilogram water. Toch drukt dit je niet naar beneden plat tegen de bodem.

Dat komt omdat de druk die op 2 meter diepte heerst (19,62 [kPa]) alle kanten op drukt.

De rechter afbeelding toont dat dezelfde druk je ook omhoog duwt.

Voortplanting van druk

Dat is ook zo met de luchtdruk, die drukt je naar boven, beneden, links rechts et cetera.

Wil je nog iets geks weten? Als de soortelijke massa van een vloeistof groter is dan de soortelijke massa van jouw lichaam (zoals in de dode zee) dan duwt de waterdruk je naar boven en hoef je niet te zwemmen om te drijven. kanten op drukt.

De rechter afbeelding toont dat dezelfde druk je ook omhoog duwt.