Что такое PSI (psi)?
PSI (pound per square inch, фунт на квадратный дюйм) — единица измерения давления в имперской и американской системах мер. Один PSI равен давлению, которое оказывает сила в один фунт-силу (lbf) на площадь в один квадратный дюйм (in²). В метрической системе 1 psi ≈ 6894,757 паскаля (Па), или примерно 0,06895 бара, или примерно 0,06805 атмосферы.
Абсолютное и избыточное давление
Обозначается строчными буквами «psi» (от английского pounds per square inch). Различают два важных варианта: psia (absolute) — абсолютное давление, отсчитываемое от абсолютного вакуума, и psig (gauge) — избыточное давление, отсчитываемое от атмосферного. Связь между ними: psia = psig + 14,696. Если не указано иное, под psi обычно подразумевается psig (избыточное давление). Манометры, шинные насосы и бытовые компрессоры показывают именно psig.
Области применения
PSI широко используется в инженерии, автомобильной промышленности, пневматике и гидравлике в англоязычных странах. Нормальное атмосферное давление на уровне моря составляет примерно 14,696 psia (или 0 psig, так как манометр показывает давление сверх атмосферного).
В повседневной жизни PSI наиболее знаком водителям: давление в автомобильных шинах в США и ряде других стран указывается именно в PSI. Рекомендуемое давление для легковых автомобилей обычно составляет 30–36 psi.
Этимология
Аббревиатура PSI расшифровывается как «pounds per square inch» — буквально «фунты на квадратный дюйм». Это описательное название, прямо указывающее на способ определения единицы: сила в фунтах, приложенная к площади в квадратных дюймах. В отличие от большинства единиц СИ, названных в честь учёных (паскаль — Блез Паскаль, бар — от греческого «барос»), PSI носит сугубо утилитарное название.
Этимология составных частей
Слово «pound» (фунт) происходит от латинского «libra pondo» — «фунт веса», откуда также сокращение «lb» для фунта. «Square inch» (квадратный дюйм) — составное обозначение единицы площади. Таким образом, PSI — это один из немногих случаев, когда единица измерения полностью описывает свою физическую сущность через название.
Производные обозначения
В техническом языке часто используются производные обозначения: ksi (kilo-psi = 1000 psi) для больших давлений в прочностных расчётах, Mpsi (мега-psi = 1 000 000 psi) для модулей упругости материалов. Также существуют psf (pounds per square foot — фунт на квадратный фут) для малых давлений, например, ветровых и снеговых нагрузок на здания. В русском языке PSI не имеет устоявшегося перевода — используется либо аббревиатура «psi», либо полная расшифровка «фунт на квадратный дюйм» (фунт/кв. дюйм).
Точное определение
Один PSI определяется как давление, возникающее при действии силы в один фунт-силу (lbf) на площадь в один квадратный дюйм (in²). Фунт-сила — это сила тяжести, действующая на массу в один фунт (0,45359237 кг) при стандартном ускорении свободного падения (9,80665 м/с²). Таким образом: 1 psi = 1 lbf / 1 in² = 0,45359237 кг × 9,80665 м/с² / (0,0254 м)² = 6894,757293168 Па.
Эквиваленты в других единицах
Основные эквиваленты (точные и приближённые): 1 psi = 6894,757 Па = 6,894757 кПа = 0,06894757 бар = 0,06804596 атм = 0,07030696 кгс/см² = 51,71493 мм рт. ст. (торр) = 2,03602 дюйма рт. ст. (inHg). Обратные соотношения: 1 атм = 14,696 psi, 1 бар = 14,504 psi, 1 кПа = 0,14504 psi.
Абсолютное и избыточное давление в расчётах
Различие между psia и psig критически важно в инженерных расчётах. Атмосферное давление на уровне моря составляет 14,696 psia = 0 psig. Вакуум характеризуется отрицательными значениями psig или низкими значениями psia. Абсолютный вакуум — это 0 psia = −14,696 psig. При работе с газовыми законами (закон Бойля-Мариотта, уравнение идеального газа) необходимо использовать абсолютное давление (psia).
История
Научные основы XVII–XVIII веков
Единица PSI возникла как естественное следствие имперской системы мер, в которой сила измеряется в фунтах, а длина — в дюймах и футах. Концепция давления как силы, приложенной к единице площади, была формализована в XVII–XVIII веках благодаря фундаментальным работам европейских учёных. Блез Паскаль (1623–1662) сформулировал закон о передаче давления в жидкостях, Роберт Бойль (1627–1691) установил зависимость давления газа от объёма, а Эванджелиста Торричелли (1608–1647) изобрёл барометр.
Промышленная революция и паровые машины
Хотя научные основы были заложены в Европе, практическое применение единицы «фунт на квадратный дюйм» стало массовым в Великобритании и США в XIX веке с развитием паровых машин и промышленной революции. Безопасная эксплуатация паровых котлов требовала точного контроля давления, и манометры стали необходимым оборудованием на каждом заводе и локомотиве. Первые промышленные манометры, изобретённые Эженом Бурдоном в 1849 году (трубка Бурдона), были градуированы в фунтах на квадратный дюйм.
Стандарты безопасности
Серия катастрофических взрывов паровых котлов в XIX веке — на пароходах, фабриках и локомотивах — привела к созданию стандартов безопасности. В 1880 году была основана Американская ассоциация инженеров-механиков (ASME), которая разработала первые кодексы для сосудов давления. Все эти стандарты использовали PSI как основную единицу.
Расширение в XX веке
В XX веке с расширением автомобильной, авиационной и нефтегазовой промышленности PSI стал стандартной единицей давления в англоязычных странах. Развитие пневматических и гидравлических систем, систем кондиционирования воздуха и промышленной автоматизации закрепило позиции PSI в инженерной практике.
Международная система единиц и сосуществование
Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 году, определила паскаль (Па = Н/м²) как стандартную единицу давления. Большинство стран мира перешли на паскали и их производные (килопаскали, мегапаскали). Однако PSI не сдал позиций в США и в отраслях, стандартизированных по американским нормам. Стандарты ASME, API, SAE и множество других американских отраслевых стандартов продолжают использовать PSI.
PSI в России
В России и СССР единицей давления традиционно служила атмосфера (физическая: 1 атм = 101 325 Па, и техническая: 1 ат = 1 кгс/см² = 98 066,5 Па). С переходом на СИ официальной единицей стал паскаль, но атмосферы и бары сохраняются в повседневной практике. PSI появился в российском обиходе с ростом импорта американской техники и оборудования в 1990–2000-х годах.
Сегодня PSI остаётся доминирующей единицей давления в промышленности США и широко используется в международной нефтегазовой отрасли, дайвинге, автомобилестроении и ряде других областей, стандартизированных по американским нормам.
Современное применение
Бытовое применение
PSI является стандартной единицей измерения давления в США и широко применяется в Великобритании. Наиболее распространённое бытовое применение — давление в автомобильных шинах: типичное рекомендуемое давление для легкового автомобиля составляет 30–36 psi (2,1–2,5 бара). Компрессоры, краскопульты и пневматические инструменты маркируются в PSI. Давление водопровода в американских домах — 40–80 psi.
Промышленное применение
В промышленности PSI используется для характеристики прочности материалов (предел прочности на растяжение, сжатие), рабочего давления трубопроводов, котлов и сосудов давления. Спецификации труб в американских стандартах (ASME, ANSI) указывают допустимое давление в PSI. Гидравлические системы тяжёлой техники работают при давлениях 3000–10 000 PSI (207–690 бар). Стандарты API для нефтегазовой отрасли полностью основаны на PSI.
Дайвинг и спорт
В дайвинге давление в баллонах для аквалангов обычно измеряется в PSI: типичное давление — 3000 psi (207 бар) для алюминиевого баллона и до 3500 psi (241 бар) для стального. В спорте давление в мячах регламентируется в PSI: баскетбольный мяч — 7–9 psi, футбольный — 8,5–15,6 psi.
Авиация
В авиации давление в гидравлических системах самолётов составляет 3000–5000 psi, давление наддува кабины — 7–9 psi сверх внешнего. Давление в пневматиках шасси — 150–300 psi для коммерческих лайнеров.
Применение в быту
Давление в автомобильных шинах
Наиболее распространённое бытовое столкновение с PSI — давление в автомобильных шинах. В США, Великобритании и ряде других стран рекомендуемое давление указывается на наклейке в дверном проёме водителя или на лючке бензобака в PSI. Типичные значения: 30–36 psi для легковых автомобилей, 35–45 psi для внедорожников и кроссоверов, 80–100 psi для грузовиков, 100–130 psi для велосипедных шин с тонкими покрышками (шоссейные). Давление проверяется на «холодных» шинах — после езды давление возрастает на 3–5 psi из-за нагрева.
Компрессоры и пневмоинструменты
Бытовые компрессоры и пневматические инструменты маркируются в PSI. Типичный домашний компрессор создаёт давление 90–150 psi. Краскопульт работает при 20–50 psi, пневматический гвоздезабивной пистолет — при 70–120 psi, а пескоструйный аппарат — при 90–100 psi. Давление воды в бытовом водопроводе в США обычно составляет 40–80 psi (2,8–5,5 бар).
Дайвинг
В дайвинге давление в баллонах для аквалангов измеряется в PSI. Стандартное рабочее давление алюминиевого баллона — 3000 psi (207 бар), стального — 2400–3500 psi (165–241 бар). Глубина погружения также связана с давлением: каждые 33 фута (10 метров) воды добавляют 14,7 psi (1 атмосферу). На глубине 100 футов (30 м) давление составляет примерно 58,8 psia (4 атмосферы).
Спортивный инвентарь
Давление в мячах для различных видов спорта также задаётся в PSI: футбольный мяч (FIFA) — 8,5–15,6 psi, баскетбольный — 7–9 psi, мяч для американского футбола (NFL) — 12,5–13,5 psi. Скандал «Дефлейтгейт» 2015 года в NFL был связан с тем, что мячи команды New England Patriots оказались накачаны на 2 psi ниже нормы.
В науке и промышленности
Гидравлика
В инженерной практике PSI является стандартной единицей давления в США и применяется в множестве технических дисциплин. В гидравлике промышленные гидравлические системы работают при давлениях от 1000 до 10 000 psi (69–690 бар). Гидравлика экскаваторов и тяжёлой техники — 3000–5000 psi. Гидроразрыв пласта (фрекинг) в нефтегазовой промышленности требует давлений 5000–15 000 psi (345–1034 бар). Гидрорезка (waterjet cutting) использует давления до 90 000 psi (6200 бар).
Материаловедение
В материаловедении PSI используется для характеристики прочностных свойств материалов. Предел прочности на растяжение (tensile strength): конструкционная сталь — 60 000–80 000 psi (414–552 МПа), алюминиевый сплав 6061-T6 — 45 000 psi (310 МПа), бетон на сжатие — 3000–6000 psi (21–41 МПа). Модуль упругости (Young's modulus) стали — около 29 Mpsi (200 ГПа). Для больших значений используется ksi (kilo-psi = 1000 psi).
Нефтегазовая промышленность
В нефтегазовой промышленности PSI — стандартная единица: давление на забое скважины, давление на устье, давление закачки — всё указывается в psi. Глубокие скважины характеризуются давлениями 10 000–30 000 psi (690–2070 бар). Стандарты API (American Petroleum Institute) задают классы давления фланцевых соединений: 150, 300, 600, 900, 1500, 2500 — эти числа представляют собой номинальные давления в psi.
Пневматика и компрессорная техника
В пневматике и компрессорной технике PSI определяет рабочее давление систем. Промышленные компрессоры: 90–175 psi (6–12 бар) для общепромышленного применения, 3000–6000 psi (207–414 бар) для наполнения газовых баллонов, до 60 000 psi (4137 бар) для специальных применений. Автомобильные кондиционеры работают при давлении хладагента 150–300 psi на стороне высокого давления.
Интересные факты
Нормальное атмосферное давление на уровне моря — 14,696 psi (101 325 Па). Это означает, что на каждый квадратный дюйм вашего тела давит сила примерно 14,7 фунта (6,7 кг). Мы не ощущаем этого, потому что давление внутри тела равно внешнему.
Рекомендуемое давление в шинах легкового автомобиля — 30–36 psi (2,1–2,5 бар). Снижение давления на 5 psi увеличивает расход топлива на 2–3% и ускоряет износ шин. Перекачка на 10 psi ухудшает сцепление с дорогой.
Давление воды на глубине Марианской впадины (10 994 м) составляет около 15 750 psi (1086 бар). При таком давлении объём воды уменьшается примерно на 5%. Батискаф «Триест», спустившийся на дно в 1960 году, выдерживал давление около 16 000 psi.
Гидроабразивная резка (waterjet) использует давление до 90 000 psi (6200 бар) — струя воды с абразивом при таком давлении режет сталь, камень и стекло. Толщина струи — менее 1 мм.
Скандал «Дефлейтгейт» (2015): мячи команды New England Patriots были накачаны до 11,5 psi вместо требуемых 12,5–13,5 psi. Разница в 1–2 psi повлияла на захват мяча и привела к дисквалификации квотербека Тома Брэди на 4 игры.
Стандартный алюминиевый акваланг наполняется до 3000 psi (207 бар). При погружении на глубину 30 метров дайвер расходует воздух примерно в 4 раза быстрее, чем на поверхности, из-за возросшего давления.
Давление в шинах болида Формулы-1 составляет всего 19–23 psi (1,3–1,6 бар) — значительно ниже, чем у обычного автомобиля. Это обеспечивает максимальное пятно контакта с трассой и лучшее сцепление.
Коммерческий самолёт на крейсерской высоте (10 000–12 000 м) поддерживает давление в кабине на уровне, эквивалентном высоте 1800–2400 м — около 10,9–11,8 psia. Разница давлений между кабиной и внешней средой составляет 7–9 psi.
Модуль упругости (модуль Юнга) стали составляет около 29 000 000 psi (29 Mpsi или 200 ГПа). Это означает, что для растяжения стального стержня на 1% длины необходимо приложить напряжение 290 000 psi.
Артериальное давление человека (120/80 мм рт. ст.) в пересчёте на PSI составляет примерно 2,32/1,55 psi — ничтожные значения по инженерным меркам, но достаточные для циркуляции крови по всему телу.
Региональные особенности
США
В США PSI является основной единицей давления во всех областях — от бытовых (давление в шинах, водопроводе) до промышленных (гидравлика, пневматика, нефтегазовая отрасль). Все манометры, компрессоры, спецификации оборудования и стандарты (ASME, ANSI, API) используют PSI. Американские инженеры мыслят в PSI интуитивно и испытывают затруднения при работе с паскалями и барами.
Великобритания
В Великобритании ситуация неоднородна. Давление в шинах традиционно указывается в PSI (хотя всё чаще дублируется в барах), но промышленность активно использует метрические единицы — бары и паскали. В медицине артериальное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) — это универсально по всему миру. Метеорология использует гектопаскали (гПа) или миллибары (мбар) — 1 гПа = 1 мбар.
Россия и страны СНГ
В России и странах СНГ PSI не является стандартной единицей. Официальная система — СИ с паскалями (Па, кПа, МПа). Однако в быту и промышленности широко используются: бар (1 бар ≈ 14,504 psi), атмосфера (1 атм ≈ 14,696 psi) и техническая атмосфера (1 ат = 1 кгс/см² ≈ 14,223 psi). Давление в шинах в России указывается в атмосферах или барах (значения практически совпадают: 1 атм ≈ 1,013 бар). PSI встречается в России при работе с импортным оборудованием, в инструкциях к зарубежным автомобилям и в дайвинге (давление в баллонах).
Таблица конвертаций
| Единица | Значение | |
|---|---|---|
| Килопаскаль (кПа) | 6,89476 | Конвертировать → |
| Бар (бар) | 0,068948 | Конвертировать → |
| Атмосфера (атм) | 0,068046 | Конвертировать → |
| Паскаль (Па) | 6 894,76 | Конвертировать → |