Umiejętnością absolutnie niezbędną w pracy każdego budowlańca, inżyniera lub architekta jest sprawność szybkiego przeliczania jednostek. Oczywiście, w dzisiejszych czasach, każdy w kieszeni posiada smartfon z aplikacją, służącą konwertowaniu jednostek. Jednak po pierwsze, nie każda tego typu aplikacja obsługuje jednostki typowo budowlane. Po drugie, w momencie, gdy na pytanie „Jaki ciężar generuje dany obiekt na element konstrukcyjny, na którym spoczywa?”, nie będziemy w stanie podać wartości wyrażonej w Niutonach znając jednocześnie masę (w kilogramach) wskazanego elementu, z całą pewnością stracimy nieco punktów respektu w oczach każdego doświadczonego inżyniera. Jak zatem mają się do siebie te jednostki i dlaczego ciężar przeciętnego Polaka w 2011 roku wynosił aż 830? Na te i inne pytania, odpowiem w niniejszym artykule.

Masa w kilogramach

W Naszym codziennym życiu, masę obiektów lub osób określamy zazwyczaj w kilogramach lub funtach odczytanych ze wskaźnika wagi. Na budowie lub w pracowni projektowej, ciężar, który „posiadają” owe przedmioty lub ludzie wyrażany jest przede wszystkim w jednostkach takich jak Niuton, Paskal.

Zdefiniujmy więc kilka pojęć, które następnie postaramy się powiązać ze sobą wzajemnie.

Masa – Jest to wielkość fizyczna, określająca przede wszystkim bezwładność obiektu. Masa zazwyczaj oznaczana jest literką „m”. W układzie jednostek SI, podstawową jednostką masy jest 1 kilogram.

Podczas naszych rozważań „obiektem”, będzie statystyczny Polski mężczyzna w 2011 roku (rok jest tutaj bez znaczenia). Według organizacji StatSoft Polska, statystyczny Polski facet w roku 2011 miał na imię „Piotr”, 177 cm wzrostu oraz co najważniejsze, masę wynoszącą 83 kilogramy. Za każdym razem gdy przeciętny Piotr, korzystał z wagi aby określić swoją masę, wskaźnik wskazywał równe 83 kg. Można również powiedzieć, że w objętości ciała Piotra zamknięte było 83 kg materii. Ze względu na możliwość istnienia obiektów o znaczącej masie, każdą jednostkę możemy stopniować, używając do tego przedrostków, wielokrotności oraz podwielokrotności.

1 000 kilogramów to 1 tona, 1 kilogram to 0,001 tony. Zatem masa statystycznego Piotra wynosi również 83 kg * 0,001 = 0,083 tony.

Ciężar w niutonach

Podczas różnych obliczeń inżynierskich, zdecydowanie ważniejszą wartością jest ciężar danego obiektu a używając dokładniejszych określeń, siła ciężkości obiektu.

Siła ciężkości, pot. Ciężar  – to najprościej rzecz ujmując wypadkowa siły, z którą w przypadku Piotra, Ziemia przyciąga go do siebie. Jednostką ciężaru w układzie SI jest niuton. Niektórzy specjaliści wartość tę wyrażają również stosując jednostkę z poza układu SI, nazywaną kilogram-siły, zapisywanej w skrócie kG lub kgf, dla odróżnienia skrótu od zwykłego kilograma (kg) wyrażającego masę.

Aby poznać ciężar obiektu, masę musimy pomnożyć razy przyspieszenie ziemskie, wynoszące w przybliżeniu: g=9,81 m/s2 , czyli w zaokrągleniu 10 m/s2

Wzór na siłę ciążenia
Wzór na siłę ciążenia

Zatem ciężar Piotra wynosi = 83 kg * 10 m/s2 = 830 N. Potwierdziliśmy więc tezę zawartą w tytule artykułu, że przeciętny ciężar Polaka w 2011 roku wynosił 830. Będąc skrupulatnym, należałoby jednak dodać do tej wartości literkę N, symbolizującą niutony, w której wyraziliśmy wartość masy Piotra.

Podobnie jak kilogramy, niutony można stopniować. 1000 niutonów (N) to 1 kiloniuton (kN), 1 niuton (N) to 0,001 kiloniutona (kN). A więc ciężar Piotra jest równy 830 N * 0,001 = 0,83 kiloniutona (kN). Idąc dalej jednostką o stopień większą od kiloniutona jest meganiuton, stanowiący 1 000 000 Niutonów (N) a zatem 1 000 kiloniutonów (kN).

Ciśnienie w paskalach

W poprzednim akapicie ustaliliśmy, że statystyczny Piotr oddziałuje/„naciska” na ziemię z wartością 830 N. Jednak obciążenie to nie jest przekazywane na powierzchnię ziemi punktowo (na nieskończenie mały obszar, dążący do 0). Piotr codziennie nosi buty, które rozkładają obciążenie Piotra na pole równe powierzchni podeszwy butów Piotra. Sprawdźmy więc z jakim ciśnieniem oddziałuje Piotr na powierzchnię na której stoi. Lecz wcześniej zdefiniujmy formalnie, ciśnienie.

Ciśnienie – Jest to wielkość, określająca wartość siły działającej prostopadle do powierzchni, podzielona przez powierzchnię na jaką działa. W układzie SI, jednostką ciśnienia jest 1 Paskal

Można to przedstawić zależnością

Wzór na ciśnienie
Wzór na ciśnienie

W której:

p – ciśnienie (Pa),

Fg – składowa siły prostopadła do powierzchni (N),

S – powierzchnia (m²).

Zakładając, że powierzchnia 1 buta Piotra wynosi 200 cm2 czyli 0,02 m2, (1 m2 to 10000 cm2) możemy policzyć, że Piotr wywiera ciśnienie na ziemię wynoszące:

Ciśnienie wywierane gdy Piotr stoi na 1 nodze
Ciśnienie wywierane gdy Piotr stoi na 1 nodze

i:

Ciśnienie wywierane gdy Piotr stoi na 2 nogach
Ciśnienie wywierane gdy Piotr stoi na 2 nogach

Mniejsze ciśnienie jest w tym przypadku gdy Piotr stoi na dwóch nogach, gdyż rozkłada się na większą powierzchnię.

Idąc za ciosem, 1000 paskali (Pa) to 1 kilopaskal (kPa) a 1 paskal (Pa) to 0,001 kilopaskala (kPa). Podobnie 1 000 000 paskali (Pa) to 1 Megapaskal (MPa) a 1 paskal (Pa)  to 0,000001 Megapaskala (MPa).

Piotr stojąc na dwóch nogach wywiera więc nacisk wynoszący:

20 750 Paskali (Pa) * 0,001 = 20,75 kPa, a 20 750 Paskali (Pa) * 0,000001 = 0,02075 MPa

„Waga” jest kłopotliwa

Warto, zwrócić uwagę, że w inżynierskim języku, potocznie używane słowo „waga” jest nieco kłopotliwe, gdyż może odnosić się zarówno do określenia masy jak i ciężaru czyli siły ciążenia. Najlepiej więc przyjąć, że w branży architektoniczno-budowlanej waga to jedynie przyrząd do mierzenia masy.

Waga jest kłopotliwa
Waga jest kłopotliwa

Niby takie to proste…

Z pozoru są to bardzo proste przeliczenia, w rzeczywistości sprawiają niekiedy trudność początkującym inżynierom. Mamy nadzieję, że przykład statystycznego Piotra rozwieje wątpliwości dotyczące różnic między masą obiektu, ciężarem obiektu oraz ciśnieniem wywieranym przez obiekt.

Przydatna ściągawka

Na koniec, załączamy przydatną ściągawkę do przeliczeń dotyczących masy, ciężaru, ciśnienia a zatem obciążeń, z którymi mamy do czynienia na każdym kroku w branży budowlano-architektonicznej.

                                  Masie 1 kg, odpowiada siła 10 N

Przydatna ściąga z wzorami
Przydatna ściąga z wzorami

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię