فشار سیال: نیروی نامرئی در اطراف ما
سیال چیست؟ از آب تا هوا
به هر مادهای که بتواند جاری شود و شکل ظرف خود را بهراحتی بگیرد، سیال4 میگوییم. مایعات و گازها هر دو سیال هستند. آب، روغن و شیر، نمونههایی از مایعات هستند. هوا (که مخلوطی از گازهاست)، هلیوم داخل بادکنک و بخار آب نیز گاز محسوب میشوند. نقطه مشترک همهٔ آنها این است که ذرات تشکیلدهندهشان میتوانند به آسانی روی هم بلغزند و حرکت کنند.
وقتی این ذرات در حال حرکت یا حتی ساکن باشند، به هر سطحی که با آن در تماس هستند، نیرو وارد میکنند. به نیروی عمودی5 وارد بر واحد سطح، فشار میگوییم. اگر این نیرو را با F و مساحت سطح را با A نشان دهیم، فرمول فشار به این صورت است:
$ P = \frac{F}{A} $
که در آن:
P فشار، F نیروی عمودی و A مساحت سطح تماس است. واحد فشار در سیستم متریک، پاسکال (Pa) یا نیوتن بر مترمربع (N/m²) است.
مثال: اگر کفش پاشنهبلند شما مساحت بسیار کوچکی (مثلاً 1 cm²) با زمین تماس داشته باشد، نیروی وزن شما روی سطح کوچکی متمرکز شده و فشار زیادی به کف زمین وارد میکند (احتمالاً فرورفتگی ایجاد کند). اما کفش ورزشی با کف پهن، همان نیرو را روی مساحت بیشتری پخش کرده و فشار کمتری وارد میکند.
فشار در مایعات: هرچه عمیقتر، فشار بیشتر
فشار در یک مایع ساکن (مانند آب در استخر) را فشار هیدرواستاتیک مینامند. دو عامل مهم بر این فشار اثر میگذارند: چگالی6 مایع و عمق. هرچه به اعماق یک مایع برویم، وزن ستون مایع بالای سرمان بیشتر شده و در نتیجه فشار افزایش مییابد. به همین دلیل است که در استخر، وقتی به عمق 3 متری میروید، فشار روی پردهٔ گوشتان بسیار بیشتر از زمانی است که در سطح آب هستید.
فرمول فشار هیدرواستاتیک در عمق h به صورت زیر است:
که در آن:
P فشار هیدرواستاتیک، $\rho$ چگالی مایع، $g$ شتاب جاذبه و $h$ عمق از سطح مایع است.
| عمق (متر) | فشار تقریبی (پاسکال) | تجربه/مثال |
|---|---|---|
| 0 (سطح) | ~101,000 | فشار اتمسفر معمولی |
| 1 | ~111,000 | فشار در استخر کمعمق |
| 10 | ~201,000 | نیاز غواصان به رعایت موارد ایمنی |
| 11000 (عمیقترین نقطه اقیانوس) | ~1.1 × 10⁸ | فشاری معادل قرار دادن یک خودروی سواری روی ناخن انگشت! |
قانون پاسکال: انتقال فشار در همهجا
یکی از قوانین بسیار مهم در فشار سیال، قانون پاسکال است. این قانون میگوید: فشار وارد بر یک سیال محبوس7، بدون کاستی به تمام نقاط سیال و دیوارههای ظرف آن منتقل میشود. به زبان ساده، اگر شما به یک نقطه از یک سیال (مثلاً روغن در یک سیلندر) فشار وارد کنید، این فشار عیناً به همهٔ قسمتهای دیگر آن نیز منتقل خواهد شد.
کاربرد این قانون را میتوان در جک هیدرولیک مشاهده کرد. یک نیروی کوچک روی پیستون کوچک وارد میشود، این نیرو در سیال ایجاد فشار میکند و طبق قانون پاسکال، این فشار به پیستون بزرگتر منتقل شده و نیروی بسیار بزرگی برای بلند کردن اجسام سنگین (مثل خودرو) ایجاد میکند. فرمول سادهشده آن این است:
$ \frac{F_1}{A_1} = \frac{F_2}{A_2} $ زیرا فشار (P) در هر دو طرف برابر است.
فشار در گازها: لایهٔ نامرئی محافظ زمین
گازها نیز مانند مایعات فشار وارد میکنند. هوای اطراف ما دارای وزن است و به دلیل جاذبهٔ زمین، این وزن به صورت فشار بر همه چیز وارد میشود که به آن فشار اتمسفر8 میگوییم. این فشار در سطح دریا حداکثر است و با بالا رفتن (مثلاً کوهنوردی) کاهش مییابد، زیرا ستون هوای بالای سر ما کوتاهتر میشود.
یک تفاوت مهم گاز با مایع این است که گاز تراکمپذیر9 است. یعنی میتوان حجم آن را به راحتی تغییر داد. اگر گازی را در یک محفظهٔ سربسته فشرده کنیم (مثلاً با فشار دادن سرنگ بسته)، تعداد برخورد مولکولهای گاز به دیواره در واحد زمان افزایش یافته و فشار داخل زیاد میشود. این رابطه با قانون بویل توصیف میشود: در دمای ثابت، فشار یک گاز با حجم آن رابطهٔ معکوس دارد. $ P \propto \frac{1}{V} $ یا $ P_1 V_1 = P_2 V_2 $.
فشار سیال در عمل: از بدن انسان تا صنعت
فشار سیال تنها یک مفهوم کتابی نیست؛ هزاران کاربرد عملی در اطراف ما دارد:
- سیستم گردش خون: قلب شما با ایجاد فشار، خون (یک مایع) را در رگهای خونی به تمام بدن پمپاژ میکند. پزشکان با اندازهگیری فشار خون سلامت این سیستم را بررسی میکنند.
- ترمزهای هیدرولیک خودرو: وقتی پدال ترمز را فشار میدهید، نیروی پای شما به روغن ترمز (سیال) منتقل شده و طبق قانون پاسکال، این فشار به چرخها منتقل میشود تا لنتها را به دیسک چرخ بفشارند و خودرو متوقف شود.
- بالابر هیدرولیک: همان جک خودرو که قبلاً گفتیم، برای بلند کردن کامیونهای سنگین در تعمیرگاهها استفاده میشود.
- آبپاش و تفنگ آب: با افزایش فشار آب در شلنگ (مثلاً با تنگ کردن سر شلنگ یا پمپاژ بیشتر)، سرعت و برد پاشش آب افزایش مییابد.
- زندگی آبزیان: ماهیها و موجودات عمق دریا برای تحمل فشار هیدرواستاتیک زیاد، سازگاریهای فیزیولوژیکی خاصی پیدا کردهاند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 فشار سیال (Fluid Pressure)
2 فشار هیدرواستاتیک (Hydrostatic Pressure)
3 قانون پاسکال (Pascal's Law / Pascal's Principle)
4 سیال (Fluid)
5 عمودی (Perpendicular)
6 چگالی (Density)
7 محبوس (Confined)
8 فشار اتمسفر (Atmospheric Pressure)
9 تراکمپذیر (Compressible)
