ستون جیوه ۷۶ سانتیمتر: فشار استاندارد هوا در سطح دریا
فشار هوا چیست و چگونه آن را حس میکنیم؟
هوا، با وجود اینکه نامرئی است، وزن دارد. جو زمین مانند پتویی ضخیم، سیاره ما را احاطه کرده و به همه چیز فشار وارد میکند. ما معمولاً این فشار را احساس نمیکنیم چون بدنمان به آن عادت کرده است، اما تغییرات ناگهانی آن را میتوانیم حس کنیم. مثلاً هنگام بلند شدن سریع از زمین، گاهی گوشهایمان کیپ میشود یا در هواپیما هنگام بلند شدن و فرود آمدن. این به دلیل تغییر سریع فشار هوا در محیط اطراف ماست.
برای درک بهتر، تصور کنید در استخر شنا هستید. هر چه به عمق بیشتری بروید، فشار آب روی بدن شما بیشتر میشود. فشار هوا نیز مشابه است، با این تفاوت که به جای آب، لایههای هوا روی هم قرار گرفتهاند. در سطح دریا، تمامی هوای بالای سر ما، بیشترین فشار را وارد میکند. با بالا رفتن از کوه یا ساختمانهای بلند، از ارتفاع ستون هوای بالای سرمان کاسته میشود، بنابراین فشار هوا کاهش مییابد.
ماجرای تاریخی و آزمایش توریچلی4
در قرن هفدهم میلادی، دانشمندی ایتالیایی به نام اوانجلیستا توریچلی برای اثبات وجود فشار هوا، آزمایش معروفی را طراحی کرد. او لوله شیشهای بلند و بدون هوایی را پر از جیوه کرد، سر آن را با انگشت بست و آن را وارونه در ظرفی از جیوه قرار داد. وقتی انگشتش را برداشت، سطح جیوه در لوله کمی پایین آمد و در ارتفاع مشخصی ثابت ماند. فضای خالی بالای ستون جیوه در لوله، تقریباً خلأ کامل بود. توریچلی نتیجه گرفت که این فشار هوا است که ستون جیوه را در لوله نگه میدارد و از خالی شدن کامل آن جلوگیری میکند.
نکته جالب این بود که ارتفاع ستون جیوه در آزمایش او، تقریباً همیشه در سطح دریا حدود 76 سانتیمتر بود. به این ترتیب، او نه تنها وجود فشار هوا را ثابت کرد، بلکه اولین بارومتر (فشارسنج) جیوهای را نیز اختراع نمود.
| مایع مورد نظر | چگالی نسبی | ارتفاع ستون در فشار استاندارد | عملی بودن برای بارومتر |
|---|---|---|---|
| جیوه (Hg) | بسیار بالا (حدود 13.6) | 76 cm | بسیار مناسب (لولهای کوتاه و قابل حمل) |
| آب (H2O) | پایین (حدود 1) | حدود 10.3 m | نامناسب (نیاز به لولهای بلندتر از ساختمان ۳ طبقه!) |
| روغن زیتون | خیلی پایین (حدود 0.92) | بیش از 11 m | نامناسب |
فشار هوا در خدمت ما: از پیشبینی هوا تا پخت غذا
مفهوم فشار استاندارد فقط یک عدد در کتابهای درسی نیست. این عدد معیاری است که بسیاری از اندازهگیریهای ما بر اساس آن سنجیده میشود.
پیشبینی آبوهوا: هواشناسان با دنبال کردن تغییرات فشار هوا، وضعیت هوا را پیشبینی میکنند. اگر فشار هوا در یک منطقه شروع به کاهش کند (یعنی ستون جیوه از 76 سانتیمتر پایینتر بیاید)، معمولاً نشانهی آمدن هوای ابری، بارانی یا طوفانی است. برعکس، افزایش فشار هوا (بالاتر از 76 سانتیمتر) اغلب به معنای آسمان صاف و هوای آرام است. به همین دلیل است که در گزارشهای هواشناسی گاهی اصطلاح "پرفشار" یا "کمفشار" را میشنویم.
اندازهگیری ارتفاع: اگر یک بارومتر جیوهای با خود به بالای یک کوه ببرید، خواهید دید که ارتفاع ستون جیوه کاهش مییابد، مثلاً به 60 یا 50 سانتیمتر میرسد. با استفاده از این اختلاف نسبت به فشار استاندارد سطح دریا (76 cmHg)، میتوان ارتفاع آن مکان را محاسبه کرد. دستگاههای ارتفاعسنج در هواپیماها و گوشیهای هوشمند پیشرفته، بر اساس همین اصل (البته با سنسورهای الکترونیکی) کار میکنند.
زندگی روزمره: وقتی با نی نوشابه مینوشید، در واقع با ایجاد خلأ نسبی در دهان، فشار هوای درون نی را کاهش میدهید و فشار هوای بیرون که بیشتر است، مایع را به سمت بالا میراند. قابلمه زودپز نیز مثال عالی دیگری است. با بستن درب آن و گرم کردن، فشار هوای داخل آن از فشار استاندارد بیرون بیشتر میشود. این افزایش فشار نقطه جوش آب را بالاتر میبرد (100°C در فشار استاندارد) و باعث میشود غذا زودتر بپزد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 بارومتر (Barometer): دستگاهی برای اندازهگیری فشار هوا.
2 جیوه (Mercury): یک فلز مایع به رنگ نقرهای با نماد شیمیایی Hg که سنگین و سمی است.
3 اتمسفر (Atmosphere): واحد فشار که برابر با فشار استاندارد هوا در سطح دریاست. به اختصار atm.
4 توریچلی (Evangelista Torricelli): فیزیکدان و ریاضیدان ایتالیایی (۱۶۰۸-۱۶۴۷) که آزمایش معروف اندازهگیری فشار هوا با جیوه را انجام داد.
5 Fundamental forces: نیروهای بنیادی. در اینجا منظور نیروهای اصلی و اساسی در طبیعت است.
