¿Por qué hay presión de aire en todas las direcciones?

1. Aquí hay una definición típica de presión de aire:

La presión del aire es causada por el peso de las moléculas de aire arriba. Incluso las pequeñas moléculas de aire tienen algo de peso, y la gran cantidad de moléculas de aire que forman las capas de nuestra atmósfera colectivamente tienen una gran cantidad de peso, lo que presiona todo lo que está debajo.

2. Y, sin embargo, todas las fuentes que he visto afirman que la presión del aire es igual en todas las direcciones.

1 y 2 parecen contradictorios.

Pregunta relacionada:

¿Por qué la presión del aire desde arriba no nos aplasta? La respuesta que veo consistentemente dada es que una presión de aire igual desde abajo lo equilibra. Pero si un automóvil descansara sobre mí desde arriba y me aplastara, entonces otro automóvil que se presione contra mí desde abajo no aliviaría esa presión, ¡solo aumentaría la presión que sentiría! Si estuviera en un armario cerrado, y una de las paredes se presionase contra mí, y luego la pared opuesta también se presionase contra mí, la segunda pared no "equilibraría" las cosas, sino que solo aumentaría la presión. ¡se sentiría!

¿Por qué la presión del aire es igual en todas las direcciones?

Imagine lo que significaría para una pieza delgada y plana de metal si la presión no fuera igual desde arriba y abajo. Habría más presión empujando hacia abajo desde la parte superior que empujando hacia arriba desde abajo, lo que equivaldría a una fuerza neta. Esta fuerza comenzaría a acelerar la pieza de metal hacia abajo; No habría equilibrio. Ahora olvídate de la pieza de metal. Sin ella, las moléculas de aire descenderían rápidamente del gradiente de presión. Realmente se apresurarían hacia abajo hasta que igualaran el gradiente de presión y dejaran de moverse.

¿Por qué la presión del aire desde arriba no nos aplasta? La respuesta que veo consistentemente dada es que una presión de aire igual desde abajo lo equilibra.

Esto no es del todo correcto. La presión no es simplemente igual desde arriba y abajo, ya que su cuerpo es una zona de presión diferente. Más bien, todo tu cuerpo está a la misma presión que el entorno. Para comprender la diferencia, piense en un tanque del que se pueda evacuar parte del aire (un tanque de vacío). Cuando el tanque está lleno de aire a la misma presión que el entorno, la tapa se puede quitar fácilmente. Si sella el recipiente, bombea un poco de aire y luego trata de quitar la tapa y verás que está muy apretado. Esto se debe a que existe una fuerte fuerza en la tapa causada por el gradiente de presión entre el interior y el exterior.

El hecho de que su cuerpo esté a presión atmosférica es realmente muy importante para la forma en que funciona. Si fuera expulsado de una nave espacial donde la presión es cercana a cero, todos los gases (siendo importante el oxígeno) se evaporarían de los fluidos en su cuerpo.

La presión del aire es ejercida sobre la superficie de un cuerpo por moléculas de aire que golpean la superficie y se reflejan. Cada una de estas reflexiones (miles de millones de las cuales ocurren por segundo) transfiere un pequeño impulso en la superficie, lo que significa macroscópicamente una fuerza permanente (por unidad de área). ¿Por qué las moléculas de aire rebotan y golpean todo el tiempo? Ya sea porque el aire se mueve en general (también conocido como "viento") o porque rebotan de manera irregular (también conocido como "temperatura"). El último tipo de movimiento no conoce la dirección preferida y, por lo tanto, la presión es la misma sin importar la orientación que tenga la superficie de prueba. El hecho mismo de que no hay movimiento neto (viento) se expresa por el hecho de que la misma fuerza actúa en el lado posterior de una superficie delgada que en el lado frontal (por lo que no hay fuerza neta).

Entonces, ¿cómo es que la presión del aire está relacionada con el peso del aire sobre nosotros? En equilibrio, la fuerza causada por la presión del aire desde abajo sobre una superficie horizontal imaginaria es suficiente para mantener la columna de aire encima "en su lugar", lo que significa que es igual al peso. No siempre tenemos que tener equilibrio, pero si no lo hacemos, entonces el larguero de las fuerzas provoca aceleración y movimiento, hasta que se alcanza el equilibrio.

He tratado de dividir un poco las preguntas, dejar un comentario si me he perdido algo.

La presión del aire es causada por el peso de las moléculas de aire arriba.

Esto es de hecho correcto. La presión del aire es proporcional a la cantidad de aire que hay sobre ella: tiene menos en una montaña alta que al nivel del mar. El diagrama muestra esto en la práctica.

La presión del aire es igual en todas las direcciones.

Esto también es cierto: empujará por igual en todas las direcciones. Si fuera desigual, trataría de alcanzar el equilibrio. Las moléculas de aire estarán sujetas tanto a la fuerza de gravedad que la empuja hacia la tierra (comprimiéndola) como a la fuerza de otras moléculas, alejándola.

Fuente

Y, sin embargo, todas las fuentes que he visto afirman que la presión del aire es igual en todas las direcciones.

Por algún pequeño punto en la atmósfera, esto sería cierto. Habría igual fuerza actuando sobre él en todas las direcciones.

1 y 2 parecen contradictorios.

Hay una diferencia muy pequeña para, por ejemplo, un recipiente pequeño en cubos, ya que el fondo tendrá una presión un poco más alta del aire por encima que el lado superior y la presión será marginalmente más alta. Sin embargo, esa disminución de la presión con la altitud tendrá lugar tanto dentro como fuera de la caja. En general, la diferencia de presión puede ignorarse para casi todas las aplicaciones.

La presión viene dada por la fórmula,

${P = {\rho}gh}$

Dónde:

• ${\rho}$ = densidad

• ${g}$ = constante gravitacional

• ${h}$ = altura / profundidad

La presión en cualquier punto por debajo del límite superior de los fluidos, como el aire y el agua, es uniforme en todas las direcciones debido a que las moléculas del fluido están en constante movimiento y chocan continuamente entre sí. La presión aumenta con la profundidad del fluido debido a la cantidad de fluido por encima, pero cualquier punto en un plano horizontal tendrá la misma presión.

Compare esto con la roca en la corteza terrestre y el manto. Ignorando las tensiones tectónicas, la presión en la dirección vertical aún está dada por

${P = {\rho}gh}$

Sin embargo, debido a la naturaleza sólida de la roca, las moléculas no se mueven rápidamente y no chocan continuamente entre sí. En consecuencia, la presión en la dirección lateral no es igual a la presión en la dirección vertical y la presión / tensión en la roca no es uniforme en todas las direcciones.

Esta fuente proporciona la presión / tensión lateral en relación con la presión / tensión vertical.

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

La presión es la fuerza externa promedio que las moléculas ejercen sobre su entorno.

Si tomas el caso de las moléculas de aire que rebotan golpeando todo lo que empujan hacia los lados por igual, pero como mencionaste, su peso significa que realmente empujan hacia abajo con más fuerza que hacia arriba. Como el peso del aire en un espacio pequeño es muy pequeño, esta diferencia generalmente puede pasarse por alto. Sin embargo, sin esta diferencia, los globos no flotarían. Esta pequeña diferencia se acumula en la atmósfera hasta que las presiones aquí en la superficie son bastante significativas.

La razón por la que los autos lo aplastarían es porque cuando el auto empuja hacia abajo con una alta presión, moverá su superficie hacia adentro hasta que empuje hacia atrás con la misma presión. Desafortunadamente para usted, a medida que aumenta su presión interna, sus lados están a una presión más alta que el aire que lo rodea, por lo que sus lados se aplastan ya que el aire no empuja hacia atrás con tanta fuerza. Por lo tanto, no es suficiente simplemente ser empujado desde la parte superior e inferior, o incluso desde cuatro lados. Debe ser empujado desde todas las direcciones, incluso por la nariz y dentro de los pulmones para que su presión interna pueda empujar cómodamente contra la presión alta.

Ambas declaraciones son correctas. La mejor manera de entender cómo pueden coexistir estas dos afirmaciones es entender el concepto de presión de gas.

Ahora, para comprender la presión, miramos un recipiente lleno de moléculas de gas. Las moléculas de gas no se comportan en absoluto como sólidos o líquidos. En un gas, las moléculas no se atraen entre sí, por lo que vuelan a velocidades extremas rebotando en objetos y otras moléculas de gas. Estas colisiones son elásticas, por lo que no se pierde energía durante las colisiones.

Cada vez que se produce una colisión, se produce algún tipo de transferencia de energía entre las moléculas. Sin embargo, a nivel macroscópico, se están produciendo tantas colisiones que promedian cero energía transferida. Imagine que una molécula de gas está a punto de golpear la pared del contenedor anterior. Sabemos que cuando la molécula golpea, rebotará y se dirigirá en la otra dirección como una pelota que rebota. La pared también sentirá una fuerza debido a la segunda ley de Newton . Sin embargo, en el otro lado del contenedor está sucediendo exactamente lo mismo. De hecho, lo mismo está sucediendo en el exterior del contenedor también. Todas estas colisiones ejercen una fuerza, pero todas se cancelan entre sí.

Ahora apliquemos esto a su primera definición. Como dijiste, la presión del aire es causada por el peso de las moléculas de aire de arriba. Las moléculas de gas son atraídas por la gravedad hacia la superficie de la tierra. A medida que una molécula de gas se tira hacia la superficie de la tierra, es probable que golpee a otra molécula de gas y rebote en otra dirección. Ahora digamos que en esta colisión particular, la primera molécula golpea la parte superior de la segunda molécula. Esto hace que la segunda molécula viaje hacia abajo incluso más rápido que la primera molécula. Esto sucede una y otra vez hasta que la molécula rebota en la superficie de la tierra. Así es como se deriva su primera definición. La clave es recordar que esta es una presión de gas y, por lo tanto, es de todos lados.

Este es el concepto más difícil de entender porque cuando alguien escucha que hay cientos de libras de aire sobre ellos, imagina cientos de libras de placas de acero sobre sus hombros. No lo pienses así. Si una pelota hinchable cae sobre tu cabeza, te empuja hacia abajo. Sin embargo, si falla, golpea el piso, rebota y te golpea, las dos fuerzas se cancelan entre sí. El truco consiste en darse cuenta de que se producen tantas colisiones a una escala tan pequeña que no se "siente" la presión de la atmósfera.

Los objetos sólidos son muy buenos para resistir una fuerza uniforme desde todas las direcciones. ¿Alguna vez has oído que no puedes aplastar un huevo si lo exprimes desde todas las direcciones? El mismo concepto se aplica a su cuerpo. La atmósfera está presionando mucho desde todas las direcciones (¡incluso desde el interior de los pulmones!), Pero todos se cancelan.

Para contrastar esto, imagine un tambor de acero con solo unas pocas moléculas de gas, ¿qué pasaría?

Ahora, a pesar de ser genial, observe que los lados del barril también colapsan. Esto significa que las moléculas de aire se empujaban desde un lado, pero no había nada que empujar desde el interior. Podemos ver desde el implosionante barril que la atmósfera nos está comprimiendo con la fuerza suficiente para derrumbar un tambor de acero. Sin embargo, debido a que esta presión se ejerce desde todas las direcciones, las fuerzas se cancelan y no sentimos nada.

Me gustaría agregar mi comprensión, en caso de que ayude a alguien a comprender el motivo. La razón por la que hay presión de todos los lados en estas situaciones se debe a las propiedades de los fluidos en equilibrio. En la atmósfera, por ejemplo, las moléculas de aire que se "cargan" desde arriba exprimirían los lados de la columna de aire, si eso fuera posible. No es, por supuesto, porque la columna de aire adyacente está bajo la misma fuerza y, por lo tanto, no están mejor. Las moléculas de gas son energéticas en todas las direcciones , o en otras palabras, la presión del fluido no puede existir en una dirección si está en equilibrio, ya que cualquier diferencia de presión produciría movimiento (viento).

La razón por la que usa el peso del fluido sobre usted (aire, océano, etc.) para conocer la presión horizontal que sentiría es porque asume que se encuentra en un área en equilibrio y, por lo tanto, sabe por las razones anteriores que La presión "horizontal" es igual a la presión "vertical".

Otra intuición que me gusta es la idea de un pistón neumático. El cilindro que contiene el fluido debe ser fuerte para evitar que explote. Si reemplazaras el fluido con una varilla de metal y aplicaras la fuerza del pistón, las paredes del cilindro no sentirían nada.