فشار در بادکنک: از باد کردن تا ترکیدن
بادکنک: یک آزمایشگاه کوچک فیزیکی
یک بادکنک ساده، ابزاری عالی برای درک برخی قوانین پایهٔ علم فیزیک و شیمی است. وقتی در بادکنک میدمیم، در واقع داریم چند چیز را همزمان تغییر میدهیم: مقدار (تعداد مولکولهای) هوا، فضای اشغالشده (حجم) و نیرویی که این مولکولها به دیواره وارد میکنند (فشار).
در ابتدای باد کردن، کش آمدن بادکنک آسان است. اما هرچه بیشتر باد شود، باد کردن آن سختتر میشود. اینجا است که مفهوم فشار خودش را نشان میدهد. فشار در واقع نیرویی است که بر یک سطح مشخص وارد میشود. درون بادکنک، میلیاردها مولکول گاز به طور مداوم و با سرعت بالا در حال حرکت و برخورد با دیوارههای لاستیکی هستند. هر برخورد یک نیروی کوچک ایجاد میکند. مجموع این نیروهای کوچک بر مساحت دیواره، همان فشار داخلی است.
رابطهٔ حجم و فشار: قانون بویل
برای فهم بهتر، میتوانیم یک آزمایش ذهنی انجام دهیم. فرض کنید یک بادکنک نیمهباد شده دارید. اگر هوای بیشتری وارد آن نکنید (یعنی تعداد مولکولها ثابت بماند) اما سعی کنید آن را با دست فشار دهید و کوچک کنید، چه میشود؟ احساس میکنید بادکنک سفتتر میشود و به دستتان فشار میآورد. این دقیقاً نشاندهندهٔ قانون بویل است: در دمای ثابت، حجم یک گاز با فشار آن رابطهٔ معکوس دارد. یعنی اگر حجم کاهش یابد، فشار افزایش مییابد و برعکس.
این رابطه را میتوان به صورت زیر نشان داد: $P \propto \frac{1}{V}$ یا $PV = k$ (که در آن k یک عدد ثابت است).
حالا حالت عکس را در نظر بگیرید: وقتی در بادکنک میدمیم، هم تعداد مولکولها و هم حجم را افزایش میدهیم. اما افزایش حجم به یک حد میرسد، زیرا لاستیک فقط تا حدی میتواند کش بیاید. پس از آن، با ادامهٔ دمیدن، حجم خیلی افزایش نمییابد، اما تعداد مولکولها (و برخوردهای آنها با دیواره) همچنان زیاد میشود. نتیجه؟ افزایش شدید فشار داخلی!
| مرحله | حجم | تعداد مولکول هوا | فشار داخلی | وضعیت بادکنک |
|---|---|---|---|---|
| تازه شروع شده | کم | کم | کم | بادکردن آسان |
| نیمه باد | متوسط | متوسط | متوسط | کمی سفت شده |
| حجم نزدیک به حداکثر | زیاد (ثابت میشود) | بسیار زیاد | بسیار زیاد | خیلی سفت، خطر ترکیدن بالا |
فشار در عمل: از توپ فوتبال تا لاستیک خودرو
مفهوم فشار فقط به بادکنک محدود نمیشود. در اطراف ما مثالهای زیادی وجود دارد:
توپ ورزشی: یک توپ فوتبال یا بسکتبال باید به اندازهٔ مناسب باد شود. اگر فشار هوای داخل کم باشد، توپ خوب نمیجهد و کنترل آن سخت است. اگر هم بیش از حد باد شود، ممکن است در حین ضربهٔ محکم بترکد. روی توپها معمولاً محدودهٔ فشار مجاز نوشته شده است.
لاستیک خودرو: این یک مثال بسیار مهم برای ایمنی است. لاستیکها باید با فشار هوای مشخصی پر شوند. فشار کم باعث افزایش مصرف سوخت و سایش ناهمگون لاستیک میشود. فشار زیاد هم باعث کاهش چسبندگی خودرو به جاده و افزایش خطر ترکیدن در سرعتهای بالا میگردد. رانندگان با یک فشارسنج ساده مرتب فشار لاستیکها را چک میکنند.
خمیر شیرینی: وقتی خمیر را درون یک سیلندر (مثل دستگاه پفک ساز یا برخی قیفهای شیرینیپزی) قرار میدهند و آن را تحت فشار قرار میدهند، خمیر از سوراخ کوچکی خارج و به شکل خاصی درمیآید. این تغییر شکل بر اثر اعمال فشار به ماده است.
چرا بادکنک نقطهای خاص میترکد؟
شاید دقت کرده باشید که بادکنک همیشه یکباره و به صورت یک پارگی بزرگ پاره نمیشود. معمولاً ترکیدن از یک نقطه شروع میشود. دلیل این است که ضخامت و استحکام لاستیک بادکنک در تمام نقاط آن کاملاً یکسان نیست. ممکن است در نقطهای کمی نازکتر یا یک خراش کوچک نامرئی وجود داشته باشد. وقتی فشار داخلی از حد تحمل ضعیفترین نقطه بگذرد، پارگی از آنجا شروع شده و به سرعت در کل بادکنک گسترش مییابد. به این حالت «شکست[4]» میگویند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، اما دیرتر و با حجم کمتر. آب بر خلاف هوا، تقریباً تراکم[5] ناپذیر است. یعنی به سختی فشرده میشود. وقتی آب داخل بادکنک میریزید، با کمی افزایش حجم، فشار داخل به شدت بالا میرود و بادکنک زودتر پاره میشود. البته معمولاً قبل از ریختن آب، بادکنک پاره میشود چون کشش لاستیک برای جابجایی مایع سنگین کافی نیست.
پاسخ: این مربوط به کشش سطحی و توزیع نیرو است. در بادکنک گرد، فشار داخلی به طور یکنواختتری روی سطح بزرگ و منحنی دیواره پخش میشود. اما در بادکنکهای بلند و نازک (مثل سوسیس)، در نقاط خمیدگی یا باریک، نیروی فشار متمرکزتر شده و احتمال پارگی بیشتر میشود.
پاسخ: با سرد شدن هوا، سرعت حرکت مولکولهای گاز داخل بادکنک کم میشود. برخوردهای ملایمتر به معنای فشار داخلی کمتر است. بنابراین بادکنک کمی کوچک و چروک به نظر میرسد. وقتی دوباره آن را به محیط گرم برگردانید، فشار افزایش یافته و به اندازهٔ اول برمیگردد (البته اگر ترکیده نباشد!).
پاورقی
[1] حجم (Volume): میزان فضایی که یک ماده اشغال میکند. واحد آن میتواند لیتر یا مترمکعب باشد.
[2] فشار (Pressure): نیروی وارد بر واحد سطح. در سیستم بینالمللی واحدها، پاسکال (Pa) واحد آن است. فشار هوا معمولاً با اتمسفر (atm) یا بار (bar) نیز سنجیده میشود.
[3] کشش سطحی (Surface Tension): خاصیتی در سطح مایعات و مواد کشسان (مثل لاستیک) که باعث میشود سطح آنها مانند یک لایهٔ کشیده رفتار کند و در برابر گسترش مقاومت نماید.
[4] شکست (Fracture): به جدا شدن یا ترک خوردن یک ماده جامد تحت نیرو گفته میشود.
[5] تراکم پذیری (Compressibility): معیاری برای سنجش میزان کاهش حجم یک ماده تحت اثر فشار.
