Áp suất tĩnh là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa áp suất tĩnh

Áp suất tĩnh (tiếng Anh: static pressure) là áp suất tác dụng lên một điểm trong chất lưu mà không do chuyển động gây ra, được đo khi không có chuyển động tương đối giữa bề mặt đo và dòng chất lưu. Đây là dạng áp suất tồn tại do khối lượng của chất lưu và lực tác động lên đơn vị diện tích, không bao gồm ảnh hưởng từ vận tốc hoặc hướng chảy. Trong môi trường chất lỏng và khí, áp suất tĩnh được xem là thành phần chính trong tổng áp suất của hệ thống.

Trong hệ SI, đơn vị của áp suất tĩnh là Pascal (Pa), với 1 Pa tương đương 1 Newton tác dụng lên 1 mét vuông. Trong các ứng dụng thực tế như đo áp suất trong ống dẫn, hệ thống thông gió, hoặc dòng khí xung quanh vật thể chuyển động, áp suất tĩnh giúp xác định mức độ nén, căng thẳng cơ học và năng lượng tiềm năng của chất lưu.

Công thức phổ biến dùng để tính áp suất tĩnh trong chất lỏng đứng yên là: $P = \rho g h$ Trong đó:

• $\rho$: khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m³)
• $g$: gia tốc trọng trường (9.81 m/s²)
• $h$: chiều cao cột chất lỏng tính từ điểm đo (m)

Công thức này áp dụng rộng rãi trong thủy tĩnh học và các hệ thống đo mức nước, áp kế cột chất lỏng.

Phân biệt áp suất tĩnh với các loại áp suất khác

Áp suất tĩnh không nên nhầm lẫn với áp suất động hay áp suất toàn phần. Trong dòng chất lưu chuyển động, áp suất toàn phần là tổng năng lượng áp suất có tại một điểm và được chia thành hai thành phần: áp suất tĩnh và áp suất động. Trong khi áp suất tĩnh phản ánh năng lượng tiềm ẩn trong chất lưu, áp suất động phản ánh động năng do chuyển động của chất lưu.

Biểu thức quan hệ giữa các loại áp suất: $P_{total} = P_{static} + \frac{1}{2} \rho v^2$ Trong đó:

• $P_{total}$: áp suất toàn phần
• $P_{static}$: áp suất tĩnh
• $\frac{1}{2} \rho v^2$: áp suất động

Phân tích này là nền tảng cho phương trình Bernoulli và được sử dụng phổ biến trong thiết kế khí động học, hệ thống HVAC và cơ học chất lưu.

Bảng so sánh dưới đây tóm tắt sự khác biệt giữa ba loại áp suất:

Loại áp suất	Định nghĩa	Đơn vị	Phụ thuộc vào vận tốc?
Áp suất tĩnh	Lực tác dụng lên đơn vị diện tích trong chất lưu tại điểm yên tĩnh	Pa	Không
Áp suất động	Áp suất tương đương với động năng của dòng chảy	Pa	Có
Áp suất toàn phần	Tổng của áp suất tĩnh và động	Pa	Có

Áp suất tĩnh trong chất lỏng

Trong chất lỏng đứng yên, áp suất tĩnh được xác định bởi trọng lượng của chất lỏng phía trên điểm đo. Khi đi sâu hơn vào chất lỏng, áp suất tĩnh tăng do cột chất lỏng phía trên điểm đó lớn hơn, tạo ra lực ép lớn hơn. Mối quan hệ này hoàn toàn tuyến tính, không bị ảnh hưởng bởi hình dạng hoặc thể tích bình chứa, miễn là độ sâu là như nhau.

Một đặc tính quan trọng của áp suất tĩnh trong chất lỏng là tính đồng nhất theo phương ngang tại cùng một độ sâu. Điều này có nghĩa là tại bất kỳ điểm nào trong cùng một mặt phẳng ngang, áp suất tĩnh là như nhau, bất kể vị trí đo trong bình hoặc ống dẫn.

Đặc điểm áp suất tĩnh trong chất lỏng:

• Phụ thuộc vào chiều cao cột chất lỏng, không phụ thuộc vào khối lượng tổng thể
• Không bị ảnh hưởng bởi tiết diện ống chứa
• Là cơ sở cho các thiết bị đo mức như áp kế cột chất lỏng, cảm biến áp suất chìm

Áp suất tĩnh trong dòng khí

Trong môi trường khí động học, áp suất tĩnh được đo tại các điểm có dòng khí chuyển động, thường là trên thân máy bay, trong ống dẫn gió hoặc quanh vật thể khí động. Khác với chất lỏng, áp suất tĩnh trong khí chịu ảnh hưởng đáng kể từ vận tốc và hướng dòng chảy, do đó cần thiết bị và phương pháp đo chính xác hơn.

Ống Pitot-statics là thiết bị phổ biến để đo đồng thời áp suất tĩnh và áp suất toàn phần trong dòng khí. Thiết bị này có hai lỗ: một lỗ đối diện trực tiếp với dòng khí để đo áp suất toàn phần, và các lỗ bên để đo áp suất tĩnh không chịu ảnh hưởng bởi vận tốc dòng chảy.

Một ví dụ ứng dụng là trong hàng không: các cảm biến áp suất tĩnh đặt dọc theo thân máy bay để đo độ cao (qua mối quan hệ giữa áp suất và cao độ). Dữ liệu từ cảm biến tĩnh sau đó được kết hợp với áp suất động để tính vận tốc bay chính xác. Tham khảo thêm tại: NASA Glenn Research Center – Pressure Measurement

Cách đo áp suất tĩnh

Đo áp suất tĩnh yêu cầu thiết bị và phương pháp phù hợp với môi trường chất lưu cụ thể. Trong hệ thống khí, áp suất tĩnh được đo bằng ống Pitot-statics hoặc các lỗ tĩnh bố trí vuông góc với dòng khí để tránh tác động của áp suất động. Trong chất lỏng, thường sử dụng cảm biến áp suất thủy tĩnh đặt chìm hoặc ống chữ U chứa chất lỏng để phản ánh mức áp lực tại điểm cần đo.

Các thiết bị phổ biến dùng để đo áp suất tĩnh:

• Ống Pitot-tĩnh: Đo cả áp suất toàn phần và áp suất tĩnh, cho phép tính vận tốc dòng khí
• Áp kế Bourdon: Hoạt động dựa trên sự giãn nở của ống kim loại uốn cong khi có áp suất
• Cảm biến áp suất điện tử: Sử dụng biến dạng cơ học hoặc hiệu ứng áp điện để chuyển áp suất thành tín hiệu điện

Khi lắp đặt, cần đảm bảo đầu đo:

• Vuông góc hoặc song song với bề mặt dòng chảy
• Nằm trong vùng dòng chảy ổn định, tránh nhiễu loạn
• Được hiệu chuẩn định kỳ để đảm bảo độ chính xác

Một số cảm biến hiện đại còn tích hợp đo cả nhiệt độ và độ cao để điều chỉnh áp suất theo điều kiện môi trường.

Ứng dụng trong kỹ thuật

Áp suất tĩnh có mặt trong hầu hết các hệ thống kỹ thuật liên quan đến chất lưu. Trong hệ thống HVAC (heating, ventilation, and air conditioning), áp suất tĩnh được sử dụng để đánh giá hiệu quả hoạt động của quạt và độ tổn thất áp suất trong ống dẫn. Trong hệ thống cấp nước, áp suất tĩnh phản ánh áp lực tại đầu vòi hoặc vị trí đầu ra, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất sử dụng.

Các ứng dụng tiêu biểu:

• Kiểm tra sự mất áp suất trong hệ thống ống dẫn
• Giám sát hiệu suất bơm và quạt
• Đánh giá áp suất nước trong bồn chứa theo độ cao
• Phân tích an toàn trong thiết bị chịu áp như nồi hơi, bồn áp lực

Trong ngành hàng không, cảm biến áp suất tĩnh kết hợp với áp suất toàn phần để xác định vận tốc bay (airspeed), độ cao (altitude) và trạng thái môi trường xung quanh máy bay. Việc sai lệch áp suất tĩnh có thể dẫn đến đọc sai các chỉ số bay quan trọng, gây rủi ro nghiêm trọng.

Áp suất tĩnh trong phương trình Bernoulli

Phương trình Bernoulli là biểu thức định luật bảo toàn năng lượng trong dòng chất lưu lý tưởng. Trong đó, áp suất tĩnh là một trong ba dạng năng lượng: năng lượng áp suất (áp suất tĩnh), động năng (áp suất động) và thế năng do trọng lực. Tổng ba dạng năng lượng này là không đổi dọc theo một dòng chảy ổn định:

$P + \frac{1}{2} \rho v^2 + \rho g h = \text{const}$

Khi vận tốc dòng chảy tăng, áp suất tĩnh có xu hướng giảm, và ngược lại. Đây là cơ sở cho nguyên lý hoạt động của vòi phun, ống Venturi, và là nguyên nhân tạo ra lực nâng ở cánh máy bay do chênh lệch áp suất tĩnh giữa mặt trên và dưới cánh.

Trong các ứng dụng thực tế, phương trình Bernoulli thường được điều chỉnh để tính thêm tổn thất ma sát hoặc nhiễu động, nhưng vẫn giữ nguyên cấu trúc phân tích áp suất tĩnh như là thành phần năng lượng tiềm năng cơ bản trong dòng chảy.

Vai trò trong thiết kế khí động học

Áp suất tĩnh là một yếu tố quyết định trong thiết kế các bề mặt tiếp xúc với dòng khí hoặc chất lỏng. Sự phân bố áp suất tĩnh quanh vật thể giúp xác định lực tác động lên vật thể đó, từ đó tính được lực nâng, lực cản và mô-men tác dụng. Đặc biệt trong thiết kế hàng không và ô tô, tối ưu hóa phân bố áp suất giúp cải thiện hiệu suất khí động và giảm tiêu hao năng lượng.

Ứng dụng cụ thể:

• Thiết kế cánh máy bay để tối đa hóa lực nâng nhờ chênh lệch áp suất tĩnh
• Phân tích lực cản trên xe hơi để giảm hệ số kéo
• Tính tải trọng gió lên cầu treo và nhà cao tầng

Trong mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics), kết quả về phân bố áp suất tĩnh được sử dụng để tạo bản đồ lực tác động, hỗ trợ quá trình thử nghiệm ảo trước khi sản xuất nguyên mẫu thực tế. Điều này giúp tiết kiệm chi phí và thời gian đáng kể trong thiết kế công nghiệp.

Những sai lệch khi đo áp suất tĩnh

Mặc dù áp suất tĩnh là thông số cơ bản, việc đo sai có thể dẫn đến hậu quả lớn trong thiết kế và vận hành hệ thống. Một số sai lệch phổ biến xuất phát từ vị trí đặt cảm biến không đúng, cảm biến không được hiệu chuẩn hoặc chịu ảnh hưởng bởi các nhiễu động trong dòng chảy.

Hậu quả tiềm ẩn:

• Đọc sai vận tốc dòng chảy nếu áp suất tĩnh bị ảnh hưởng bởi nhiễu động
• Thiết kế sai kích thước đường ống, dẫn đến tổn thất năng lượng
• Gây lỗi trong hệ thống điều khiển tự động sử dụng áp suất làm biến đầu vào

Để giảm sai lệch:

• Sử dụng đầu đo được thiết kế chuyên biệt cho môi trường khí hoặc chất lỏng
• Hiệu chuẩn định kỳ cảm biến
• Đặt đầu đo tại vùng dòng chảy ổn định, tránh vùng xoáy hoặc gần van

Tài liệu tham khảo

1. The Engineering Toolbox – Static Pressure
2. NASA Glenn Research Center – Pressure Measurement
3. Journal of Fluid Mechanics – Cambridge University Press
4. Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi, T. H., & Huebsch, W. W. (2013). Fundamentals of Fluid Mechanics. Wiley.
5. Cengel, Y. A., & Cimbala, J. M. (2017). Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications. McGraw-Hill Education.