فشار: نیروی متمرکز در نقطهای کوچک
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:
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
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.
