Pourquoi la pression atmosphérique est-elle dans toutes les directions?

1. Voici une définition typique de la pression atmosphérique:

La pression atmosphérique est causée par le poids des molécules d'air ci-dessus. Même de minuscules molécules d'air ont un certain poids, et le grand nombre de molécules d'air qui composent les couches de notre atmosphère ont collectivement beaucoup de poids, ce qui exerce une pression sur tout ce qui se trouve en dessous.

2. Et pourtant, toutes les sources que j'ai vues indiquent que la pression atmosphérique est égale dans toutes les directions.

1 & 2 semblent contradictoires.

Question connexe:

Pourquoi la pression de l'air d'en haut ne nous écrase-t-elle pas? La réponse que je vois constamment donnée est qu'une pression d'air égale par le bas équilibre le tout. Mais si une voiture reposait sur moi d'en haut et m'écrasait, alors une autre voiture appuyant contre moi d'en bas ne relâcherait pas cette pression - cela augmenterait seulement la pression que je ressentirais! Si j'étais dans un placard fermé, et que l'un des murs devait s'appuyer contre moi, et que le mur opposé s'appuierait également contre moi, le deuxième mur n'équilibrerait pas les choses, mais augmenterait plutôt la pression se sentirait!

Pourquoi la pression atmosphérique est-elle égale dans toutes les directions?

Imaginez ce que cela signifierait pour un mince morceau de métal plat si la pression n'était pas égale du haut et du bas. Il y aurait plus de pression poussant vers le bas que vers le haut, ce qui équivaudrait à une force nette. Cette force commencerait à accélérer le morceau de métal vers le bas; il n'y aurait pas d'équilibre. Oubliez maintenant le morceau de métal. Sans cela, il y aurait des molécules d'air se précipitant du gradient de pression. Ils se précipiteraient en fait jusqu'à ce qu'ils égalisent le gradient de pression et cessent de bouger.

Pourquoi la pression de l'air d'en haut ne nous écrase-t-elle pas? La réponse que je vois constamment donnée est qu’une pression d’air égale par le bas l’équilibre.

Ce n'est pas tout à fait correct. La pression n'est pas simplement égale de haut en bas, votre corps étant une zone de pression différente. Au contraire, tout votre corps est soumis à la même pression que l'environnement. Pour comprendre la différence, pensez à un réservoir à partir duquel une partie de l'air peut être évacuée (un réservoir à vide). Lorsque le réservoir est plein d'air à pression égale à l'environnement, le couvercle peut être retiré facilement. Si vous scellez le récipient, pompez une partie de l'air, puis essayez de retirer le couvercle, vous constaterez qu'il est très fermement collé. En effet, il existe une forte force sur le couvercle causée par le gradient de pression entre l'intérieur et l'extérieur.

Le fait que votre corps soit à la pression atmosphérique est en fait très important pour son fonctionnement. Si vous deviez être expulsé d'un vaisseau spatial où la pression est proche de zéro, tous les gaz (l'oxygène étant important) s'évaporeraient des fluides dans votre corps.

La pression de l'air est exercée à la surface d'un corps par des molécules d'air frappant la surface et réfléchies. Chacune de ces réflexions (dont des milliards de gaz se produisent par seconde) transfère une petite impulsion à la surface, ce qui signifie macroscopiquement une force permanente (par unité de surface). Pourquoi les molécules d'air rebondissent-elles et frappent-elles tout le temps? Soit parce que l'air se déplace en grand (aka. "Vent"), soit parce qu'il rebondit irrégulièrement (aka. "Température"). Ce dernier type de mouvement ne connaît pas de direction préférée et, par conséquent, la pression est la même quelle que soit l'orientation de la surface d'essai. Le fait même qu'il n'y ait pas de mouvement net (vent) s'exprime par le fait que la même force agit à l'arrière d'une surface mince qu'à l'avant (il n'y a donc pas de force nette).

Alors comment se fait-il que la pression de l'air soit liée au poids de l'air au-dessus de nous? En équilibre, la force causée par la pression de l'air par le bas sur une surface horizontale imaginaire est juste suffisante pour maintenir la colonne d'air au-dessus d'elle "en place", ce qui signifie qu'elle est égale au poids. Nous n'avons pas toujours besoin d'avoir un équilibre, mais si nous ne le faisons pas, alors le conducteur des forces provoque l'accélération et le mouvement - jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint.

J'ai essayé de diviser un peu les questions, de laisser un commentaire si j'ai raté quelque chose.

La pression atmosphérique est causée par le poids des molécules d'air ci-dessus.

C'est en effet correct. La pression atmosphérique est proportionnelle à la quantité d'air au-dessus d'elle: vous en avez moins en haute montagne qu'au niveau de la mer. Le diagramme le montre en pratique.

La pression de l'air est égale dans toutes les directions.

Cela est également vrai: il poussera également dans toutes les directions. S'il était inégal, il essaierait d'atteindre l'équilibre. Les molécules d'air seront soumises à la fois à la force de gravité qui la tirera vers la terre (la compressant) et à la force des autres molécules qui la repousseront.

La source

Et pourtant, toutes les sources que j'ai vues indiquent que la pression atmosphérique est égale dans toutes les directions.

Pour un petit point dans l'atmosphère, ce serait vrai. Il y aurait une force égale agissant sur lui dans toutes les directions.

1 & 2 semblent contradictoires.

Il y a une très petite différence pour, disons, un petit récipient en cubes car le fond aura une pression légèrement plus élevée de l'air au-dessus que le côté supérieur et la pression sera légèrement plus élevée. Cependant, cette diminution de pression avec l'altitude aura lieu à l'intérieur et à l'extérieur de la boîte. En général, la différence de pression peut être ignorée pour presque toutes les applications.

La pression est donnée par la formule,

${P = {\rho}gh}$

Où:

• ${\rho}$

• ${g}$

• ${h}$

La pression en tout point au- dessous de la limite supérieure des fluides, tels que l'air et l'eau, est uniforme dans toutes les directions en raison des molécules de fluide en mouvement constant et se heurtant continuellement les unes aux autres. La pression augmente avec la profondeur du fluide en raison de la quantité de fluide au-dessus, mais tout point sur un plan horizontal aura la même pression.

Comparez cela à la roche dans la croûte terrestre et le manteau. En ignorant les contraintes tectoniques, la pression dans le sens vertical est toujours donnée par

${P = {\rho}gh}$

Cependant, en raison de la nature solide de la roche, les molécules ne se déplacent pas rapidement et ne se heurtent pas continuellement. Par conséquent, la pression dans la direction latérale n'est pas égale à la pression dans la direction verticale et la pression / contrainte dans la roche n'est pas uniforme dans toutes les directions.

Cette source donne la pression / contrainte latérale comme étant liée à la pression / contrainte verticale.

${{\sigma}_h = k{\sigma}_v = k{\rho}gh}$

La pression est la force extérieure moyenne que les molécules exercent sur leur environnement.

Si vous prenez le cas des molécules d'air rebondissant sur tout ce qu'elles poussent vers l'extérieur sur les côtés de la même manière, mais comme vous l'avez mentionné, leur poids signifie qu'elles poussent effectivement plus bas qu'elles ne poussent vers le haut. Comme le poids de l'air dans un petit espace est très faible, cette différence peut généralement être négligée. Cependant, sans cette différence, les ballons ne flotteraient pas. Cette minuscule différence s'accumule dans l'atmosphère jusqu'à ce que les pressions ici-bas à la surface soient réellement assez importantes.

La raison pour laquelle les voitures vous écraseront est que lorsque la voiture pousse avec une pression élevée, elle déplace votre surface vers l'intérieur jusqu'à ce que vous repoussiez avec la même pression. Malheureusement pour vous, car votre pression interne augmente, ce qui rend vos côtés à une pression plus élevée que l'air qui vous entoure, de sorte que vos côtés s'écrasent car l'air ne repousse pas aussi fort. Donc, il ne suffit pas d'être poussé du haut et du bas, ni même des quatre côtés. Vous devez être poussé de toutes les directions, y compris vers le haut de votre nez et à l'intérieur de vos poumons pour que votre pression interne puisse repousser confortablement contre la haute pression.

Les deux déclarations sont correctes. La meilleure façon de comprendre comment ces deux énoncés peuvent coexister est de comprendre le concept de pression de gaz.

Maintenant, pour comprendre la pression, nous regardons un récipient plein de molécules de gaz. Les molécules de gaz ne se comportent pas du tout comme des solides ou des liquides. Dans un gaz, les molécules ne sont pas attirées les unes vers les autres, elles volent donc à des vitesses extrêmes rebondissant sur des objets et d'autres molécules de gaz. Ces collisions sont élastiques donc aucune énergie n'est perdue lors des collisions.

Chaque fois qu'une collision se produit, une sorte de transfert d'énergie a lieu entre les molécules. Cependant, à un niveau macroscopique, il y a tellement de collisions qui se produisent qu'elles ont en moyenne zéro énergie transférée. Imaginez qu'une molécule de gaz est sur le point de heurter le mur du conteneur ci-dessus. Nous savons que lorsque la molécule frappe, elle rebondit et se dirige dans l'autre sens, tout comme une balle rebondissante. Le mur ressentira également une force en raison de la deuxième loi de Newton . Cependant, de l'autre côté du conteneur, la même chose se produit exactement. En fait, la même chose se produit également à l'extérieur du conteneur. Toutes ces collisions exercent une force mais elles s'annulent toutes.

Maintenant, appliquons ceci à votre première définition. Comme vous l'avez dit, la pression atmosphérique est causée par le poids des molécules d'air ci-dessus. Les molécules de gaz sont attirées par la gravité vers la surface terrestre. Lorsqu'une molécule de gaz est tirée vers la surface de la terre, il est probable qu'elle frappe une autre molécule de gaz et rebondisse sur elle dans une autre direction. Disons maintenant que dans cette collision particulière, la première molécule atteint le sommet de la seconde molécule. Cela fait descendre la deuxième molécule encore plus rapidement que la première molécule. Cela se produit encore et encore jusqu'à ce que la molécule rebondisse à la surface de la terre. C'est ainsi que votre première définition est dérivée. La clé est de se rappeler qu'il s'agit d'une pression de gaz et donc de tous les côtés.

C'est le concept le plus difficile à comprendre parce que lorsque quelqu'un entend qu'il y a des centaines de livres d'air au-dessus d'eux, il imagine des centaines de livres de plaques d'acier sur ses épaules. Ne pensez pas comme ça. Si une balle rebondissante tombe sur votre tête, elle vous pousse vers le bas. Cependant, s'il manque, touche le sol, rebondit et vous frappe, les deux forces s'annulent. L'astuce consiste à réaliser que tant de collisions se produisent à une échelle si minuscule que vous ne "ressentez" pas la pression de l'atmosphère.

Les objets solides résistent très bien à une force uniforme dans toutes les directions. Avez-vous déjà entendu dire que vous ne pouvez pas écraser un œuf si vous le serrez de toutes les directions? Le même concept s'applique à votre corps. L'atmosphère pousse très fort de toutes les directions (même de l'intérieur de vos poumons!) Mais elles s'annulent toutes.

Pour contraster cela, imaginez un tambour en acier avec seulement quelques molécules de gaz à l'intérieur, que se passerait-il?

Maintenant, malgré cela, notez que les côtés du baril s'effondrent également. Cela signifie que les molécules d'air poussaient de côté mais qu'il n'y avait rien à repousser de l'intérieur. Nous pouvons voir dans le canon implosant que l'atmosphère nous comprime avec suffisamment de force pour froisser un tambour en acier. Cependant, parce que cette pression est exercée dans toutes les directions, les forces sont annulées et nous ne ressentons rien.

Je voudrais ajouter ma compréhension, au cas où cela aiderait quelqu'un à comprendre la raison. La raison pour laquelle il existe une pression de tous les côtés dans ces situations est due aux propriétés des fluides en équilibre. Dans l'atmosphère, par exemple, les molécules d'air étant "alourdies" par le haut, évinceraient les côtés de la colonne d'air, si cela était possible. Ce n'est pas, bien sûr, parce que la colonne d'air adjacente est sous la même force et donc ils ne sont pas mieux lotis. Les molécules de gaz sont énergétiques dans toutes les directions , ou en d'autres termes, la pression du fluide ne peut pas exister dans une direction si elle est en équilibre, car toute différence de pression entraînerait un mouvement (vent).

La raison pour laquelle vous utilisez le poids du fluide au-dessus de vous (air, océan, etc.) pour connaître la pression horizontale que vous ressentiriez est parce que vous supposez que vous êtes dans une zone en équilibre et donc vous savez par les raisons ci-dessus que le La pression "horizontale" est égale à la pression "verticale".

Une autre intuition que j'aime est l'idée d'un piston pneumatique. Le cylindre qui contient le fluide doit être solide pour ne pas éclater. Si vous remplaçiez le fluide par une tige métallique et que vous mettiez la force du piston à la place, les parois du cylindre ne ressentiraient rien.