فشار و آثار آن (علوم تیزهوشان نهم)
دستگاه برش آبی با باریکه‌ای از آب ورق فلز را می‌بُرد. راز کار در فشار است: وقتی نیرویی بزرگ بر سطحی بسیار کوچک متمرکز شود، اثرش چنان زیاد میشود که حتی فلز را می‌شکافد. کتاب برای این فصل روش آموزش معکوس را پیشنهاد میکند: فیلم آموزشی را در خانه می‌بینی، خلاصه و پرسش‌هایت را می‌نویسی و در کلاس با آزمایش عمیق‌تر یاد می‌گیری.
فشار در جامدات
اثر نیروی عمودی بر یک سطح به مساحت تماس هم بستگی دارد. فشار نیروی عمودی وارد بر واحد سطح است:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینیکای فشار پاسکال (نیوتون بر متر مربع) است و فشار هوای سطح دریا حدود ۱۰۱ هزار پاسکال یا یک اتمسفر است. با نیروی ثابت، سطح کوچک فشار زیاد میدهد (سوزن، چاقوی تیز، نوک میخ) و سطح بزرگ فشار کم (کفش برفی، تایر پهن کامیون، تراورس زیر ریل، پی ساختمان).
- اگر سوزنی را با ۲۰ نیوتون فشار دهیم، فشار نوک آن صدها برابر فشار سرش است؛ برای همین نوک پوست را می‌شکافد ولی سر سوزن به انگشت آسیب نمی‌زند.
- شخص ۶۰ کیلوگرمی که روی دو کفش با مساحت روی هم ۰٫۰۴ متر مربع ایستاده، فشار ۱۵ هزار پاسکال وارد میکند. روی یک پا این عدد دو برابر و با کفش برفی ده‌ها برابر کمتر میشود.
- آجری که روی وجه‌های مختلفش گذاشته شود، همیشه همان وزن را دارد، ولی هرچه وجه کوچک‌تر باشد فشار بیشتر است.
فشار در مایعات
مایع ساکن بر کف و دیواره‌های ظرف فشار وارد میکند، در هر نقطه به همهٔ جهت‌ها فشار میدهد، فشارش با عمق زیاد میشود و در یک عمق معین همه جا یکسان است. وزن ستونی از مایع با چگالی ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ارتفاع ادامهٔ فرمول را افقی ببین بر سطح زیرش تقسیم شود:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینپس فشار مایع فقط به چگالی، عمق و ادامهٔ فرمول را افقی ببین وابسته است، نه به شکل ظرف یا مقدار مایع. سه ظرف با شکل‌های گوناگون ولی ارتفاع مایع یکسان، فشار کف برابر دارند؛ بقیهٔ وزن مایع را دیواره‌های کج تحمل می‌کنند.
- در آب، هر ۱۰ متر عمق حدود یک اتمسفر فشار می‌افزاید. غواصی در عمق ۱۰ متر، با احتساب فشار هوا، حدود دو اتمسفر فشار تحمل میکند.
- پشت سدی با عمق ۵۰ متر، فشار کف حدود پنج برابر فشار در عمق ۱۰ متر است؛ به همین دلیل دیوارهٔ سد در پایین ضخیمتر ساخته میشود.
- اگر بطری را در سه ارتفاع سوراخ کنیم، آب از سوراخ پایینی دورتر می‌پاشد.
- در لولهٔ U شکل، سطح یک مایع در دو شاخه هم‌تراز است. اگر در دو شاخه دو مایع متفاوت باشد، ادامهٔ فرمول را افقی ببین برقرار است و مایع سبک‌تر بالاتر می‌ایستد.
فشار گاز و فشار جو
فشار گاز از برخورد پیوستهٔ ذره‌هایش با دیواره پدید میآید. اگر حجم کم شود یا دما بالا برود، برخوردها بیشتر و شدیدتر و فشار بیشتر میشود؛ برای همین قوطی اسپری در آتش می‌ترکد.
هوا هم وزن دارد و ستون هوای بالای سر ما فشاری حدود یک اتمسفر می‌سازد؛ یعنی بر هر متر مربع نیرویی در حد وزن ده تن. این فشار را حس نمی‌کنیم، چون فشار درون بدن تقریباً برابر آن است. بر جلد یک کتاب هم هزاران نیوتون نیرو وارد میشود، اما هوا از زیر کتاب نیز همین نیرو را وارد میکند و این دو یکدیگر را خنثی می‌کنند. فشار جو با ارتفاع کم میشود و در قلهٔ دماوند حدود نصف سطح دریاست.
بارومتر تورچلی: لوله‌ای پر از جیوه را وارونه در تشتی از جیوه می‌گذاریم. جیوه تا حدود ۷۶ سانتی‌متر میماند و بالای آن خلأ است؛ فشار جو این ستون را نگه داشته است:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینارتفاع قائم ستون به قطر لوله یا کج کردن آن بستگی ندارد. اگر به‌جای جیوه آب به کار می‌رفت، ستونی حدود ۱۰ متری لازم بود.
نمونه‌های روزمره: هنگام نوشیدن با نی، فشار درون نی را کم می‌کنیم و فشار جو مایع را بالا می‌راند؛ پس نی مایع را «نمی‌مکد». لیوان پر از آب که با کاغذ وارونه شود، به کمک فشار هوا از زیر سالم میماند. بادکش (ساکشن)، سرنگ، گرفتگی گوش در هواپیما و لزوم سوراخ دوم در قوطی کمپوت هم با فشار جو توضیح داده می‌شوند.
فشارسنج تایر فشار پیمانه‌ای یعنی اختلاف با فشار جو را نشان میدهد و فشار مطلق برابر آن به‌علاوهٔ فشار جو است.
اصل پاسکال و جک هیدرولیکی
فشاری که به مایع محبوس در ظرف بسته وارد شود، بدون کاهش به همهٔ نقاط مایع منتقل میشود. در جک هیدرولیکی دو پیستون با مساحت‌های متفاوت داریم:
ادامهٔ فرمول را افقی ببیناگر مساحت پیستون بزرگ ۲۰۰ برابر پیستون کوچک باشد، با ۵۰ نیوتون می‌توان خودرویی یک‌تنی را بالا برد. اما مایع تراکم‌ناپذیر است و حجم جابهجاشده در دو طرف برابر است؛ پس پیستون بزرگ ۲۰۰ برابر کمتر جابهجا میشود. جک نیرو را زیاد میکند، نه کار را. ترمز خودرو، صندلی دندان‌پزشکی، پرس و بیل مکانیکی از همین اصل استفاده می‌کنند.
نیروی شناوری و اصل ارشمیدس
فشار مایع در زیر جسم (عمق بیشتر) از فشار بالای آن بیشتر است؛ نتیجه نیرویی رو به بالا به نام نیروی شناوری است. ارشمیدس نشان داد این نیرو برابر وزن مایع جابهجاشده است:
ادامهٔ فرمول را افقی ببیناگر چگالی جسم از مایع کمتر باشد شناور میماند، اگر برابر باشد معلق است و اگر بیشتر باشد غرق میشود.
- سنگی ۲ کیلوگرمی با حجم ۰٫۸ لیتر در آب ۸ نیوتون شناوری دارد و نیروسنج ۱۲ نیوتون نشان میدهد.
- مکعب چوبی با چگالی ۶۰۰ در آب ۶۰ درصد زیر آب و ۴۰ درصد بیرون میماند؛ در آب‌نمک چگال‌تر بالاتر میآید.
- کشتی آهنی شناور است چون توخالی است و چگالی متوسط آن از آب کمتر است. زیردریایی با پر و خالی کردن مخزن‌ها چگالی متوسطش را تغییر میدهد.
- ارشمیدس با مقایسهٔ وزن تاج در هوا و آب، حجم و چگالی آن را یافت و نشان داد طلای خالص نیست.
اشتباه‌های رایج
- فشار و نیرو یکی نیستند؛ فشار نیرو بر سطح است.
- فشار مایع به شکل ظرف بستگی ندارد و در هر نقطه به همهٔ جهت‌ها وارد میشود.
- جک هیدرولیکی کار را زیاد نمی‌کند.
- جسم سنگین لزوماً غرق نمی‌شود؛ چگالی متوسط تعیین‌کننده است.