پاسکال: نیروی یک نیوتون بر مساحت یک متر مربع
فشار چیست و چگونه محاسبه میشود؟
بیایید با یک مثال ساده شروع کنیم. آیا تا به حال روی برف راه رفتهاید؟ اگر با کفش معمولی روی برف بروید، پاهایتان درون برف فرو میرود. اما اگر کفش اسکی بپوشید، به راحتی روی سطح برف میلغزید بدون اینکه فرو بروید. دلیل این اتفاق، مفهوم فشار است. فشار در واقع میزان نیروی وارد بر یک مساحت مشخص است.
وزن شما (نیرو) در هر دو حالت یکسان است، اما در اسکی، این نیرو روی سطح بسیار بزرگتری (طول اسکیها) پخش میشود. در نتیجه، نیروی کمتر در واحد سطح (یعنی فشار کمتر) به برف وارد میشود و شما فرو نمیروید. فرمول اصلی فشار به صورت زیر است:
$ P = \frac{F}{A} $
که در آن:
P = فشار
F = نیروی وارد بر سطح (بر حسب نیوتون)
A = مساحت سطح (بر حسب متر مربع)
پس فشار با نیرو رابطهٔ مستقیم و با مساحت رابطهٔ عکس دارد. یعنی هر چه نیروی بیشتری وارد کنیم یا مساحت کوچکتری داشته باشیم، فشار بیشتر میشود. برعکس، اگر نیرو را کاهش دهیم یا نیرو را روی مساحت بزرگتری پخش کنیم، فشار کاهش مییابد.
پاسکال: واحدی که ترکیب دو مفهوم است
همانطور که گفتیم، فشار از تقسیم نیرو بر مساحت به دست میآید. واحد استاندارد نیرو، نیوتون (N) و واحد استاندارد مساحت، متر مربع (m^2) است. بنابراین، واحد فشار میشود: نیوتون بر متر مربع.
این واحد، نام خود را از دانشمند بزرگ فرانسوی، بلز پاسکال، گرفته است که تحقیقات مهمی در زمینهٔ فشار سیالات انجام داد. از این رو، به جای گفتن «نیوتون بر متر مربع»، به سادگی میگوییم «پاسکال» و آن را با نماد Pa نشان میدهیم.
یک پاسکال (1 Pa) یعنی وقتی یک نیروی 1 N به طور یکنواخت بر یک سطح مسطح به مساحت 1 m^2 وارد شود. برای درک بهتر، یک سیب معمولی را تصور کنید. وزن یک سیب متوسط تقریباً برابر با 1 N است! حالا اگر این سیب را روی یک میز بسیار بزرگ به مساحت دقیقاً 1 m^2 (مثلاً یک برگهٔ پوستر خیلی بزرگ) قرار دهید، فشار وارد شده از سمت سیب به میز، حدود 1 Pa خواهد بود.
| موقعیت یا وسیله | فشار تقریبی | توضیح |
|---|---|---|
| فشار هوا در سطح دریا | 101,325 Pa | این فشار نرمال اتمسفر است و ما همیشه زیر این فشار زندگی میکنیم. |
| تایر دوچرخه | 300,000 - 400,000 Pa | برای تحمل وزن دوچرخه و سوارکار، هوا داخل لاستیک را بسیار فشرده میکنند. |
| نوک مداد تراشنخورده روی کاغذ | چند میلیون Pa | نیروی دست روی مساحت بسیار کوچک نوک مداد متمرکز میشود و فشار زیادی ایجاد میکند. |
| کفش پاشنهبلند روی زمین چوبی | 2,000,000 Pa | کل وزن فرد روی مساحت کوچک پاشنه متمرکز شده و میتواند حتی به کف آسیب بزند. |
پاسکال در زندگی روزمره: از تایر خودرو تا دستگاه تزریق
واحد پاسکال در بسیاری از دستگاهها و پدیدههای اطراف ما نقش دارد. وقتی فشار باد تایر خودروی خانواده را با دستگاه فشارسنج چک میکنید، عددی که میبینید معمولاً بر حسب پاسکال یا یکای بزرگتر آن مثل kPa (کیلوپاسکال، یعنی 1000 Pa) است. فشار مناسب تایر برای ایمنی و مصرف بهینه سوخت ضروری است.
مثال دیگر، سرنگ است. وقتی پیستون سرنگ را فشار میدهید، نیرویی به مایع داخل آن وارد میکنید. این نیرو بر سطح مقطع داخلی سرنگ تقسیم میشود و فشار زیادی ایجاد میکند که مایع را از نوک سوزن بسیار باریک بیرون میراند. این اصل در بسیاری از ماشینآلات هیدرولیک مانند جرثقیلهای ماشینی یا پرسهای قوی نیز استفاده میشود.
حتی در طبیعت هم پاسکال حضور دارد. فشار آب در اعماق دریاها به دلیل وزن آبهای بالایی، بسیار زیاد است. فشار در عمق 10 متری آب دریا، تقریباً دو برابر فشار هوا در سطح دریا (حدود 200 kPa) است. به همین دلیل است که غواصان باید بسیار مراقب باشند و از تجهیزات ویژه استفاده کنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، فشار و نیرو یکی نیستند. نیرو کمیت اصلی است (مثل وزن شما)، اما فشار، چگالی و تمرکز آن نیرو بر روی یک سطح را نشان میدهد. یک نیروی کوچک اگر روی مساحت بسیار کوچکی متمرکز شود (مثل نوک سوزن)، میتواند فشار فوقالعاده زیادی ایجاد کند و سطوح سخت را سوراخ کند. این همان دلیلی است که میتوان با سوزن بادکنک را ترکاند، در حالی که فشار دادن آن با کف دست ممکن است کاری نکند.
پاسخ: این فشار بر همهجای بدن ما وارد میشود. اما ما له نمیشویم زیرا مایعات و گازهای داخل بدن ما (مثل خون و هوای داخل ریهها) نیز فشار درونی تقریباً برابری به سمت بیرون وارد میکنند. این دو فشار متعادل میشوند و ما هیچ احساس ناراحتی نمیکنیم. این وضعیت دقیقاً مثل زمانی است که یک بادکنک باد شده را در دست میگیرید؛ فشار هوای داخل و خارج بادکنک در حالت عادی برابر است و بادکنک تغییر شکل محسوسی نمیدهد.
پاورقی
1 فشار (Pressure): کمیتی فیزیکی که به صورت نیرو بر واحد سطح تعریف میشود.
2 بلز پاسکال (Blaise Pascal): دانشمند، ریاضیدان و فیزیکدان فرانسوی قرن هفدهم میلادی.
3 نیوتون (Newton) - N: یکای نیرو در سیستم متریک. نیرویی که به جرم یک کیلوگرم، شتاب یک متر بر مجذور ثانیه میدهد.
4 متر مربع (Square metre) - m²: یکای استاندارد مساحت.
