جو سنج: پنجره‌ای به روی هوای اطراف ما
فشار هوا چیست و چرا آن را اندازه می‌گیریم؟
هوا، با وجودی که دیده نمی‌شود، وزن دارد. این وزن در اثر نیروی گرانش زمین به وجود می‌آید. ستونی از هوا که از سطح زمین تا بالای جو3 امتداد دارد، بر روی همه چیز فشار وارد می‌کند. به این نیروی وارد بر واحد سطح، فشار هوا می‌گویند. برای درک بهتر، تصور کنید در اعماق اقیانوس باشید؛ آب در آن عمق بر بدن شما فشار زیادی وارد می‌کند. ما در کف اقیانوسی از هوا زندگی می‌کنیم و این هوا نیز بر ما فشار وارد می‌کند، اما چون بدن ما به آن عادت کرده، معمولاً آن را حس نمی‌کنیم.
اندازه‌گیری این فشار به دلایل زیادی مهم است. مهم‌ترین دلیل آن، پیش‌بینی وضع هوا است. وقتی فشار هوا در یک منطقه کم می‌شود، معمولاً خبر از هوای ابری، بارانی یا طوفانی می‌دهد. برعکس، وقتی فشار هوا بالا می‌رود، معمولاً هوای آفتابی و صاف را شاهد خواهیم بود. دلیل دیگر، محاسبه ارتفاع است. با افزایش ارتفاع از سطح دریا، مقدار هوای بالای سر ما کمتر می‌شود، در نتیجه فشار هوا نیز کاهش می‌یابد. خلبانان و کوهنوردان از این اصل برای فهمیدن ارتفاع خود استفاده می‌کنند.
انواع جو سنج و نحوه عملکرد آن‌ها
جو سنج‌ها در طول تاریخ به شکل‌های مختلفی ساخته شده‌اند. هر کدام از این انواع، از یک اصل فیزیکی متفاوت برای اندازه‌گیری فشار هوا استفاده می‌کنند.
| نوع جو سنج | اصل کار | مزایا | معایب |
|---|---|---|---|
| جو سنج جیوه‌ای | تعادل وزن ستون جیوه در لوله با فشار هوا | دقت بسیار بالا، استاندارد طلایی | سمی بودن جیوه، بزرگ و غیرقابل حمل |
| جو سنج فلزی (آنروید)4 | تغییر شکل یک قوطی فلزی خالی از هوا با تغییر فشار | قابل حمل، بی‌خطر، ارزان | کم‌دقت‌تر از نوع جیوه‌ای، نیاز به کالیبره‌شدن |
| جو سنج دیجیتال | استفاده از سنسورهای پیزوالکتریک5 برای اندازه‌گیری تغییرات | بسیار کوچک، دقیق، قابلیت اتصال به سایر دستگاه‌ها | نیاز به منبع برق، پیچیدگی فنی |
جو سنج جیوه‌ای که توسط اوانجلیستا توریچلی در سال 1643 اختراع شد، از یک لوله شیشه‌ای بلند پر از جیوه تشکیل شده که وارونه در یک کاسه جیوه قرار گرفته است. فشار هوا بر سطح جیوه در کاسه فشار وارد کرده و ستون جیوه را در لوله بالا نگه می‌دارد. ارتفاع این ستون، معیاری برای سنجش فشار هوا است. واحد اندازه‌گیری فشار در این سیستم، میلی‌متر جیوه (mmHg) یا اینچ جیوه (inHg) است. رابطه اصلی آن به این صورت است: $ P = \rho g h $ که در آن $ P $ فشار هوا، $ \rho $ چگالی جیوه، $ g $ شتاب گرانش و $ h $ ارتفاع ستون جیوه است.
جو سنج آنروید رایج‌ترین نوعی است که مردم در خانه یا در اخبار آب و هوا می‌بینند. در داخل آن یک قوطی فلزی کوچک و قابل انعطاف وجود دارد که تقریباً تمام هوای آن تخلیه شده است. وقتی فشار هوا افزایش می‌یابد، دیواره‌های این قوطی به سمت داخل فشرده می‌شوند. وقتی فشار کاهش می‌یابد، دیواره‌ها به سمت بیرون منبسط می‌شوند. این حرکت کوچک توسط یک سیستم اهرم مکانیکی تقویت شده و به یک عقربه بر روی صفحه‌ای درجه‌بندی شده منتقل می‌شود.
کاربردهای جو سنج در زندگی روزمره و صنعت
جو سنج فقط یک وسیله علمی در آزمایشگاه نیست، بلکه کاربردهای گسترده‌ای در دنیای واقعی دارد که برخی از آن‌ها را هر روز تجربه می‌کنیم.
پیش‌بینی آب و هوا: ایستگاه‌های هواشناسی در سراسر جهان از شبکه‌ای از جو سنج‌ها استفاده می‌کنند. با ترسیم نقشه‌هایی از مناطق با فشار بالا و فشار پایین (به ترتیب پرفشار و کم‌فشار)، هواشناسان می‌توانند مسیر حرکت توده‌های هوا و سیستم‌های طوفانی را پیش‌بینی کنند. افت ناگهانی فشار اغلب نشانه‌ی نزدیک شدن یک طوفان شدید است.
ارتفاع‌سنجی6: از آنجایی که فشار هوا با ارتفاع کاهش می‌یابد، می‌توان از یک جو سنج برای اندازه‌گیری ارتفاع استفاده کرد. این وسیله که ارتفاع‌سنج نام دارد، در هواپیماها، پهپادها، گوشی‌های هوشمند و توسط کوهنوردان استفاده می‌شود. رابطه تقریبی بین فشار و ارتفاع به این شکل است: با هر 1000 متر افزایش ارتفاع، فشار هوا حدود 12% کاهش می‌یابد.
کاربردهای دیگر: در پزشکی، از جو سنج در دستگاه‌های استریل‌کننده (اتوکلاو) برای نظارت بر فشار استفاده می‌شود. در صنایع غذایی، برای کنترل شرایط انبار کردن مواد غذایی کاربرد دارد. حتی در گوشی‌های هوشمند شما نیز یک سنسور فشار هوا کوچک وجود دارد که به بهبود دقت موقعیت‌یابی (GPS) و شمارش تعداد پله‌ها کمک می‌کند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
1Barometer: ابزاری برای اندازه‌گیری فشار اتمسفر.
2Atmospheric Pressure: نیروی وارد بر واحد سطح ناشی از وزن هوای بالای آن نقطه.
3Atmosphere: لایه‌های گازی اطراف یک سیاره.
4Aneroid: به معنای "بدون مایع" که اشاره به عدم استفاده از مایعی مانند جیوه در ساختار آن دارد.
5Piezoelectric Sensor: سنسوری که فشار مکانیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.
6Altimetry: علم و فناوری اندازه‌گیری ارتفاع.
