گاما رو نصب کن!

{{ number }}
اعلان ها
اعلان جدیدی وجود ندارد!
کاربر جدید

جستجو

پربازدیدها: #{{ tag.title }}

میتونی لایو بذاری!

فشار: مقدار نیروی وارد بر واحد سطح

بروزرسانی شده در: 19:26 1404/09/23 مشاهده: 9     دسته بندی: کپسول آموزشی

فشار: نیروی متمرکز در نقطهای کوچک

چرا فرو رفتن یک میخ در چوب راحت‌تر از فشار دادن انگشت روی همان نقطه است؟ پاسخ در مفهوم «فشار» نهفته است.
در این مقاله، مفهوم فشار1 را به زبان ساده و با مثال‌هایی از زندگی روزمره بررسی می‌کنیم. خواهیم دید که چرا این کمیت فیزیکی در طراحی ابزارها، ساخت ساختمان‌ها و حتی راه رفتن ما نقش اساسی دارد. کلیدواژه‌های اصلی این بحث شامل فشار، نیرو2، سطح3 و کاربرد عملی می‌شوند.

فشار چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟

به زبان ساده، فشار، مقدار نیرویی است که به صورت عمود بر یک سطح مشخص وارد می‌شود. این تعریف را می‌توان با یک فرمول ساده بیان کرد:

فرمول فشار:
$ P = \frac{F}{A} $
در این فرمول:
P نماد فشار (بر حسب پاسکال Pa)
F نماد نیروی عمود بر سطح (بر حسب نیوتن N)
A نماد مساحت سطح تماس (بر حسب متر مربع m^2)

مفهوم این فرمول ساده است: اگر نیروی یکسانی به دو سطح با مساحت‌های متفاوت وارد شود، فشاری که بر سطح کوچک‌تر وارد می‌شود، بسیار بیشتر خواهد بود. تصور کنید با کف دست خود به یک قطعه خمیر بازی فشار وارد کنید. اثر آن کم است. حالا اگر با نوک مداد (با همان نیرو) به همان خمیر فشار دهید، اثر آن عمیق و مشخص خواهد بود. چون نیرو روی سطح بسیار کوچک‌تری (نوک مداد) متمرکز شده است.

انواع فشار در زندگی روزمره

فشار را می‌توان در حالت‌های مختلف ماده مشاهده کرد. درک این دسته‌بندی به فهم مثال‌های اطرافمان کمک می‌کند.

نوع فشار شرح مثال ملموس
فشار در اجسام جامد نیرویی که یک جسم جامد بر سطح دیگری وارد می‌کند. فشار چرخ خودرو روی آسفالت، فشار پایه‌های میز روی کف اتاق، فرو رفتن کفش پاشنه‌بلند در چمن.
فشار در مایعات (فشار هیدرواستاتیک)4 فشاری که یک مایع ساکن به دلیل وزن خود به دیواره‌های ظرف و اجسام داخلش وارد می‌کند. این فشار با عمق افزایش می‌یابد. فشار بیشتر آب در عمق استخر، طراحی سدهای پهن در پایین، بیرون زدن آب از سوراخ‌های پایینی یک بطنی پلاستیکی پر از آب.
فشار در گازها (فشار اتمسفر)5 فشاری که ستون عظیم هوا (اتمسفر) بر سطح زمین و همه چیز وارد می‌کند. چسبیدن درپوش فنجان مکنده به سطح صاف، عمل کردن سرنگ، کم شدن فشار هوا در ارتفاعات و گوش‌گیر شدن.

مهندسی فشار: افزایش یا کاهش آن برای کاربردهای مختلف

انسان‌ها با درک مفهوم فشار، ابزارها و سازه‌هایی ساخته‌اند که نیاز به افزایش یا کاهش آن دارند. این مهندسی هوشمندانه در همه جا دیده می‌شود.

افزایش فشار: وقتی می‌خواهیم نیروی محدودی اثر زیادی بگذارد، سطح تماس را کم می‌کنیم. تیغه‌های تیز چاقو، لبه‌ی تبر و نوک سوزن همگی سطح تماس بسیار کمی دارند تا با نیروی نسبتاً کم، فشار بسیار زیادی ایجاد کنند و برش یا سوراخ کردن را ممکن سازند.

کاهش فشار: وقتی می‌خواهیم از فرو رفتن یک جسم در سطح نرم جلوگیری کنیم، سطح تماس را افزایش می‌دهیم. کفش کتانی با کف پهن، شناورهای برفی (اسکی یا اسنوبرد) و لاستیک‌های عریض تراکتورهای کشاورزی، نمونه‌هایی از این دست هستند. وزن فرد یا ماشین روی سطح بزرگی پخش می‌شود تا فشار وارد شده بر برف یا زمین شخم‌زده کاهش یابد و از فرو رفتن جلوگیری کند.

از میخ تا سد: آزمایش‌های کوچک، اصول بزرگ

بیایید چند آزمایش فکری و عملی ساده انجام دهیم تا اصل فشار را بهتر درک کنیم.

آزمایش ۱: میخ و سکه. یک میخ و یک سکه را در نظر بگیرید. اگر با نیروی یکسانی هر دو را روی یک قطعه یونولیت فشار دهید، نوک تیز میخ به راحتی در آن فرو می‌رود، اما سکه فقط یک فرورفتگی کم‌عمق ایجاد می‌کند. چرا؟ مساحت سطح تماس نوک میخ ( $ A_{میخ} $ ) بسیار کمتر از مساحت سطح سکه ( $ A_{سکه} $ ) است. طبق فرمول، فشار وارد شده توسط میخ ( $ P = \frac{F}{A_{میخ}} $ ) بسیار بیشتر است.

آزمایش ۲: بادکنک روی میخ. اگر یک بادکنک باد شده را روی یک میخ تیز رها کنید، می‌ترکد. اما اگر همان بادکنک را روی یک صفحه پر از میخ (مثلاً 50 عدد) بگذارید، احتمالاً نمی‌ترکد! زیرا در حالت دوم، نیروی وزن بادکنک بین مساحت کلی همهٔ نوک میخ‌ها تقسیم می‌شود. در نتیجه فشار وارد شده بر هر نقطه از سطح بادکنک به حدی کاهش می‌یابد که نمی‌تواند آن را پاره کند.

این اصل دقیقاً در ساخت سدهای آبی نیز به کار می‌رود. فشار آب در اعماق بیشتر است. بنابراین پایه‌های سد (بدنهٔ آن در قسمت پایینی) را بسیار عریض و قطور می‌سازند تا سطح تماس با زمین و مقاومت در برابر آن فشار عظیم افزایش یابد و از شکستن یا واژگونی سد جلوگیری کند.

پرسش‌های رایج و تصورات نادرست

سوال ۱: آیا فشار و نیرو یک چیز هستند؟
پاسخ: خیر. نیرو مقدار کلی «هل دادن» یا «کشیدن» است (بر حسب نیوتن). اما فشار، معیاری است که نشان می‌دهد این نیرو روی چه مساحتی متمرکز شده است. یک فرد 600 نیوتنی روی برف ممکن است فرو برود، اما اگر همین فرد کفش اسکی بپوشد (نیرو ثابت اما سطح افزایش یابد)، فشار کم می‌شود و روی برف شناور می‌ماند.
سوال ۲: چرا وقتی با نی نوشیدنی می‌نوشیم، مایع به سمت بالا می‌آید؟
پاسخ: با مکیدن، مقداری از هوای داخل نی را خارج می‌کنیم. این کار باعث کاهش فشار هوا در داخل نی، در مقابل فشار هوای معمولی روی سطح نوشیدنی در لیوان می‌شود. فشار هوای بیشتر روی سطح نوشیدنی، آن را به سمت بالا و داخل نی هل می‌دهد.
سوال ۳: واحد فشار چیست و یک پاسکال چقدر است؟
پاسخ: واحد استاندارد فشار در سیستم بین‌المللی، پاسکال6 ( Pa ) است. یک پاسکال، فشاری است که یک نیروی 1 نیوتنی به طور یکنواخت بر سطحی به مساحت 1 مترمربع وارد کند. این واحد بسیار کوچک است. فشار جو در سطح دریا حدود 101,000 پاسکال است که معمولاً به صورت 101 کیلوپاسکال ( kPa ) بیان می‌شود.
جمع‌بندی: فشار، مفهومی کلیدی است که رابطهٔ بین نیرو و سطح تماس را بیان می‌کند. این اصل ساده، رفتار اجسام جامد، مایعات و گازها را توضیح می‌دهد و پایهٔ طراحی هزاران ابزار و سازه، از سوزن خیاطی گرفته تا سدهای عظیم و زیردریایی‌ها است. با درک این که «کاهش سطح تماس، فشار را افزایش می‌دهد» و «افزایش سطح تماس، فشار را کاهش می‌دهد»، می‌توانیم علت بسیاری از پدیده‌های اطرافمان را تحلیل کنیم.

پاورقی

1 فشار (Pressure): کمیتی فیزیکی که از تقسیم نیروی عمود بر سطح بر مساحت آن سطح به دست می‌آید.
2 نیرو (Force): هر عاملی که بتواند سبب شتاب گرفتن، تغییر شکل یا تغییر جهت حرکت یک جسم شود. واحد آن نیوتن (N) است.
3 سطح (Area): اندازهٔ یک منطقه دو‌بعدی. واحد آن در سیستم متریک، متر مربع (m²) است.
4 فشار هیدرواستاتیک (Hydrostatic Pressure): فشاری که در یک مایع ساکن، بر اثر وزن خود مایع ایجاد می‌شود و با عمق افزایش می‌یابد.
5 فشار اتمسفر (Atmospheric Pressure): فشاری که ستون هوای اطراف زمین به دلیل وزن خود بر سطح زمین و اجسام وارد می‌کند.
6 پاسکال (Pascal): واحد استاندارد فشار در سیستم بین‌المللی واحدها (SI). یک پاسکال برابر با یک نیوتن بر متر مربع (1 Pa = 1 N/m²) است.

فشار نیرو و سطح فشار در مایعات کاربرد فشار پاسکال