Jak obliczyć ciśnienie, jakie wywiera osoba o masie 72 kg?
Ciśnienie oblicza się ze wzoru p = F/S. Dla osoby o masie 72 kg siła nacisku wynosi około 706,32 N, przy przyspieszeniu grawitacyjnym g = 9,81 m/s². Ostateczny wynik zależy od łącznej powierzchni styku obu łyżew, butów albo nart z podłożem.
Wzór na ciśnienie i siłę nacisku
Ciśnienie określa, jak duża siła działa na jednostkę powierzchni. Korzystamy ze wzoru:
p = F/S
gdzie p oznacza ciśnienie, F – siłę nacisku, a S – powierzchnię styku wyrażoną w metrach kwadratowych. Siła nacisku stojącej osoby odpowiada jej ciężarowi, więc:
F = m · g = 72 kg · 9,81 m/s² = 706,32 N
Jednostką ciśnienia jest paskal. Jeden paskal to jeden niuton przypadający na metr kwadratowy, czyli 1 Pa = 1 N/m². W obliczeniach trzeba uwzględnić powierzchnię obu przedmiotów, ponieważ osoba stoi na dwóch łyżwach, dwóch butach albo dwóch nartach.
Obliczenia dla łyżew, butów i nart
W zadaniu podano następujące wymiary. Ostrze jednej łyżwy ma szerokość 3 mm i długość 30 cm, podeszwa jednego buta ma powierzchnię 280 cm², a jedna narta ma długość 160 cm i średnią szerokość 10 cm.
Przy zamianie jednostek korzystamy z zależności 1 m² = 10 000 cm². Poszczególne etapy rozwiązania są następujące:
- Siła nacisku – dla wszystkich przypadków wynosi 706,32 N.
- Powierzchnia dwóch przedmiotów – najpierw obliczamy pole jednego ostrza, podeszwy lub narty, a następnie mnożymy je przez 2.
- Ciśnienie – dzielimy siłę nacisku przez łączną powierzchnię styku i przeliczamy wynik na kilopaskale.
Łyżwy
Szerokość ostrza 3 mm to 0,003 m, a długość 30 cm to 0,30 m. Powierzchnia jednego ostrza wynosi:
0,003 m · 0,30 m = 0,0009 m²
Dwa ostrza mają łącznie powierzchnię 0,0018 m². Ciśnienie wynosi więc:
p = 706,32 N / 0,0018 m² ≈ 392 400 Pa ≈ 392,4 kPa
Buty zimowe
Podeszwa jednego buta ma 280 cm², czyli 0,028 m². Dwie podeszwy zajmują powierzchnię:
2 · 0,028 m² = 0,056 m²
Zatem:
p = 706,32 N / 0,056 m² ≈ 12 613 Pa ≈ 12,6 kPa
Narty
Jedna narta ma długość 1,60 m i średnią szerokość 0,10 m, więc jej przybliżona powierzchnia wynosi 0,16 m². Dwie narty mają łącznie:
2 · 0,16 m² = 0,32 m²
Ciśnienie wywierane na śnieg wynosi:
p = 706,32 N / 0,32 m² ≈ 2207 Pa ≈ 2,21 kPa
Zestawienie wyników przedstawia tabela:
| Sytuacja | Łączna powierzchnia styku | Ciśnienie |
|---|---|---|
| Łyżwy | 0,0018 m² | 392,4 kPa |
| Buty zimowe | 0,056 m² | 12,6 kPa |
| Narty | 0,32 m² | 2,21 kPa |

Dlaczego narty wywierają najmniejsze ciśnienie?
Przy tej samej sile nacisku ciśnienie maleje, gdy zwiększa się powierzchnia styku. Narty mają znacznie większą powierzchnię niż podeszwy butów i ostrza łyżew, dlatego rozkładają ciężar osoby na większym obszarze śniegu. W rezultacie narciarz wywiera na podłoże mniejsze ciśnienie i w mniejszym stopniu zapada się w śnieg.