فشارسنج: چشم ما برای دیدن فشار
فشار چیست و چرا آن را اندازه میگیریم؟
فشار، نیرویی است که بر یک سطح مشخص وارد میشود. وقتی روی برف راه میروید، اگر کفش معمولی بپوشید، ممکن است پای شما در برف فرو برود؛ زیرا نیروی وزن شما روی سطح کوچک کفش متمرکز شده و فشار زیادی ایجاد میکند. اما اگر چوب اسکی بپوشید، وزن شما روی سطح بزرگتری پخش میشود و فشار کمتری وارد میآورد، در نتیجه در برف فرو نمیروید. در دنیای سیالات هم فشار همین نقش را دارد. اندازهگیری فشار در لولههای آب، تایرهای ماشین، سیستمهای گرمایشی و حتی بدن انسان (فشار خون) بسیار مهم است.
انواع اصلی فشارسنج: از لوله U شکل تا صفحهای
فشارسنجها بر اساس نحوه کار به چند دسته اصلی تقسیم میشوند. در ادامه با دو نوع بسیار رایج آشنا میشویم.
| نوع فشارسنج | اصل کار | مزایا | معایب/کاربرد |
|---|---|---|---|
| فشارسنج لوله U شکل3 | بر اساس اختلاف ارتفاع ستون مایع (معمولاً آب یا جیوه) در دو شاخه یک لوله U شکل کار میکند. فشار بیشتر، مایع را در یک سمت پایین و در سمت دیگر بالا میبرد. | ساختار ساده، دقت خوب، هزینه کم | نیاز به خواندن دستی، برای فشارهای خیلی بالا مناسب نیست. در آزمایشگاههای مدرسه استفاده میشود. |
| فشارسنج صفحهای (بوردون)4 | فشار باعث صاف شدن یا باز شدن یک لوله خمیده (لوله بوردون) میشود. این حرکت به یک عقربه منتقل شده و روی صفحه درجهبندی شده نشان داده میشود. | خواندن آسان، قابلیت اندازهگیری فشارهای بالا، بادوام | نیاز به کالیبراسیون، برای فشارهای خیلی پایین خیلی دقیق نیست. روی کپسول گاز و دیگهای بخار دیده میشود. |
| فشارسنج دیجیتال | از یک حسگر الکترونیکی (مانند استرین گیج) استفاده میکند که تغییر فشار را به سیگنال الکتریکی و سپس عدد روی نمایشگر تبدیل میکند. | دقت بسیار بالا، خواندن بسیار آسان، قابلیت اتصال به کامپیوتر | نیاز به باتری یا برق، هزینه بیشتر. در دستگاه فشار خون دیجیتال و صنایع پیشرفته استفاده میشود. |
فشارسنج لوله U شکل: یک آزمایش ساده
بیایید با یک مثال نحوه کار فشارسنج U شکل را دقیقتر ببینیم. فرض کنید یک لوله U داریم که درون آن آب رنگی ریختهایم. ابتدا سطح آب در دو شاخه لوله برابر است. حالا اگر با دهان خود به یکی از شاخهها فوت کنیم (فشار وارد کنیم)، میبینیم سطح آب در آن شاخه پایین رفته و در شاخه دیگر بالا میآید. اختلاف ارتفاع بین دو سطح آب، مستقیم با فشاری که ما وارد کردهایم رابطه دارد.
فشارسنج در عمل: از لاستیک ماشین تا کوهنوردی
فشارسنجها همهجا هستند! وقتی پدر یا مادرتان با یک دستگاه دستی فشار لاستیک5 ماشین را اندازه میگیرند، در حال استفاده از یک فشارسنج کوچک هستند. این دستگاه فشار هوای داخل لاستیک را که معمولاً حدود 32 پاسکال (یا psi) است، نشان میدهد. فشار صحیح باعث ایمنی، مصرف بهینه سوخت و عمر طولانی لاستیک میشود. مثال دیگر، دستگاه فشارسنج روی دیگ بخار یک آشپزخانه صنعتی است. این دستگاه به آشپز کمک میکند فشار داخل دیگ را کنترل کند تا غذا به خوبی و با ایمنی کامل بپزد. حتی کوهنوردان نیز از نوعی فشارسنج (بارومتر) استفاده میکنند تا با اندازهگیری فشار هوا، ارتفاع خود از سطح دریا و پیشبینی آب و هوا را تخمین بزنند.
پرسشهای رایج درباره فشار و فشارسنج
پاسخ: خیر، فشارسنج پزشکی قدیمی (جیوهای) در واقع یک فشارسنج ستون مایع است، اما از نوع لوله مستقیم. یک ستون جیوه در لوله شیشهای وجود دارد. وقتی فشار کیسه باد شده (کاف) به دور بازو تغییر میکند، ستون جیوه بالا و پایین میرود. عدد مقابل بالاترین نقطه جیوه، فشار خون را نشان میدهد. نوع دیجیتال آن نیز از حسگرهای الکترونیکی استفاده میکند.
پاسخ: زیرا جیوه چگالی بسیار بیشتری نسبت به آب دارد (~13600 کیلوگرم بر مترمکعب). طبق فرمول $P = \rho g h$، برای اندازهگیری یک فشار مشخص، هرچه چگالی مایع بیشتر باشد، ارتفاع ستون ($h$) کمتر میشود. بنابراین برای اندازهگیری فشارهای بالا (مثل فشار اتمسفر)، استفاده از جیوه باعث میشود لوله خیلی بلند نشود و دستگاه جمع و جور باشد.
پاسخ: فشار منفی معمولاً به معنای فشاری کمتر از فشار محیط (مثلاً فشار هوا) است. بله، برخی فشارسنجها مانند فشارسنج لوله U شکل میتوانند آن را نشان دهند. در این حالت، سطح مایع در شاخهای که به منبع فشار منفی وصل است، بالا میآید و در شاخه دیگر پایین میرود. این پدیده در دستگاههای مکش یا هنگام استفاده از نی برای نوشیدن مایع رخ میدهد.
پاورقی
1فشارسنج (Manometer): دستگاهی برای اندازهگیری فشار سیالات (مایعات و گازها).
2پاسکال (Pascal - Pa): یکای استاندارد فشار در سیستم متریک. یک پاسکال برابر است با نیروی یک نیوتن بر سطح یک متر مربع.
3فشارسنج لوله U شکل (U-tube Manometer): سادهترین و رایجترین نوع فشارسنج که از یک لوله شیشهای یا پلاستیکی به شکل حرف U ساخته میشود و با اختلاف سطح مایع در دو شاخه خود فشار را نشان میدهد.
4فشارسنج صفحهای یا بوردون (Bourdon Gauge): نوعی فشارسنج مکانیکی که در آن فشار باعث تغییر شکل یک لوله فنری خمیده میشود و این حرکت به یک عقربه روی صفحه مدرج منتقل میگردد.
5لاتستیک (Tire): همان تایر یا لاستیک خودرو.
