اختلاف فشار: موتور پنهان جریان
فشار چیست و چگونه اندازهگیری میشود؟
قبل از صحبت دربارهی اختلاف، باید خود فشار۲ را بشناسیم. فشار در سادهترین تعریف، نیرویی است که بر یک سطح مشخص وارد میشود. تصور کنید روی یک زمین شنی ایستادهاید. اگر کفش ورزشی بپوشید، پای شما کمتر در شن فرو میرود تا زمانی که کفش پاشنهبلند بپوشید. دلیل آن این است که در کفش پاشنهبلند، وزن شما (نیرو) روی سطح بسیار کوچک پاشنه متمرکز میشود و فشار بیشتری ایجاد میکند. واحد اندازهگیری فشار در سیستم بینالمللی، پاسکال (Pa) است.
$ P = \frac{F}{A} $
در این فرمول، P فشار، F نیرو و A مساحت سطح است. برای کاهش فشار (مثل شناور ماندن روی برف)، باید نیرو را روی سطح بزرگتری پخش کنیم (با اسکی یا تشک بادی).
چرا اختلاف فشار باعث حرکت میشود؟
طبیعت همیشه به دنبال ایجاد تعادل است. اگر در یک ظرف، دو منطقه با فشار متفاوت داشته باشیم، ذرات (مثل مولکولهای هوا یا آب) از منطقهی پرفشار به سمت منطقهی کمفشار حرکت میکنند تا فشار در همهجا یکسان شود. این حرکت ذرات، همان جریان است. هرچه این اختلاف فشار بیشتر باشد، نیروی رانش قویتر و سرعت جریان بیشتر میشود.
| پدیده | منطقه پرفشار | منطقه کمفشار | نتیجه (جریان) |
|---|---|---|---|
| باد | مرکز پرفشار جوی | مرکز کمفشار جوی | حرکت هوا از پرفشار به کمفشار |
| مکیدن نوشابه با نی | فشار هوای بیرون بر سطح مایع در لیوان | فشار کم داخل دهان شما (با کشیدن هوا) | حرکت نوشابه به سمت بالا در نی |
| تزریق واکسن با سرنگ | فشار ایجاد شده توسط پیستون سرنگ روی مایع | فشار هوای بیرون در محل تزریق | خروج مایع از نوک سوزن |
| تنفس (دم) | فشار هوای بیرون از بدن | فشار کم ایجاد شده در ششها با بزرگ شدن قفسهی سینه | ورود هوا به داخل ششها |
از آزمایشگاه تا خانه: ساخت یک آبپاش ساده
بیایید با یک آزمایش ساده، اصل اختلاف فشار را در عمل ببینیم. یک بطری پلاستیکی خالی بردارید و با میخ داغ، چند سوراخ کوچک در نزدیکی کف آن ایجاد کنید. سپس درب بطری را ببندید و آن را کاملاً از آب پر کنید. وقتی بطری را باز میکنید، چه اتفاقی میافتد؟ آب از سوراخها بیرون میریزد. اما اگر درب بطری را دوباره ببندید، جریان آب تقریباً قطع میشود! دلیلش این است که با بستن درب، هوای بالای آب در بطری راهی برای ورود ندارد. وقتی آب کمی خارج شود، حجم هوای داخل افزایش مییابد اما تعداد مولکولهای هوا ثابت است، در نتیجه فشار هوای داخل بطری کاهش مییابد. حالا فشار هوای بیرون (فشار جو) که روی سطح آب در سوراخها وارد میشود، بیشتر از فشار هوای داخل بطری است. این اختلاف فشار، آب را به داخل بطری نگه میدارد و از خروج آن جلوگیری میکند. این همان اصل کار ظروف نگهدارندهی مایع و حتی پمپهای دستی است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. ما با کشیدن هوا، فشار داخل نی و دهان خود را کاهش میدهیم. فشار هوای بالای نوشابه در لیوان (فشار جو) که حدود 101325 پاسکال است، از فشار کاهش یافتهی داخل نی بیشتر میشود. این اختلاف فشار، نوشابه را به سمت بالا و داخل نی هل میدهد. در واقع نوشابه فشار داده میشود نه کشیده.
پاسخ: در بطری بسته، فشار گاز دیاکسید کربن۳ (CO_2) بالای مایع زیاد است. وقتی درب را باز میکنیم، فشار این گاز ناگهان با فشار جو (حدود 1 اتمسفر) برابر میشود. این تغییر ناگهانی فشار (از بالا به پایین) باعث میشود گاز محلول در نوشابه به سرعت از آن خارج شود و حباب تشکیل دهد. اگر درب محکم بسته باشد، این فرآیند آهستهتر رخ میدهد.
پاسخ: خیر. اصل اختلاف فشار برای ایجاد جریان، نیاز به یک سیال۴ (مایع یا گاز) دارد که ذرات آن بتوانند حرکت کنند. در خلا تقریباً هیچ ذرهای وجود ندارد، بنابراین مفهومی به نام فشار یا اختلاف فشار در آنجا به شکل مرسوم وجود ندارد و جریانی هم رخ نمیدهد.
پاورقی
۱ اختلاف فشار (Pressure Difference)
۲ فشار (Pressure): نیروی وارد بر واحد سطح. واحد آن پاسکال (Pa) است.
۳ دیاکسید کربن (Carbon Dioxide): گازی که در نوشابههای گازدار حل میشود. فرمول شیمیایی آن $ CO_2 $ است.
۴ سیال (Fluid): به موادی که قابلیت جاری شدن دارند، مانند مایعات و گازها گفته میشود.
