Áp suất chất lỏng là một khái niệm được nhắc được rất nhiều trong kỹ thuật, khái niệm này đã được đề cập trong chương trình giảng dạy của sách vật lý lớp 8, và sau đó được hướng dẫn chi tiết hơn trong chương trình vật lý của lớp 10.

Trong bài viết này chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu sâu hơn về khái niệm này.

Tìm hiểu về áp suất chất lỏng

Trong thực tế thuật ngữ áp suất chất lỏng, đúng hơn được gọi là áp suất chất lưu (Pressure in fluids).

(chất lưu “fluid” ở đây bao gồm cả chất lỏng “liquid” và chất khí “gas”). Tuy nhiên thực tế tại Việt Nam, khái niệm này thường sử dụng phổ biến cho các loại chất lỏng, vậy nên chúng ta sẽ bàn sâu về hướng này.

Áp suất chất lỏng là gì?

Áp suất chất lỏng là một thuật ngữ được sử dụng để chỉ áp suất của một loại chất lỏng nào đó (nước, thủy ngân ở nhiệt độ phòng, dầu,…), tác dụng lên vật chứa chất lỏng đó, hay một vật thể được nhúng trong lòng chất lỏng.

Về cơ bản áp suất chất lỏng, cũng được xác định dựa trên công thức tính áp suất cơ bản:

P = F/A

Trong đó:

P: Áp suất do chất lỏng tác dụng lên vật tiếp xúc với nó, đơn vị là Pascal (Pa).
F: Tổng lực do chất lỏng tác dụng lên tất cả các bề mặt tiếp xúc Newton (N).
A: Diện tích bề mặt tiếp xúc (m²).

Đơn vị thông thường của áp suất trong hệ đo lường SI là pascal (Pa), tương đương với một newton (N) trên mỗi mét vuông (m²). Áp suất cũng có thể được đo bằng các đơn vị khác như bar, atm, mmHg, và psi, tùy theo bối cảnh và ứng dụng cụ thể.

Trong môi trường chất lỏng, áp suất không chỉ tác động theo hướng nhất định, mà còn tác động ở tất cả các hướng, điều này do tính chất không thể nén của chất lỏng. Áp suất chất lỏng có thể thay đổi do nhiều yếu tố như sự chuyển động của chất lỏng, trọng lực, và các tương tác khác.

Nguyên nhân hình thành áp suất của chất lỏng

Áp suất trong chất lỏng, xuất phát từ sự tương tác giữa các phần tử của chất lỏng với nhau và với các vật thể xung quanh. Nguyên nhân chính của hình thành áp suất chất lỏng bao gồm hai yếu tố chính: trọng lượng và sự tương tác áp suất.

Trọng lượng: Trọng lượng của chất lỏng tạo ra áp suất từ trọng lực của nó. Chất lỏng ở trên phía cao tạo ra một lực đẩy xuống lên chất lỏng ở phía dưới. Điều này dẫn đến việc tạo ra áp suất trong chất lỏng, với áp suất tăng lên khi ta di chuyển từ phía trên xuống phía dưới.
Sự tương tác áp suất: Phần tử chất lỏng ở một điểm cụ thể, tác động lên những phần tử chất lỏng khác xung quanh nó. Khi một phần tử chất lỏng bị tác động, nó truyền lực đó cho những phần tử lân cận, tạo ra sự lan truyền của áp suất trong chất lỏng. Điều này đồng nghĩa với việc,áp suất được phân bố đồng đều trong tất cả các hướng trong chất lỏng.

Công thức tính áp suất chất lỏng

Ở phần trên mình có đề cập để công thức tính áp suất cơ bản, trong nhiều trường hợp, tuy nhiên công thức này áp dụng cho việc tính áp suất trong chất lỏng, sẽ rất khó khăn, từ đó người ta đã nghiên cứu và tìm ra công thức dễ áp dụng dụng hơn.

Ta có công thức tính áp suất chất lỏng:

P = P0 + hρg

Trong đó:

P: Áp suất chất lỏng tại vị trí các bề mặt chất lỏng, một độ cao h (Pa – pascal).
P0: Áp suất khí quyển của môi trường xung quanh (Pa).
h: Chiều cao tính từ vị trí cần xác định áp suất lên bề mặt (m).
ρ: Khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m³).
g: Gia tốc trọng trường = 9.8 m/s².

Đặc điểm của áp suất chất lỏng

Áp suất chất lỏng có một số đặc điểm đáng chú ý sau:

Hướng tác dụng: Áp suất trong chất lỏng được phân bố đều đặn, trong tất cả các hướng tại mỗi điểm trong chất lỏng. Điều này có thể hiểu là tại cùng một độ sâu, cùng một loại lưu chất, áp suất được đo ở những hướng khác nhau là như nhau.

Áp suất chất lỏng tác dụng lên mọi hướng

Áp suất tăng khi độ sâu tăng: Áp suất trong chất lỏng tăng theo độ sâu. Ở một độ sâu lớn hơn, áp suất sẽ cao hơn do trọng lượng của lớp nước phía trên tạo ra áp suất từ trọng lực. Điều này làm cho áp suất ở đáy hồ lớn hơn so với mặt nước.
Nếu bạn đã từng đi bơi, có thể dễ dàng nhận thấy khi ta càng lặn xuống sâu hơn, cơ thể sẽ bị chèn ép nhiều hơn, cảm giác này là do áp suất của chất lỏng (cụ thể trong trường hợp này là nước), tác dụng lên cơ thể tăng lên khi lặn xuống sâu hơn.

Áp suất và nhiệt độ: Áp suất trong chất lỏng có thể thay đổi theo nhiệt độ. Nếu bạn tăng nhiệt độ của chất lỏng, thường thì áp suất cũng tăng.

Ứng dụng của áp suất chất lỏng

Việc nghiên cứu về áp suất chất lỏng, có ý nghĩa quan trọng đối với nhiều lĩnh vực. Việc tính toán và nghiên cứu này, là cơ sở để áp dụng thiết kế các thiết bị máy móc làm việc dưới nước, thiết kế các công trình đường ống dẫn chất lỏng,…

Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu của áp suất chất lỏng:

Chế tạo một số loại máy móc trang thiết bị hoạt động dưới nước: Việc xác định áp suất chất lỏng ở những độ sâu nhất định, giúp ta tính toán và đánh giá phạm vi hoạt động của các thiết bị bao gồm, tàu ngầm, bình dưỡng khí sử dụng cho hoạt động lặn, các công trình dưới biển.
Nghiên cứu khoa học về giới hạn lặn của con người: Như bạn đã biết lặn xuống càng sâu, áp suất của nước tác dụng lên cơ thể con người càng lớn. Việc nghiên cứu về áp suất chất lỏng, và đánh giá tác động của áp suất lên cơ thể con người là điều cần thiết.
Cơ sở lý thuyết cho máy bơm và máy nén: Áp suất chất lỏng là cơ sở cho thiết kế và hoạt động của máy bơm và máy nén. Các máy này được sử dụng để tạo áp suất để chuyển động chất lỏng hoặc khí trong nhiều ứng dụng, từ cung cấp nước trong gia đình đến sản xuất và công nghiệp.
Hệ thống thủy lực: Trong các nhà máy thường xuyên thực hiện những công việc, nâng hạ và di chuyển các vật thể có trọng lượng lớn. Thường sử dụng các hệ thống hoặc máy móc truyền động bằng dầu thủy lực.

Áp suất chất lỏng có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực và ứng dụng khác nhau, từ công nghiệp đến cuộc sống hàng ngày, và là một phần không thể thiếu của công nghệ hiện đại.