الضغط هو أحد أهم المفاهيم في الفيزياء. بينما سيكون لديك بلا شك فكرة عن الضغط الناجم عن أشياء مثل قراءات الضغط الجوي المقدمة تقارير الطقس أو ضغط الماء في نظام التدفئة في منزلك ، عندما تدرس الفيزياء ، التفاصيل حقًا شيء. يساعدك التعرف على التعريف الدقيق للضغط على فهم المفاهيم الأساسية المتعلقة بالغازات والديناميكا الحرارية والطفو وغير ذلك الكثير.
تعريف الضغط
يتم تعريف الضغط ببساطة على أنهمقدار القوة لكل وحدة مساحة. النقطة الأساسية عندما تحاول فهم الضغط هي التفكير فيما يحدث على المستوى الذري في سائل أو غاز عند ضغط مرتفع. تتحرك الجزيئات المكونة باستمرار ، وهذا يعني أنها تصطدم بجدران الحاوية طوال الوقت. كلما تحركت (بسبب درجات الحرارة المرتفعة) ، كلما اصطدمت بجدران الحاوية وزاد الضغط.
التعريف ، إذن ، يحول هذه الصورة العامة ببساطة إلى تعريف واضح ومادي. في كل مرة يضرب الجزيء جانب الحاوية ، فإنه يضفي قوة عليه ، ومجموع هذه القوى لجزء صغير من الداخل هو الضغط الكلي. الطريقة الأكثر ملاءمة للقيام بذلك هي اختيار مساحة مربعة "وحدة" واحدة في نظام القياس الذي اخترته ، وهو ما يعنيه "لكل وحدة مساحة" في التعريف.
رياضيا ، يمكنك تعريف الضغط على النحو التالي:
P = \ frac {F} {A}
أينصهو الضغط ،Fهي القوة على السطح وأهي المنطقة.
وحدات الضغط
وحدة الضغط في النظام الدولي للوحدات هيباسكال (باسكال)، حيث 1 باسكال = 1 نيوتن / م2، أي نيوتن واحد لكل متر مربع. نيوتن هي وحدة القوة ، لذلك من السهل أن ترى أن باسكال يلبي متطلبات وحدة الضغط. ومع ذلك ، فإن باسكال وحدة صغيرة جدًا لأشياء مثل الضغط الجوي ، لذلك هناك عدد كبير جدًا من البدائل المستخدمة أيضًا. واحدة من أبسط الطرق للقيام بذلك هي ببساطة استخدام kPa (أي كيلوباسكال ، أو آلاف باسكال) ، ولكن هناك خيارات أخرى أيضًا.
الوحدة البديلة الأكثر شهرة هيرطل لكل بوصة مربعة (psi)، والذي يستخدم في الولايات المتحدة لأشياء مثل ضغط الماء. بالنسبة للضغط الجوي ، غالبًا ما تُستخدم الوحدة المسماة بشكل مناسب "الغلاف الجوي" (atm) ، لأن 1 ضغط جوي يتوافق مع الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر. التور هو وحدة بديلة تستخدم للضغوط الجوية ، والتي يتم تعريفها على أنها 1/760 من الغلاف الجوي ، أو 133.3 باسكال. في الأرصاد الجوية ، غالبًا ما يستخدم المليبار ، حيث 1 بار = 100000 باسكال و 1 ملي بار = 100 باسكال.
أخيرًا ، هناك بعض وحدات الضغط غير العادية ، بما في ذلك ملليمترات الزئبق (mmHg) ، والتي يتم تحديده بناءً على الضغط الذي يمارسه عمود من الزئبق يبلغ ارتفاعه 1 مم وغالبًا ما يستخدم للدم الضغط.
كان هذا في الأصل هو القصد من عملية التور ، ولذا لا ينبغي أن يكون مفاجئًا أن الاثنين بشكل أساسي هو نفسه: 1 مم زئبق = 133.322 باسكال. أخيرًا ، في بعض الحالات ، يقاس الضغط كقيمة في داين لكل مربع سنتيمتر. هنا ، الدين هو وحدة قوة مع 1 داين = 0.00001 نيوتن ، وبالتالي 1 داين لكل سنتيمتر مربع يساوي 0.1 باسكال.
الضغط الجوي
الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر يساوي 1 جو ، أو حوالي 101325 باسكالتسربتالقيمة - إنها أكثر من قوة الجاذبية المؤثرة على 10000 كجم من المادة ، مما يدفعك للأسفلطوال الوقت. الضغط هو في الأساس هذا فقط ، لكن الأمر في الواقع هو الهواء: الضغط ناتج حرفيًا عن وزن الهواء الذي يندفع لأسفل على سطح الأرض.
قد يبدو هذا غريباً لأنك لم تفعل ذلكتنويهالضغط الجوي ، على الرغم من أنه هائل جدًا ، إلا أنك تطورت في هذه البيئة ، وبالتالي لا تلاحظه. هناك مقياس للضغط يأخذ هذا في الاعتبار ، ويسمى أيضًاقياس الضغط. هذا هو فرق الضغط بين الضغط المطلق (أي الضغط الكلي) والضغط الجوي.
على سبيل المثال ، إذا كان لديك إطار مثقوب تمامًا في سيارتك ، فعند توصيل مقياس سيقرأ صفرًا. ومع ذلك ، هناكهواءداخل الإطار عند الضغط الجوي ؛ إنها فقط أن هذه المعلومات ليست ذات صلة حقًا عندما تكون مهتمًا بمعرفة ما إذا كان شيء مثل إطار السيارة مضغوطًا بشكل مناسب. لا يزال هناك ضغط مطلق ، ولكن في هذه الحالة (وغيرها الكثير) ، فإن مقياس الضغط هو حقًا ما تحتاج إلى معرفته.
ضغط المياه
ضغط الماء هو أحد أكثر أشكال الضغط شيوعًا في الحياة اليومية ، ولكن في الوضع الهيدروستاتيكي (حيث لا يتدفق الماء) ، يعمل الضغط بشكل مختلف عن الطريقة التي يعمل بها في تسخين المياه النظام. ومع ذلك ، هذا موقف مثير للاهتمام يجب النظر إليه عندما تتعلم لأول مرة عن الضغط لأن الضغط في مثل هذا الموقف يعتمد على العمق.
الضغط (ص) بأي عمق (د) بواسطة المعادلة:
P = ρgd
أينρ("rho") هي كثافة السائل وزهي التسارع بسبب الجاذبية (على الأرض ،ز= 9.81 م / ث2). كثافة الماء عند 20 درجة مئويةρ= 998 كجم / م3، ولكن بشكل عام يتم تبسيط العمليات الحسابية إلى حد كبير إذا افترضت درجة حرارة 4 درجات مئوية ، أينρ= 1000 كجم / م3 أو 1 جم / سم3. لذلك إذا كنت تحسب ضغط الماء على عمق 25 مترًا ، فستظهر المعادلة:
\ start {align} P & = ρgd \\ & = 1000 \ text {kg / m} ^ 3 × 9.81 \ text {m / s} ^ 2 × 25 \ text {m} \\ & = 245250 \ text {Pa } = 245.3 \ نص {kPa} \\ \ نهاية {محاذاة}
كيف يعمل البارومتر
البارومتر هو جهاز لقياس الضغط الجوي (يسمى أحيانًا الضغط الجوي) يعمل باستخدام عمود من الزئبق. يتم قلب الأنبوب المحتوي على الزئبق - المفتوح من أحد طرفيه - ووضعه في خزان يحتوي أيضًا على الزئبق. عندما يتم إعداده ، يكون الخزان مفتوحًا على الغلاف الجوي ، لكن الزئبق الموجود في الأنبوب يكون على اتصال فقط بالخزان ، وعملية قلب الأنبوب تخلق فراغًا في الجزء العلوي.
يقيس البارومتر الضغط لأن القوة الناتجة عن الضغط الجوي (الوزن أساسًا من الهواء) يدفع الزئبق لأسفل في الخزان وبالتالي يدفع الزئبق في الأنبوب فوق.
إذا كان عمود الزئبق يخلق قوة كبيرة بنفس القدر موجهة إلى الأسفل (تصف معادلة ضغط الماء من القسم السابق أصل هذا القوة) ، لن يكون هناك تغيير ، ولكن إذا كان ضغط الهواء أعلى ، فسيتعين زيادة مستوى الزئبق في الأنبوب بمقدار مماثل لموازنة القوات. بعد معايرة الميزان ، يمكن استخدام هذا النظام البسيط لقياس ضغط الهواء.
أمثلة أخرى
هناك أمثلة أخرى للضغط ستكون على دراية بها من الحياة اليومية أيضًا ، بما في ذلك ضغط الدم. هذا هو (المقياس) للضغط الناتج عن ضخ قلبك للدم حول جسمك ، ويتم قياسه بوحدة mmHg (ملليمتر من الزئبق) ، ولديك قراءتان: الضغط الانقباضي عندما يندفع قلبك للخارج والانبساطي للضغط بين يدق. بالطبع ، الضغط أثناء النبضات هو العدد الأكبر من الاثنين ، ويعتبر ما بين 90/60 مم زئبق و 120/80 مم زئبق مثاليًا.
يعد ضغط الهواء أيضًا مفهومًا مهمًا في علم الأرصاد الجوية ، والذي يحدد مواقع وحركات الضغط العالي وأنظمة الضغط المنخفض للتنبؤ بالتغيرات في الطقس. من خلال العلاقة بين الضغط الجوي ودرجة الحرارة ، وما يحدث عند نظام الضغط المنخفض يلتقي نظام الضغط العالي ، ويتنبأ علماء الأرصاد بدرجات الحرارة وأشياء مثل الرياح في مناطق مختلفة.