Rõhk

Loodushuviline perekond tegi suvel ettevalmistusi rabamatkale minekuks. Isa oli toonud kõigile räätsad, mõned suuremad, mõned väiksemad. Pärast väikest uudistamist küsis väike Anni, milleks räätsad on vajalikud, kas need päästavad laukasse uppumisest. Isa selgitas: „Raba on kaetud pehme samblaga ja mitmete rabataimedega. Kui sa lähed rabasse, siis vajud sügavale sambla sisse. Sa purustad jalgadega rabataimi. Raba on vaja hoida. Räätsadega ei vaju sügavale sambla sisse.”

Perepoeg Ken on poiss, kellele meeldib igasuguseid asju mõõta ja üle kontrollida. Seetõttu otsustas ta rabasse minnes katsetada ja välja selgitada, miks rabas on vaja kasutada räätsasid. On ju pealt vaadates selge, et ega nende räätsadega eriti mugav käia ei ole. Et tulemusi võrrelda, valis ta „katsealuseks” enda ja ema.

Enne matka kaalusid Ken ja ema ennast ära. Ema mass oli 63 kg, Kenil 42 kg. Veel mõõtis Ken ema ja enda botaste põhjapindala ja räätsade pindalad. Ema botastel oli põhjapindala 180 cm², Keni omadel 140 cm². Ema räätsa pindala oli 900 cm², Keni räätsa pindala 600 cm².

Jõuti rabasse. Rabas olid ilusad samblamättad. Ken palus emal ühele mättale seista. Ema vajus poolest säärest saadik sambla sisse. Poiss katsetas samal samblamättal seismist. Tema vajus samuti sügavale sambla sisse, kuid mitte nii sügavale kui ema. Ema pani räätsad jalga. Nüüd vajus ta samblasse kõigest 10 cm võrra. Ken pani ka räätsad jalga. „Jess!” hõikas Ken, kui oli samblasse vajumise sügavuse ära mõõtnud. Tema vajus samblasse 10 cm võrra nagu emagi.

Miks hõikas Ken „Jess!” ja kuidas ta katse tulemustele selgituse leidis? Selleks peame sisse tooma uue füüsikamõiste – rõhk.

Mõjudes jõuga mingile kehale, ei mõju see tavaliselt ühes punktis, vaid mingile pinnaosale või ka kogupinnale. Rõhu mõiste iseloomustab jõu edasiandmist pinna kaudu.

Valemina:

Siin F on pinnale ühtlaselt mõjuv jõud ja S pinna pindala. Rõhu tähiseks on p. Seejuures me eeldame, et jõud mõjub alati risti pinnaga ja nagu juba mainitud, ühtlaselt kogu pinna ulatuses.

Rõhu ühik on 1 Pa (loe: üks paskal). Rõhk on üks paskal (1 Pa), kui ühe ruutmeetri (1 m²) suurusele pinnale mõjub jõud üks njuuton (1 N). Ühikule on antud nimetus prantsuse teadlase Blaise Pascali auks.

Kuna rõhu ühik 1 Pa on väga väike ühik, siis tavaelus kasutame kordseid ühikuid 1 hPa = 100 Pa, 1 kPa = 1000 Pa ja 1 MPa = 1 000 000 Pa = 10⁶ Pa.

Kõnekeeles räägime rõhumise asemel ka survest, eriti kui üks keha asetseb teise peal. Igale kehale mõjub Maa pinnal raskusjõud, seetõttu avaldab keha survet Maa pinnale ehk teisiti väljendades, rõhub Maa pinnale. Kui keha asetseb näiteks põrandal, avaldab ta samal viisil survet põrandale. Kui meid huvitab see mõju füüsikaliselt, siis peame seda iseloomustama vastava rõhu mõistega.

Keni katsest selgub, et mitte alati ei ole oluline ainult pinnale mõjuva jõu väärtus, vaid ka see, kui suurel pinnal see jõud jaotub. Siin osutubki oluliseks rõhu mõiste, mis näitab pinnaühikule mõjuva jõu suurust. Antud juhul on rõhku tekitavaks jõuks raskusjõud, mis arvutatakse valemiga F_r = mg. Emale mõjub raskusjõud F_r = 63 kg · 10 $\frac{\text{N}}{\text{kg}}$ = 630 N, Kenile F_r = 42 kg · 10 $\frac{\text{N}}{\text{kg}}$  = 420 N.

Arvutame, kui suur on rõhk sambla pinnale, kui sinna astuda botasega. Selleks jagame raskusjõu botase pindalaga ruutmeetrites. Ema botase pindala on 0,018 m², Keni botase pindala on 0,014 m². Ema poolt avaldatav rõhk on p = $\frac{630\text{ N}}{\mathrm{0,018}{\text{ m}}^{\text{2}}}$ = 35 000 Pa = 35 kPa, Keni poolt avaldatav rõhk p = $\frac{420\text{ N}}{\mathrm{0,014}{\text{ m}}^{\text{2}}}$ = 30 000 Pa = 30 kPa. Siit näeme, et ema poolt samblale avaldatav rõhk 35 kPa on suurem Keni poolt samblale avaldatavast rõhust 30 kPa. Seetõttu ei vajunud Ken nii sügavale sambla sisse kui ema.

Nüüd arvutame, milline on rõhk sambla pinnale räätsadega. Arvutame nii, nagu varem, ainult et nüüd on pindalaks räätsa pindala (emal 0,09 m², Kenil 0,06 m²). Tulemuseks saame, et ema poolt samblale avaldatav rõhk on 7 kPa, sama suur on ka Keni poolt avaldatav rõhk. Seetõttu vajusid nad mõlemad räätsadega samblasse ühte viisi 10 cm sügavusele.

Veel näeme nendest arvudest, et ilma räätsadeta on samblale mõjuv rõhk mitmeid kordi suurem ja seetõttu vajub inimene samblasse oluliselt sügavamale.

Ka räätsadega kõndides vajub inimene suuremal või vähemal määral samblasse. Füüsika keeles rääkides tähendab see, et rõhu toimel pind, millele avaldatakse survet, deformeerub. See juhtub alati, deformatsiooni suurus aga sõltub pinna omadustest. Seistes näiteks põrandal, avaldame me sellele sõltuvalt enda massist ja jalanõude põhjapindalast kindlat rõhku. Selle toimel põrand deformeerub ja me „vajume” põrandasse põhimõtteliselt sama moodi, nagu rabas sambla sisse. Vahe on ainult selles, et põranda deformatsioon on ääretult väike ja me seda praktiliselt ei tunneta, küll aga tasakaalustab põranda deformatsioonist tekkiv elastsusjõud meie raskusjõu! Kui see nii ei oleks, vajuks me läbi põranda.

Rõhu mõistest näeme, et ühe ja sama jõu mõju võib olla väga erinev ja sõltub sellest, kui suurele pinnale see mõjub. Paljudel juhtudel on otstarbekas rõhku vähendada. Sama mõjuva jõu korral me suurendame pinda, millele antud jõud mõjub. Mõned näited.

Kevadeti näeme põldudel töötamas topeltratastega traktoreid. Topeltrattad pannakse sellepärast, et võimalikult vähe mulda kokku suruda. Taimed kasvavad paremini kobedas mullas, kus on piisavalt õhku ja vett. Mida väiksemat rõhku rattad mullale avaldavad, seda väiksem on sõtkumise kahjulik mõju. Topeltrattad suurendavad maaga kokkupuutepinda, mistõttu rõhk pinnale väheneb.

Sama põhimõtet kasutatakse sõjaväe autodel. Pehmel pinnasel liikudes lastakse osa õhku rehvist välja ja selle tulemusena suureneb rehvi pinnasele toetuv pindala.

Avariisse sattunud auto äkilisel pidurdumisel paiskub autojuht ettepoole ning rõhub rindkere ja peaga roolile. Kuna toetuspind rooliga on väike, siis on rõhk suur ning roided ja kolju võivad murduda. Selle vältimiseks kasutatakse autodes turvapatja. Turvapadi kujutab endast kotikest, mis autoavarii korral täitub kiiresti gaasiga. Nüüd on rindkere ja näo puutepindala padjaga suur ja rõhk suhteliselt väike.

Mõnikord on kasulik rõhku oluliselt suurendada. Sellisel juhul püütakse teha pind, millele jõud mõjub, võimalikult väikeseks.

Terav nuga lõikab paremini kui nüri nuga. Põhjus on selles, et terava noa lõikav pind (serv) on kitsas ja avaldab sama jõu juures suuremat rõhku kui nüri noa tera. Lõiketera teritamisel tehakse lõikav serv võimalikult kitsaks, et selle puutepindala lõigatavaga oleks väike.

1. Vasta õppetüki alguses olevale küsimusele.
2. Inimene istub diivanil. Analüüsi füüsikaliselt, millest sõltub see, kui sügavale inimene diivanisse vajub.
3. Olgu padi ja kivi sama massiga. Miks „padjasõda” pidada on ohutu, „kivisõda” aga mitte?
4. Miks on nõela ots terav?
5. Miks kasutavad põhjamaa rahvad talvel sügavas lumes kõndimiseks räätsasid?