فشار پیمانهای1: شناخت فشاری که میبینیم
فشار چیست؟ از هوای اطراف تا کف اقیانوس
پیش از پرداختن به فشار پیمانهای، باید با خود فشار آشنا شویم. فشار در سادهترین تعریف، مقدار نیرویی است که بر یک سطح مشخص وارد میشود. وقتی روی صندلی مینشینید، وزن شما (نیرو) بر سطح صندلی (سطح) فشار وارد میکند. واحد استاندارد فشار در سیستم بینالمللی پاسکال (Pa) است که به افتخار بلز پاسکال نامگذاری شده است.
هوای اطراف ما نیز دارای وزن است و بر همهچیز فشار وارد میکند. این فشار، فشار اتمسفر3 نام دارد. در سطح دریا، این فشار تقریباً معادل 101,325 Pa است. به این مقدار معمولاً یک اتمسفر استاندارد(1 atm) میگویند. وقتی به ارتفاعات بالا میروید، فشار هوا کم میشود و وقتی به عمق اقیانوس میروید، فشار به شدت افزایش مییابد.
P فشار، F نیروی وارد بر سطح و A مساحت سطح است.
فشار پیمانهای در برابر فشار مطلق: یک تفاوت بنیادی
در اندازهگیری فشار، دو مرجع اصلی داریم: خلا مطلق4 (فشار صفر) و فشار اتمسفر محیط. بر همین اساس، دو نوع تعریف فشار داریم:
| نوع فشار | مرجع اندازهگیری | نماد و فرمول | مثال کاربردی |
|---|---|---|---|
| فشار مطلق2 | خلا مطلق (فشار صفر) | $ P_{abs} $ یا abs | محاسبات هواشناسی، طراحی زیردریایی، علم اتمسفر |
| فشار پیمانهای1 | فشار اتمسفر محیط (معمولاً 1 atm) | $ P_{gauge} $ یا g $ P_{gauge} = P_{abs} - P_{atm} $ |
فشار تایر خودرو، فشار داخل دیگ بخار، فشار سنج پزشکی |
رابطه بین این دو فشار، ساده و بسیار مهم است. فشار پیمانهای، فشار مطلق منهای فشار اتمسفر محیط است. به بیان دیگر، فشار مطلق، مجموع فشار اتمسفر و فشار پیمانهای است: $ P_{abs} = P_{atm} + P_{gauge} $.
اگر فشار داخل یک محفظه دقیقاً برابر فشار هوا باشد، فشار پیمانهای آن صفر خواهد بود. اگر از فشار هوا کمتر باشد (مثل خلاء نسبی در شیشه مربا)، فشار پیمانهای منفی خواهد شد.
فشارسنج: ابزاری برای خواندن فشار پیمانهای
دستگاهای که فشار پیمانهای را اندازه میگیرد و نشان میدهد، فشارسنج5 نام دارد. رایجترین نوع آن فشارسنج بوردون6 است. در این فشارسنج، یک لوله خمیده فلزی وجود دارد که با افزایش فشار داخلی، تمایل به صاف شدن دارد. این حرکت به یک عقربه منتقل شده و بر روی یک صفحه درجهبندی شده، فشار پیمانهای را نشان میدهد.
هنگامی که فشارسنج را به یک تایر پر از هوا وصل میکنید، در واقع فشار داخل تایر را با فشار هوای بیرون مقایسه میکند. عددی که میخوانید (مثلاً 32 psi)، فشار پیمانهای است. یعنی فشار داخل تایر، 32 psi بیشتر از فشار هوای اطراف است.
از تایر خودرو تا کنسرو ماهی: کاربردهای فشار پیمانهای در زندگی
فشار پیمانهای به طور مستقیم و غیرمستقیم در بسیاری از جنبههای زندگی و صنعت نقش دارد. درک آن به ما کمک میکند دنیای اطراف را بهتر بفهمیم.
مثال ۱: تایر خودرو: برچسب روی درب باک خودرو معمولاً عدد بهینه فشار تایر را بر حسب psi یا bar پیشنهاد میدهد. این عدد فشار پیمانهای است. وقتی فشارسنج عدد 32 psi را نشان میدهد، یعنی فشار داخل تایر 32 psi بیشتر از فشار هوای بیرون است. اگر این فشار خیلی کم باشد، تایر فرسوده میشود و مصرف سوخت افزایش مییابد. اگر خیلی زیاد باشد، احتمال ترکیدن تایر وجود دارد.
مثال ۲: قوطی کنسرو یا نوشابه: محتوای این قوطیها معمولاً تحت فشار کمی بالاتر از اتمسفر قرار دارند (فشار پیمانهای مثبت). این فشار به حفظ طعم و جلوگیری از ورود آلودگی کمک میکند. اگر قوطی را تکان دهید و باز کنید، فشار پیمانهای به سرعت کاهش یافته و گاز داخل آن به سرعت بیرون میزند.
مثال ۳: سیستم لولهکشی خانه: فشار آب شهری که به خانه شما میرسد، یک فشار پیمانهای است. شرکت آب، فشار آب را به اندازهای بالاتر از فشار اتمسفر نگه میدارد تا آب بتواند به طبقات بالا نیز برسد. اگر این فشار خیلی کم شود، دوش آب قدرت کافی نخواهد داشت.
مثال ۴: دستگاه فشارسنج خون (اسفنگومانومتر): این دستگاه فشار خون را اندازه میگیرد. عددی که گزارش میشود (مانند 120/80 mmHg)، یک فشار پیمانهای است. یعنی فشار داخل شریانها نسبت به فشار اتمسفر چقدر است. فشارسنج خون در واقع اختلاف فشار بین داخل بازوبند و فشار اتمسفر را نشان میدهد.
چرا فشار پیمانهای؟ مزایای استفاده در اندازهگیری
شاید بپرسید چرا به جای فشار مطلق، از فشار پیمانهای استفاده میکنیم؟ پاسخ در کاربردی بودن و سادگی آن است. در بیشتر کاربردهای مهندسی و روزمره، فشار اتمسفر محیط به عنوان یک سطح مبنا ثابت در نظر گرفته میشود. چیزی که برای ما مهم است، اختلاف فشار با همین محیط است. این اختلاف فشار است که باعث جریان آب میشود، تایر را سفت نگه میدارد و یا قدرت یک دیگ بخار را مشخص میکند.
همچنین، ساخت فشارسنجی که فشار مطلق را اندازه بگیرد (مانند بارومتر جیوهای) پیچیدهتر و گرانتر است. فشارسنج پیمانهای سادهتر، مقاومتر و ارزانتر است و برای اکثر نیازها کافی است.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
مثال: وقتی با یک تلمبه، هوا را از داخل یک شیشه مربا خارج میکنید، فشار داخل شیشه کاهش مییابد. اگر فشارسنجی به آن وصل کنید، عدد منفی نشان میدهد. این عدد، فشار پیمانهای منفی است که نشاندهنده اختلاف فشار به نفع فشار هوای بیرون است. همین فشار منفی است که درب شیشه را محکم نگه میدارد.
پاورقی و واژهنامه
1 فشار پیمانهای (Gauge Pressure): فشار نسبی اندازهگیری شده نسبت به فشار اتمسفر محیط. در برخی متون به «فشار نسبی» یا «فشار سنجیده» نیز ترجمه شده است.
2 فشار مطلق (Absolute Pressure): فشار اندازهگیری شده نسبت به خلا مطلق (صفر مطلق فشار).
3 فشار اتمسفر (Atmospheric Pressure): فشار ناشی از وزن ستون هوای بالای سطح زمین.
4 خلا مطلق (Absolute Vacuum): شرایط تئوری که در آن هیچ مولکول گازی وجود ندارد و فشار صفر است.
5 فشارسنج (Pressure Gauge): وسیلهای برای اندازهگیری فشار پیمانهای.
6 لوله بوردون (Bourdon Tube): یک لوله فلزی خمیده که اساس کار بسیاری از فشارسنجهای مکانیکی را تشکیل میدهد.
psi: پوند بر اینچ مربع (Pound per Square Inch)، یک واحد رایج برای اندازهگیری فشار.
bar: یک واحد فشار تقریباً معادل فشار اتمسفر در سطح دریا.
mmHg: میلیمتر جیوه، واحد اندازهگیری فشار که در پزشکی و هواشناسی کاربرد دارد.
