آیا میدانید پاشنه نوک تیز کفش به کف اتاق آسیب میرساند ؟
آیا میدانید چرا کفش اسکی در برف سر نمیخورد ؟
آیا تا به حال با کفش ورزشی میخ دار روی برف راه رفته اید ؟
آیا تابه حال از خود پرسیدهاید که چرا جاقو دست را میبرد ؟
چرا کفش معمولی به زمین آسیب نمیرساند ؟
اینها همه پدیدههایی هستند که مفهوم فشار در آنها نهفته است وبه نوعی آن را بیان میکنند.
تعریف فشار:
فشار عبارتست از نیروی وارده بر واحد سطح که با علامت اختصاری p نشان میدهند. این کمیت در گازها نقش عمده را ایفا میکند زیرا یکی از کمیات مشخصه گاز میباشد، از این رو بیشتر قوانین فشار در گازها نهفته شده و به دست آوردن معادله حالت گاز به کار برده میشود.
مفهوم فشار:
اثر نیرو بر روی یک سطح بستگی دارد که نیرو چگونه اعمال شود. شخصی که کفش ورزشی میخ دار پوشیده. میخ کفشهایش در زمین فرو میرود در صورتیکه کفش معمولی بر زمین آسیب نمیرساند. نکته قابل توجه این است که در هر دو مورد نیرویی که بر سطح وارد میشود یکسان بوده و همان نیروی وزن اوست. اختلاف میان این دو حالت در این است که کفش ورزشی نیرو را بر سطح کوچکی وارد میکند.
میخ کفشها مقدار نیروی کل را تغییر نمیدهد ، بلکه نیرو بر واحد سطح را به شدت افزایش میدهد. که کمیت نیروی وارد بر واحد سطح نیز فشار نام دارد. به زبان ریاضی فشار بصورت زیر بیان میشود:
P=F/A که در آن P فشار ، F نیرو و A سطح مقطع اثر نیرو میباشد.
اسکیبازان موقع اسکی کفش اسکی میپوشند زیرا دارای سطح مقطع بزرگتری است و فشار وارد بر سطح را کاهش میدهد.
چاقو به خاطر سطح مقطع بسیار کوچک تماس با اجسام (مثلا دست) در اثر اعمال مقدار نیروی هر چند ناچیز ، نیروی واحد سطح (فشار) بزرگتری را ایجاد کرده و سبب برش اجسام میشود.
یکای فشار:
فشاربا یکاهای مختلفی بیان میشود. یکای استاندارد ما در دستگاه SI پاسکال میباشد که برابر(1Pa=1N/m2) میباشد. یک پاسکال برابر مقدار یک نیوتن نیروست که بر یک متر مربع سطح جسمی وارد میگردد. بهترین یکایی که میتواند مرجعی برای سایر یکاها به کار برده شود اتمسفر یا جو (Atmospher ) است که به صورت فشار متوسط هوا در سطح دریا تعریف میشود.
چون پاسکال یکای کوچکی برای فشار است معمولا از کیلو پاسکال(kpa) که برابر 1000 پاسکال است، استفاده میکنند. هر جو تقریبا برابر 100 kpa است. هواشناسان ازواحد میلی بار استفاده میکنند که برابر یک دهم پاسکال است. از سایر واحدهای فشار میتوان دین بر سانتیمتر مربع (dyn/cm2) یا torr را نام برد.
چون در اندازه گیری فشار در لوله U شکل از طول سنجی مایع جیوه به فشار سنجی پی می برند، واحد سانتیمتر جیوه (cmHg) نیز برای کمیت فشار به غلط مرسوم شده است.
نحوه اندازه گیری فشار:
فشار را به کمک دستگاههای فشار سنج اندازه میگیرند عمدهترین فشار سنجها که بر حسب مکانیزم کارشناسان نام گذاری شده است عبارتند از:
فشارسنج لوله U شکل
فشار سنج مکلئود
فشار سنج جیوهای
فشار سنج ترموکوپل
فشارسنج صوتی
فشار سنج خازنی
فشارسنج گازایدهآل
ساده ترین و معروترین آنها فشار سنج لوله U شکل است که در آن مقداری جیوه در لوله U شکل ریخته شده و میزان اختلاف فشار محیط (هواکه برابر p0 است) و ماده د اخل فشارسنج که بر مایع جیوه فشار وارد میکند ازطریق اختلاف ارتفاع ستون مایع جیوه اندازه گیری میشود. بنابراین از این طریق فشار واقعی را میتوانیم به دست آوریم: « P=P0+ρg(h-h0)
در رابطه اخیر P فشار و ρ چگالی ماده و P0 فشار اتمسفر ، h0 ارتفاع ستون مایع در فشار اتمسفر ، g شتاب جاذبه وh ارتفاع ستون مایع در فشار ماده میباشد.
ابزارهای فشارسنجی
فشار عبارت است از نیروی وارده بر واحد سطح که با علامت اختصاری p نشان میدهند. این کمیت در گازها نقش عمده را ایفا میکند، زیرا یکی از کمیات مشخصه گاز میباشد، از این رو بیشتر قوانین فشار در گازها نهفته شده و بدست آوردن معادله حالت گاز بکار برده میشود.
واحد فشار
فشار با یکاهای مختلفی بیان میشود. یکای استاندارد ما در دستگاه SI پاسکال میباشد که برابر (1Pa = 1N/m2) میباشد. یک پاسکال برابر مقدار یک نیوتن نیروست که بر یک متر مربع سطح جسمی وارد میگردد. بهترین یکایی که میتواند مرجعی برای سایر یکاها بکار برده شود اتمسفر یا جو (Atmospher) است که به صورت فشار متوسط هوا در سطح دریا تعریف میشود. چون پاسکال یکای کوچکی برای فشار است معمولا از کیلو پاسکال (kpa) که برابر 1000 پاسکال است، استفاده میکنند. هر جو تقریبا برابر 100 kpa است. هواشناسان از واحد میلی بار استفاده میکنند که برابر یک دهم پاسکال است. از سایر واحدهای فشار میتوان دین بر سانتیمتر مربع (dyn/cm2) یا torr را نام برد. چون در اندازه گیری فشار در لوله U شکل از طول سنجی مایع جیوه به فشار سنجی پی می‌برند، واحد سانتیمتر جیوه (cmHg) نیز برای کمیت فشار به غلط مرسوم شده است.
نحوه اندازه گیری فشار
فشار را به کمک دستگاههای فشار سنج اندازه میگیرند، عمدهترین فشار سنجها که بر حسب مکانیزم کارشناسان نامگذاری شده است عبارتند از:
فشارسنج لوله U شکل
فشارسنج مکلئود
فشارسنج جیوهای
فشارسنج ترموکوپل
فشارسنج صوتی
فشارسنج خازنی
فشارسنج گاز ایده‌ال
فشارسنج لوله U شکل
ساده ترین و معروفترین آنها فشار سنج لوله U شکل است که در آن مقداری جیوه در لوله U شکل ریخته شده و میزان اختلاف فشار محیط (هوا که برابر p0 است) و ماده داخل فشارسنج که بر مایع جیوه فشار وارد میکند از طریق اختلاف ارتفاع ستون مایع جیوه اندازه گیری میشود. بنابراین از این طریق فشار واقعی را میتوانیم بدست آوریم: (P = P0 + ρg (h - h0
در رابطه اخیر P فشار و ρ چگالی ماده و P0 فشار اتمسفر ، h0 ارتفاع ستون مایع در فشار اتمسفر ، g شتاب جاذبه و h ارتفاع ستون مایع در فشار ماده میباشد.
فشارسنج جیوهای (Mercury Barometer)
این فشار سنج اساساً از یک لوله خالی از هوا درست شده است که یک طرف آن مسدود و طرف دیگر آن که باز است در ظرف پر از جیوه فرو برده شده است. فشار هوای بیرون ، جیوه را از منبع به سمت داخل لوله می‌راند. جیوه تا حدی که وزن آن در داخل لوله ، دقیقاً معادل نیروی ناشی از فشار هوا گردد در لوله فشار سنج بالا میرود و سپس در حالت تبادل و سکون باقی می‌ماند. با تغییر فشار هوا ، سطح جیوه در داخل لوله نیز بالا و پایین خواهد رفت. در شرایط نرمال جیوه به اندازه 92/29 اینچ یا 760 میلیمتر در لوله بالا می‌آید که فشاری معادل 15/1013 میلی بار است. جیوه در داخل لوله فشارسنج به دلیل خاصیت کشش سطحی دارای یک سطح محدب است که هنگام تعیین فشار، باید بالاترین سطح محدب قرائت شود.
فشار سنج فلزی (Aneroid)
فشارسنج فلزی وسیله‌ای است مکانیکی که از یک محفظه قوطی شکل استوانه‌ای بدون هوا تشکیل شده است؛ با تغییر فشار هوا این محفظه منقبظ یا منبسط میشود. با یک سیستم نسبتاً پیچیده که مرکب از تعدادی اهرم و قرقره است این تغییرات بزرگ شده و به یک عقربه که بر روی صفحه مدرجی حرکت میکند، منتقل میشود. یک شاخص متحرک که میتواند در یک نقطه ثابت شود بر روی فشار سنج تعبیه شده است تا بتوان تغییرات فشار را نسبت به آخرین قرائت اندازه گیری کرد.