PSI, бар і паскаль: практичний посібник з одиниць тиску

Тиск — одна з тих величин, де число на манометрі повністю залежить від того, яку одиницю цей манометр використовує. Специфікація автомобільної шини 32 може означати фунти на квадратний дюйм у Сполучених Штатах, або може бути виражена як 2.2 бар у Європі, чи 220 на табличці, яка ненав'язливо означає кілопаскалі. Той самий фізичний тиск — три дуже різні числа. Щойно ви дізнаєтеся точні коефіцієнти переведення і одну важливу відмінність у способах вимірювання тиску, ви зможете переходити між будь-якими з цих одиниць без сумнівів.

Цей посібник охоплює паскаль, бар, фунти на квадратний дюйм, атмосферу і торр: що означає кожна одиниця, як вони пов'язані та які практичні пастки призводять до неправильного тиску в шинах, хибно маркованих балонів і плутаних переведень. Кожен коефіцієнт тут є точним або ретельно округленим, і ми зазначимо, який є яким.

Що таке тиск насправді

Тиск — це сила, розподілена на площу. Прикладіть ту саму силу до меншої площі — і тиск зросте; розподіліть її на більшу площу — і він зменшиться. Ця єдина ідея пояснює структуру кожної одиниці тиску. Одиниця СІ, паскаль, визначається як рівно один ньютон сили на один квадратний метр площі. Паскаль є крихітним у повсякденних термінах: аркуш паперу, що лежить плиском на столі, тисне вниз лише з кількома паскалями, тому ви майже завжди бачите кілопаскалі (кПа, тисяча паскалів) або більші кратні величини в реальному використанні.

Фунти на квадратний дюйм підпорядковуються тій самій логіці в імперській системі: це тиск, створений однією фунт-силою, що діє на один квадратний дюйм. Оскільки квадратний дюйм є набагато меншою площею, ніж квадратний метр, а фунт-сила — це чималий шматок сили, один psi є набагато більшою одиницею, ніж один паскаль. Саме ця різниця в розмірі є причиною того, що коефіцієнт переведення вимірюється тисячами.

Точні коефіцієнти переведення

Два з цих співвідношень визначені точно за міжнародною домовленістю, а решта випливають з фізичних констант. Ось опорні значення, які варто запам'ятати чи додати в закладки:

• 1 бар = 100000 Pa точно. Бар визначається як рівно сто кілопаскалів, що робить його зручним, але означає, що він не зовсім дорівнює атмосферному тиску.
• 1 стандартна атмосфера (atm) = 101325 Pa точно = 1.01325 бар = 760 торр. Це визначено, а не виміряно, і це трохи більше за один бар.
• 1 psi = приблизно 6894.76 Pa (точніше 6894.757 Pa). Це випливає з точних визначень фунт-сили та дюйма.
• 1 бар = приблизно 14.5038 psi, а 1 atm = приблизно 14.6959 psi.
• 1 торр = 1 atm, поділена на 760, що становить приблизно 133.322 Pa. Торр майже ідентичний одному міліметру ртутного стовпа.

Зверніть увагу на легко пропустимий розрив: бар — це не атмосфера. Вони відрізняються приблизно на 1.3 відсотка. Для побутових розмов про шини цей розрив нешкідливий, але для наукової чи інженерної роботи він має значення, тож завжди перевіряйте, чи значення, позначене як атмосферний тиск, означає рівно одну atm чи округлений один бар.

Надлишковий проти абсолютного: пастка, яка ловить кожного

Перш ніж щось переводити, вам потрібно знати, який саме вид тиску представляє число, бо одна лише одиниця цього не каже. Абсолютний тиск вимірюється відносно ідеального вакууму. Надлишковий тиск вимірюється відносно навколишньої атмосфери, тому він показує нуль, коли шина чи балон відкриті до повітря. Ці два відрізняються приблизно на одну атмосферу, близько 14.7 psi або 101 кПа.

Ваш манометр шини, ваш велосипедний насос і більшість промислових циферблатів показують надлишковий тиск. Знайомі 32 psi в шині — це 32 psi понад повітря навколо неї, тож справжній абсолютний тиск всередині ближчий до 47 psi. Іноді ви побачите це записаним як psig (надлишковий) і psia (абсолютний), або barg і bara. Якщо ви переведете надлишкове показання, а колега трактує його як абсолютне, ви можете помилитися на цілу атмосферу, що в системах низького тиску є величезною помилкою. Коли точність має значення, підтвердьте, з яким відліком ви працюєте, перш ніж торкатися калькулятора.

Розібраний приклад: тиск у шинах між одиницями

Припустимо, ваша табличка на дверях вимагає 32 psi, а ви стоїте перед насосом, який показує лише в барах або кПа. Переводьте крок за кроком, використовуючи наведені вище коефіцієнти, пам'ятаючи, що це надлишкове значення, тож переведений результат також є надлишковим тиском.

1. Почніть з 32 psi. Помножте на 6894.76 Pa за psi: 32 x 6894.76 = приблизно 220632 Pa.
2. Переведіть у кілопаскалі, поділивши на 1000: 220632 / 1000 = приблизно 221 кПа.
3. Переведіть у бари, поділивши на 100000: 220632 / 100000 = приблизно 2.21 бар.
4. Отже, 32 psi — це приблизно 221 кПа або 2.21 бар, усі виражають той самий тиск у шині.

Саме тому європейська табличка може зазначати 2.2 бар там, де північноамериканська зазначає 32 psi: це та сама ціль, просто показана в місцевій одиниці. Багато табличок шин за межами Сполучених Штатів використовують кПа, тож побачивши 220 чи 230 на наклейці, зазвичай мають на увазі кілопаскалі, а не якусь загадкову нову шкалу. Округлюйте розумно: шинам байдуже до третього десяткового знака, і накачати до 2.2 бар замість обчислених 2.206 бар цілком нормально.

Де кожна одиниця зустрічається на практиці

Знання типового місця кожної одиниці допомагає перевірити на здоровий глузд, чи правдоподібне ваше переведене число:

• Паскаль і кілопаскаль: типова одиниця СІ, що використовується в науці, інженерії, прогнозах погоди за межами США та на більшості табличок шин у світі.
• Бар і мілібар: поширені в європейській промисловості, дайвінгу і метеорології, де типовий тиск на рівні моря тримається близько 1013 мілібар.
• PSI: домінує у Сполучених Штатах для шин, сантехніки, стисненого повітря і гідравліки.
• Атмосфера: зручне скорочення в хімії та фізиці при порівнянні з повсякденним тиском повітря.
• Торр і міліметри ртутного стовпа: вакуумна робота і кров'яний тиск, який досі майже всюди вимірюється в mmHg.

Поширені помилки та практичні поради

Більшість помилок з тиском походить від кількох постійних винуватців. Стережіться їх — і ваші переведення залишаться надійними:

• Трактування бара й атмосфери як рівних. Вони близькі, але відрізняються приблизно на 1.3 відсотка; використовуйте 101325 Pa для атмосфери і 100000 Pa для бара.
• Змішування надлишкового й абсолютного тиску. Вирішіть, який з них у вас, перш ніж переводити, і ніколи не порівнюйте надлишкове показання напряму з абсолютним.
• Плутання кПа з psi на табличці. Ціль шини близько 220 — це кілопаскалі; ціль близько 32 — це psi. Це той самий тиск, тож якщо ваше переведення не виходить близько до іншого типового значення, перевірте його знову.
• Надто жорстке округлення коефіцієнта. Використання 6900 замість 6894.76 для переведення psi у паскалі виглядає нешкідливим, але додає похибку, що зростає з тиском.
• Забуття, що паскаль малий. Якщо переведена відповідь виходить у сотнях тисяч, це нормально для паскалів; перейдіть на кПа чи бар для читабельної цифри.

Для повсякденних завдань, як-от накачування шин чи перегляд погодного застосунку, округлені коефіцієнти тут більш ніж достатньо точні. Для професійної, медичної чи критичної для безпеки роботи трактуйте ці значення як відправну точку і перевіряйте точні цифри та конвенцію «надлишковий проти абсолютного» з виробником обладнання чи відповідним стандартом, перш ніж покладатися на них. Помилки з тиском можуть дорого коштувати, а тридцятисекундна перевірка дешевша за альтернативу.