فشارسنج جیوهای: معلم قدیمی هواشناسی
فشار هوا چیست و چرا باید آن را اندازه بگیریم؟
هوا، مانند آب دریا، وزن دارد. لایهی ضخیمی از هوا که دور کرهی زمین را فراگرفته، به همهچیز روی سطح زمین فشار وارد میکند. این همان فشار هوا3 یا فشار جو است. ما معمولاً این فشار را احساس نمیکنیم چون بدن ما به آن عادت کرده، اما این فشار دلیل اصلی بسیاری از پدیدههاست. مثلاً وقتی نوشابهای را میمکید، در واقع با کم کردن فشار هوا داخل نی، فشار هوای بیرون نوشابه را به داخل نی میراند.
اندازهگیری فشار هوا مهم است چون تغییرات آن، خبر از تغییرات آب و هوایی میدهد. معمولاً فشار هوای بالا به معنای هوای صاف و آفتابی و فشار هوای پایین نشانهی احتمال بارش باران، ابری شدن یا وقوع طوفان است. به همین دلیل، اندازهگیری دقیق آن برای کشاورزان، خلبانها و همهی ما اهمیت دارد.
فشارسنج جیوهای از چه قسمتهایی ساخته شده است؟
این دستگاه ساختاری ساده اما هوشمندانه دارد. اگر آن را مانند یک ساختمان کوچک در نظر بگیریم، اجزای اصلی آن عبارتند از:
| نام قسمت | توضیح و جنس | وظیفه |
|---|---|---|
| لولهی شیشهای | یک لولهی بلند و نازک (حدود 80 تا 100 سانتیمتر) که یک سر آن کاملاً بسته است. | نگهداری ستون جیوه و ایجاد خلاء4 در قسمت بالایی. |
| جیوه (سیماب) | مایعی سنگین، نقرهای رنگ و سمی. | ایجاد ستونی که با فشار هوا بالا و پایین میرود. چون سنگین است، ستون آن در لوله کوتاهتر و قابلمدیریت است. |
| ظرف (کاسه یا لولهی ذخیره) | معمولاً از شیشه یا فلز ساخته میشود. | نگهداری جیوهای که سر باز لوله در آن قرار میگیرد. فشار هوا مستقیماً به سطح جیوه در این ظرف وارد میشود. |
| مدرج (درجهبندی) | خطکشی دقیق بر روی لوله یا یک صفحهی کناری، بر حسب میلیمتر یا اینچ. | خواندن دقیق ارتفاع ستون جیوه و تبدیل آن به عدد فشار. |
این دستگاه چگونه کار میکند؟ (اصل علمی ساده)
اساس کار فشارسنج جیوهای، برقراری تعادل بین دو نیروست: نیروی فشار هوا و وزن ستون جیوه.
- لوله از جیوه پر میشود، سپس سر باز آن در ظرف جیوه قرار میگیرد. مقداری از جیوه از لوله به داخل ظرف میریزد و در بالای لوله (سمت بسته) فضایی تقریباً خالی از هوا (خلاء) ایجاد میشود.
- فشار هوا بر سطح جیوه داخل ظرف فشار میآورد. این فشار، جیوه را به سمت بالا و داخل لوله میراند.
- از طرف دیگر، وزن ستون جیوه داخل لوله سعی دارد به سمت پایین و داخل ظرف برگردد.
- این دو نیرو به تعادل میرسند و جیوه در ارتفاع خاصی در لوله ثابت میماند. هرچه فشار هوا بیشتر باشد، ستون جیوه را بیشتر به داخل لوله میراند و ارتفاع آن ↑ افزایش مییابد. هرچه فشار هوا کمتر باشد، وزن ستون جیوه بر آن غلبه کرده و ارتفاع ستون ↓ کاهش مییابد.
از پیشبینی طوفان تا تنظیم زودپز: کاربردهای فشارسنج
شاید فکر کنید این یک وسیلهی قدیمی و موزهای است، اما اصول کار آن همهجا حضور دارد:
- پیشبینی آب و هوا: مهمترین کاربرد تاریخی آن همین است. کاهش ناگهانی ارتفاع جیوه، هشدار دهندهی نزدیک شدن یک تودههوای کمفشار (و احتمالاً طوفان) است. هنوز هم مفهوم «فشارسنج در حال افت» در گزارشها به کار میرود.
- اندازهگیری ارتفاع: با بالا رفتن از کوه، فشار هوا کم میشود. بنابراین ارتفاعسنجهای اولیه، در واقع فشارسنجهای دقیقی بودند که ارتفاع را بر اساس کاهش فشار محاسبه میکردند.
- در پزشکی: دستگاه اندازهگیری فشار خون (اسفیگمومانومتر6) در نسخههای قدیمی خود از یک فشارسنج جیوهای کوچک استفاده میکرد. فشار خون را هم بر حسب میلیمتر جیوه گزارش میکنند، مثلاً فشار 120/80 mmHg.
- زودپز: سوپاپ اطمینان زودپز یک فشارسنج ساده است! وقتی فشار بخار داخل زودپز از حد معینی (مثلاً معادل ستون 100 گرم وزنه!) بیشتر شود، بخار اضافی را خارج میکند تا فشار ثابت بماند.
چرا از جیوه استفاده میشود و آیا بیخطر است؟
جیوه برای این کار خصوصیات ایدهآلی دارد: چگالی بالا، انبساط یکنواخت با دما، و بخار فشار پایین. اگر به جای جیوه از آب استفاده کنیم، ستون آب باید حدود 10.3 متر ارتفاع داشته باشد تا همان فشار را نشان دهد! اما جیوه بسیار سمی است و اگر لوله بشکند، بخارات آن برای سلامت خطرناک است. به همین دلیل امروزه در بسیاری از مکانها از فشارسنجهای دیجیتالی یا عقربهای (آنروئید7) که بدون جیوه کار میکنند، استفاده میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. جیوه به دلیل فشار هوایی که روی سطح آن در ظرف است، به سمت بالا رانده شده و در لوله نگه داشته میشود. در واقع فشار هوا مانند یک "پایه نامرئی" زیر ستون جیوه است. اگر فشار هوا ناپدید شود (مثلاً در خلاء فضا)، جیوه به طور کامل از لوله به داخل ظرف سرازیر میشود.
پاسخ: فشارسنج جیوهای به عنوان یک استاندارد دقیق و بدون نیاز به برق یا کالیبراسیون8 مکرر شناخته میشود. تغییرات در آن فیزیکی و مستقیم است و کمتر در معرض خطاهای الکترونیکی قرار میگیرد. بنابراین برای بررسی و مقایسهی دقت دستگاههای دیگر مفید است.
پاسخ: اگر به بالای کوه برویم (فشار هوا کمتر)، ارتفاع ستون جیوه کاهش مییابد. اگر با آسانسور به طبقات زیرزمین برویم (فشار هوا کمی بیشتر)، ارتفاع ستون جیوه اندکی افزایش پیدا میکند. این تغییرات دلیل محسوسی است که چرا فشار خون برخی افراد در ارتفاعات ممکن است متفاوت باشد.
پاورقی
1 فشارسنج جیوهای (Mercury Barometer)
2 اتمسفر (Atmosphere): لایههای گازی اطراف کره زمین.
3 فشار هوا (Atmospheric Pressure)
4 خلاء (Vacuum): فضایی که مقدار بسیار کمی هوا یا گاز در آن وجود دارد.
5 چگالی (Density): جرم یک ماده در واحد حجم آن.
6 اسفیگمومانومتر (Sphygmomanometer): دستگاه اندازهگیری فشار خون.
7 فشارسنج آنروئید (Aneroid Barometer): نوعی فشارسنج مکانیکی بدون مایع.
8 کالیبراسیون (Calibration): تنظیم و تطبیق درجهبندی یک دستگاه اندازهگیری.
