دماسنج کمینهبیشینه: ثبتکنندهٔ اوج و حضیض دمای روز
دماسنج کمینه-بیشینه چیست و چرا به آن نیاز داریم؟
فرض کنید میخواهید بدانید در طول یک روز سرد زمستانی، هوا در گرمترین لحظه چقدر گرم و در سردترین لحظه چقدر سرد شده است. استفاده از یک دماسنج عادی که فقط دمای همان لحظه را نشان میدهد، پاسخگو نیست. اینجاست که دماسنج کمینه-بیشینه وارد عمل میشود. این دماسنج مانند یک یادداشتنگار هوشمند برای دما عمل میکند؛ به طوری که با بالا و پایین رفتن دما، نشانگرهای کوچکی را در مسیر خود حرکت میدهد و آنها را در نقطهٔ اوج یا حضیض دما رها میکند. بنابراین، حتی اگر شما در سردترین ساعت شب خواب باشید یا در گرمترین ساعت روز در مدرسه، باز هم میتوانید با نگاه کردن به این دماسنج، مقادیر ثبتشده را بخوانید.
ایدهٔ اصلی این ابزار، بر پایهٔ انبساط و انقباض مواد (مانند الکل یا فلز) با تغییر دما بنا شده است. با گرم شدن، ماده منبسط میشود و ستون مایع در لوله بالا میرود یا نوار فلزی خم میشود. با سرد شدن، عکس این عمل رخ میدهد. نکتهٔ هوشمندانه در طراحی این است که مکانیسمهایی وجود دارند که این حرکت را به خاطر میسپارند.
انواع دماسنجهای کمینه-بیشینه و طرز کار آنها
دو نوع رایج از این دماسنجها وجود دارد که هر کدام مکانیسم جالب و متفاوتی دارند.
| نوع دماسنج | مواد اصلی | مکانیسم ثبت کمینه/بیشینه | مزایا |
|---|---|---|---|
| نوع لولهای U شکل (الکلی) | الکل رنگی، جیوه یا مایع ویژه در یک لوله U شکل. دو نشانگر فولادی کوچک در هر بازو. | حرکت مایع، نشانگرها را در لوله میراند. مایع از زیر نشانگرها عبور میکند، اما نشانگرها به دلیل اصطکاک در جای خود باقی میمانند و کمینه و بیشینه را نشان میدهند. | دقیق، ارزان، بدون نیاز به باتری. برای آموزش مفاهیم فیزیکی عالی است. |
| نوع فنری (بیمتال یا بوردون) | نوار دوفلزی (بیمتال3) یا لولهٔ بوردون4 فنری. | انبساط فلز باعث چرخش یک محور میشود. دو عقربهٔ کوچک توسط مکانیزم چرخدندهای روی این محور قرار میگیرند و آنها را هل میدهد اما عقربهها بهطور خودکار برنمیگردند. | مقاومتر، قابلیت ساخت در ابعاد بزرگتر (مثلاً برای نصب روی دیوار). |
فرمول سادهای که اساس کار بسیاری از دماسنجها است، رابطهٔ بین تغییر حجم و تغییر دما است:
$\Delta V = \beta V_0 \Delta T$
در این فرمول، $\Delta V$ تغییر حجم مایع، $\beta$ ضریب انبساط حجمی ماده، $V_0$ حجم اولیه و $\Delta T$ تغییر دما است. هرچه تغییر دما بیشتر باشد، تغییر حجم و در نتیجه حرکت ستون مایع یا تغییر شکل فلز بیشتر خواهد بود.
چگونه دماسنج را بخوانیم و دوباره آماده کنیم؟
خواندن این دماسنجها بسیار ساده است. معمولاً یک مقیاس درجهبندی شده در پشت لوله یا صفحه قرار دارد. نشانگر کمینه (که اغلب با رنگ آبی یا شکل خاصی مشخص شده) کمترین دمای ثبتشده و نشانگر بیشینه (که با رنگ قرمز مشخص میشود) بیشترین دمای ثبتشده را نشان میدهد. دمای کنونی نیز توسط انتهای ستون مایع یا یک عقربهٔ جداگانه مشخص میشود.
پس از ثبت مقادیر و یادداشتبرداری، باید دماسنج را بازنشانی کنیم تا برای دورهٔ اندازهگیری جدید آماده شود. روش بازنشانی بسته به نوع دماسنج متفاوت است:
- نوع لولهای: معمولاً با یک آهنربا انجام میشود. شما آهنربا را در کنار لوله حرکت میدهید تا نشانگرهای فولادی را به آرامی به پایین ستون مایع (برای تماس با سطح مایع) برگردانید.
- نوع عقربهای: معمولاً یک دکمهٔ کوچک روی صفحه وجود دارد که با فشار دادن آن، هر دو عقربهٔ کمینه و بیشینه به موقعیت عقربهٔ دمای کنونی بازمیگردند.
همیشه باید بازنشانی را به آرامی انجام داد تا به مکانیسم ظریف داخلی آسیب نرسد.
کاربردهای جالب دماسنج کمینه-بیشینه در زندگی و علم
این دماسنج فقط یک وسیلهٔ تزئینی برای ایستگاههای هواشناسی خانگی نیست. کاربردهای عملی فراوانی دارد:
باغبانی و کشاورزی: بسیاری از گیاهان به دماهای بحرانی حساس هستند. یک شب یخبندان (دمای زیر 0°C) میتواند محصول یک سال را نابود کند. باغبانان با نصب این دماسنج در باغ یا گلخانه، میتوانند کمینهٔ دمای شب گذشته را کنترل کنند و در صورت نزدیک شدن به حد خطر، اقدامات حفاظتی (مانند پوشاندن گیاهان) را انجام دهند.
آموزش علوم: این وسیله یک آزمایشگاه فیزیک کوچک است! دانشآموزان میتوانند با آن، مفاهیم انبساط، انقباض، اصطکاک، نیرو و ثبت دادهها را به صورت عینی و ملموس بیاموزند. مثلاً میتوانند تاثیر محل نصب (آفتاب یا سایه) بر روی بیشینهٔ دما را بررسی کنند.
پایش محیطهای حساس: در انبار داروها، مواد غذایی یا آثار موزهای که باید در محدودهٔ دمایی مشخصی نگهداری شوند، از این دماسنجها برای اطمینان از عدم تجاوز دما از حد مجاز استفاده میشود. اگر در گزارش روزانه مشاهده شود که دما از حد مجاز فراتر رفته، میتوان علت را جستجو و برطرف کرد.
هواشناسی آماتور: علاقهمندان به هواشناسی میتوانند با ثبت روزانهٔ کمینه و بیشینهٔ دما و مقایسهٔ آنها، الگوهای آبوهوایی منطقهٔ خود را بهتر درک کرده و حتی دادههای ارزشمندی جمعآوری کنند.
پرسشهای متداول و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج است. نشانگرها فقط وقتی حرکت میکنند که ستون مایع آنها را به جلو براند. اگر دما کاهش یابد و نشانگر بیشینه در جای خود بالا بماند، با پایین آمدن سطح مایع، یک فاصلهٔ خالی بین انتهای ستون مایع و نشانگر ایجاد میشود. این فاصله، طبیعی است و نشان میدهد که دمای کنونی از بیشینهٔ ثبتشده کمتر است. نشانگر تنها با نیروی فیزیکی (مانند استفاده از آهنربا برای بازنشانی) یا با رانده شدن توسط مایع در یک جهت دیگر جابهجا میشود.
پاسخ: جیوه به دلیل نقطه انجماد بسیار پایین (-39°C) و نقطه جوش بالا، برای اندازهگیری دماهای بسیار پایین یا بالا مناسب بود. اما سمی است و اگر لوله بشکند، خطرناک خواهد بود. الکل (که معمولاً با رنگ قرمز یا آبی رنگآمیزی میشود) بیخطرتر است و انبساط آن نیز خوب است، اما نقطه جوش پایینی دارد (78°C). امروزه به دلیل خطرات جیوه، در اکثر دماسنجهای جدید از الکل یا مایعات ایمن مشابه استفاده میکنند.
پاسخ: اگر بازنشانی نکنیم، نشانگرها در مقادیر قبلی باقی میمانند. با تغییر دما، ممکن است یک نشانگر جدید، رکورد قبلی را بشکند و آن را جابهجا کند، اما نشانگر دیگر (که مربوط به حد متضاد دما است) در جای خود ثابت میماند. بنابراین، مقادیر نمایشدادهشده لزوماً مربوط به آخرین بازهٔ زمانی (مثلاً امروز) نخواهند بود، بلکه ممکناست ترکیبی از رکوردهای چند روز گذشته باشند و دادهها نادرست شوند.
پاورقی
1کمینه (Minimum): به کمترین مقدار یک کمیت (در اینجا دما) در یک بازهٔ زمانی گفته میشود. معادل انگلیسی: Minimum.
2بیشینه (Maximum): به بیشترین مقدار یک کمیت (در اینجا دما) در یک بازهٔ زمانی گفته میشود. معادل انگلیسی: Maximum.
3بیمتال (Bimetal): نوار یا قطعهای ساختهشده از دو فلز مختلف که ضرایب انبساط گرمایی متفاوتی دارند. هنگام گرم یا سرد شدن، این نوار خم میشود. این خمش میتواند یک عقربه را حرکت دهد یا یک کنتاکت الکتریکی را باز و بسته کند.
4لولهٔ بوردون (Bourdon Tube): یک لولهٔ فلزی خمیده و توخالی که یک سر آن بسته است. با تغییر فشار داخل لوله (که میتواند ناشی از انبساط مایع یا گاز حساس به دما باشد)، لوله تمایل به راست شدن یا بیشتر خم شدن دارد و این حرکت به یک عقربه منتقل میشود.
5مخزن (Bulb): قسمت حجیم و معمولاً کروی شکل در انتهای برخی دماسنجها که حاوی قسمت عمدهٔ مایع حساس به دما است.
