فشار هوا: نیرویی که هوای اطراف به سطح اجسام وارد می‌کند

فشار هوا: نیروی نامرئی زندگی‌بخش

فشار هوا چیست و چگونه ایجاد می‌شود؟

هوا، که مخلوطی از گازهای مختلف است، جرم دارد و به دلیل نیروی جاذبه زمین به سوی آن کشیده می‌شود. وزن این ستون هوای بالای سر ما بر سطح زمین و هر چیزی که روی آن قرار دارد نیرو وارد می‌کند. به این نیروی وارد بر واحد سطح، فشار هوا یا فشار جوّی می‌گویند. برای درک بهتر، تصور کنید یک تشک بادی را روی زمین پهن کرده‌اید و افراد زیادی روی آن بایستند. وزن افراد بر سطح تشک فشار وارد می‌کند. فشار هوا نیز شبیه به همین است، با این تفاوت که به جای افراد، لایه‌های مختلف هوا بر ما فشار وارد می‌کنند.

یکای اندازه‌گیری فشار در علم، پاسکال^۳ (Pa) است. اما برای اندازه‌گیری فشار هوا، معمولاً از واحدهای دیگری مانند atm (اتمسفر استاندارد) یا bar (بار) و میلی‌متر جیوه (mmHg) استفاده می‌شود. فشار هوا در سطح دریا به طور متوسط برابر با:

این بدان معناست که فشار هوا در سطح دریا می‌تواند ستونی از جیوه را به ارتفاع 760 میلی‌متر در یک لولهٔ خلأ بالا نگه دارد.

چگونه فشار هوا را اندازه‌گیری می‌کنیم؟ (فشارسنج‌ها)

ابزار اصلی اندازه‌گیری فشار هوا، فشارسنج یا بارومتر^۴ است. دو نوع اصلی فشارسنج وجود دارد:

چه عواملی بر فشار هوا تأثیر می‌گذارند؟

فشار هوا در همه جای زمین یکسان نیست و تحت تأثیر چند عامل مهم تغییر می‌کند:

۱. ارتفاع از سطح دریا: مهمترین عامل است. با افزایش ارتفاع، ستون هوای بالای سر ما کوتاه‌تر و چگالی^۷ هوا کمتر می‌شود. بنابراین، فشار هوا با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد. به همین دلیل است که در قله کوه‌ها نفس‌کشیدن سخت‌تر است. رابطه تقریبی به این شکل است:

۲. دما: هوای گرم منبسط می‌شود و چگالی آن کم می‌شود. در نتیجه، هوای گرم نسبت به هوای سرد فشار کمتری ایجاد می‌کند. این تفاوت فشار، عامل ایجاد بادهاست (هوا از منطقه پرفشار به منطقه کم‌فشار حرکت می‌کند).

۳. رطوبت هوا: مولکول‌های آب ($H_2O$) سبک‌تر از مولکول‌های نیتروژن ($N_2$) و اکسیژن ($O_2$) هستند. بنابراین، هوای مرطوب (پر از بخار آب) چگالی کمتری نسبت به هوای خشک با دمای یکسان دارد و فشار کمتری اعمال می‌کند.

فشار هوا در عمل: از تنفس تا پرواز

فشار هوا تنها یک مفهوم کتابی نیست، بلکه در قلب بسیاری از پدیده‌های اطراف ما جاری است. در این بخش به نمونه‌های عملی می‌پردازیم.

مثال ۱: نفس کشیدن. وقتی دیافراگم^۸ ما منقبض می‌شود، قفسه سینه را بزرگ می‌کند و حجم ریه‌ها افزایش می‌یابد. این کار باعث می‌شود فشار هوای داخل ریه‌ها کمتر از فشار هوای بیرون شود. در نتیجه، هوای بیرون (با فشار بیشتر) به داخل ریه‌ها (منطقه با فشار کمتر) هل داده می‌شود. بازدم نیز برعکس این فرآیند است.

مثال ۲: نوشیدن مایع با نی. وقتی شما با نی می‌مکید، هوای داخل نی را خارج کرده و فشار داخل نی را کاهش می‌دهید. فشار هوای بالای مایع در لیوان (که تقریباً برابر فشار جو است) از فشار هوای داخل نی بیشتر می‌شود. این اختلاف فشار، مایع را به سمت بالا و داخل نی و سپس دهان شما می‌راند.

مثال ۳: چسباندن یک بادکش به دیوار. هنگامی که بادکش را به دیوار فشار می‌دهیم و هوای پشت آن را خارج می‌کنیم، فشار داخل بادکش بسیار کم می‌شود. فشار هوای بیرون (اتمسفر) که بسیار بیشتر است، بادکش را محکم به دیوار می‌فشارد و آن را نگه می‌دارد. نیروی حاصل از این اختلاف فشار می‌تواند بسیار قوی باشد.

مثال ۴: پرواز هواپیما. بال هواپیما به گونه‌ای طراحی شده که هوای عبوری از روی آن مسافت بیشتری را نسبت به هوای زیر بال طی کند و در نتیجه سرعتش بیشتر شود. بر اساس اصل برنولی^۹، افزایش سرعت سیال باعث کاهش فشار می‌شود. بنابراین، فشار هوای روی بال کمتر از فشار هوای زیر بال می‌شود. این اختلاف فشار یک نیروی خالص به سمت بالا (نیروی برآ^۱۰) ایجاد می‌کند که هواپیما را از زمین بلند می‌کند.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

۱. فشار هوا (Atmospheric Pressure / Air Pressure)
۲. فشارسنج (Barometer / Manometer)
۳. پاسکال (Pascal - Pa): یکای فشار در سیستم استاندارد بین‌المللی (SI).
۴. بارومتر (Barometer): هم‌معنی فشارسنج جوّی.
۵. اتوریچلی (Evangelista Torricelli): فیزیکدان ایتالیایی که در سال ۱۶۴۳ فشارسنج جیوه‌ای را اختراع کرد.
۶. پیزوالکتریک (Piezoelectric): خاصیتی در برخی مواد که در پاسخ به فشار مکانیکی، ولتاژ الکتریکی تولید می‌کند.
۷. چگالی (Density): جرم یک ماده در واحد حجم آن.
۸. دیافراگم (Diaphragm): ماهیچه گنبدی شکل زیر ریه‌ها که نقش اصلی در تنفس دارد.
۹. اصل برنولی (Bernoulli's Principle): در جریان یک سیال (مایع یا گاز)، افزایش سرعت جریان با کاهش فشار سیال همراه است.
۱۰. نیروی برآ (Lift): نیروی آیرودینامیکی عمود بر جهت حرکت که یک جسم (مانند هواپیما) را به بالا می‌کشد.
۱۱. شیپور استاش (Eustachian Tube): مجرای باریکی که گوش میانی را به حلق متصل کرده و فشار دو طرف پرده گوش را متعادل می‌کند.