العلوم فصل أول

 

الضغط

• الوزن يمثل قوة تؤثر عمودياً في مساحة السطح.
• الضغط: القوة العمودية المؤثرة لكل وحدة مساحة.
• عندما يمشي الجمل على الرمل يتوزع وزنه على مساحة أقدامه الكبيرة, فيقل الضغط الذي يسببه وزنه على الرمل, لذلك يمشي لمسافات طويلة ولا تغوص أقدامه في الرمل.
• قانون الضغط

الضغط = القوة / المساحة

باللغة الإنجليزية :

P = F / A

وحدة القوة = نيوتن N

وحدة المساحة = m²

وحدة الضغط  (N/m²) و تسمى الباسكال  (Pa)

• حسب العلاقة يتبين أن الضغط يزداد بازدياد القوة المؤثرة في مساحة ما, وينقص بنقصانها  (العلاقة طردية)، بينما زيادة المساحة المتأثرة بقوة معينة يؤدي الى نقصان الضغط، ونقصان المساحة يؤدي إلى زيادة الضغط الناتج عن تلك القوة ، أي أن (العلاقة عكسية).
• اعتماداً على مفهوم الضغط صنع الإنسان أدوات بمساحات سطوح مختلفة، مساحة كبيرة عندما يتطلب الأمر ضغطاً قليلاً ورؤوساً حادة عندما يتطلب الأمر ضغطاً كبيراً.
• مثال على ذلك: إطارات المركبات المخصصة للتنقل على سطوح الثلوج والرمال تكون عريضة لزيادة المساحة فيقل الضغط الناجم عن المركبة على سطح الطريق، مما يقلل احتمالية غوصها فيه .

    أما الدبابيس والمسامير فرؤوسها حادة، عند الطرق على طرف الدبوس العريض تنتقل القوة إلى طرفه الحاد. نظراً إلى أن المساحة التي يؤثر فيها رأس الدبوس في قطعة الخشب صغيرة، فإنه ينجم عن القوة ضغط كبير يمكن الدبوس من اختراق الخشب.

 

أتحقق صفحة 93: ما العلاقة بين الضغط وكل من القوة المؤثرة ومساحة السطح المتأثر؟

الجواب: الضغط يزداد بازدياد القوة المؤثرة في مساحة ما، وينقص بنقصانها .

بينما زيادة المساحة المتأثرة بقوة معينة يؤدي إلى نقصان الضغط، ونقصان المساحة يؤدي إلى زيادة الضغط الناتج عن تلك القوة.

مثال:

شخص وزنه 750N، ينتعل زوجين من الأحذية، مساحة سطح الحذاء الواحد 0.03m²، أحسب الضغط المؤثر في الأرض في الحالتين الآتيتين:

أ ) عندما يقف الشخص على قدميه الاثنتين.

ب ) عندما يقف على قدميه ويحمل صندوقاً وزنه 60N.

 

أتحقق صفحة 94: في المثال السابق، أحسب الضغط المؤثر في الأرض عندما يقف الشخص على قدم واحدة.

الجواب:

$P = \frac{750}{0.03} = 25000 Pa$

 

الموائع

• يطلق على السوائل والغازات اسم الموائع لأن قوى الترابط بين جزيئاتها ضعيفة، وهذا ما يتيح لها القدرة على الجريان.
• تولد الموائع ضغطاً كما الأجسام الصلبة .

ضغط السوائل

• تتحرك الأجسام التي يتكون منها السائل حركة مستمرة عشوائياً في الاتجاهات كلها، فتصطدم بالسطوح الصلبة الملامسة لها، وتؤثر فيها بقوى عمودية وينشأ عنها ضغط يؤثر في قاعدة وجدران الوعاء.

العوامل التي يعتمد عليها ضغط السائل

• يعتمد ضغط السائل عند نقطة داخله على عمقها بالنسبة إلى سطح السائل، فالجسم عند سطح الماء يتأثر بالضغط الجوي فقط، أما تحت سطح الماء يتعرض الجسم إلى ضغط إضافي سببه وزن الماء فوقه.
• يزداد الضغط بازدياد العمق، يزداد الضغط بمقدار 10 قوة 5 باسكال لكل 10 متر إضافية تحت سطح الماء، لذلك يتلقى الغواصون تدريبات مكثفة ويزودون بمعدات خاصة تمكنهم من تحمل هذا الضغط.
• يزداد ضغط السائل بزيادة كثافته، فمثلاً كثافة الزئبق تعادل 13.6 تقريباً، ضعف كثافة الماء، هذا يعني أن الضغط عند نقطة على عمق 1 متر في الزئبق أكبر بكثير من الضغط عند نقطة على العمق نفسه في الماء.
• يكون ضغط السائل متساوياً عند النقاط التي تقع في مستوى أفقي واحد، لأن لها العمق نفسه.

 

قاعدة باسكال

• تنص قاعدة باسكال على أن "المائع المحصور عندما يتعرض لضغط إضافي ناتج عن قوة خارجية، فإن هذا الضغط ينتقل إلى أجزاء المائع جميعها بالمقدار نفسه"
• تعد الرافعة الهيدروليكية إحدى الادوات المهمة التي تعتمد في عملها على مبدأ باسكال .
• 
• عندما تؤثر قوة صغيرة (F1) في المكبس الصغير ذي مساحة (A1) يتولد ضغط إضافي ينتقل كله إلى أجزاء السائل (الزيت) جميعها، على أن يكون لكل جزء من أجزاء السائل قيمة الضغط نفسها، ووفقا لمبدا باسكال، فان هذا الضغط سينتقل الى المكبس الكبير ذي المساحة (A2) مولداً قوة (F2) تؤثر في المكبس فيرتفع لأعلى.
• من العلاقة الضغط = القوة / المساحة، يمكن التوصل الى أن :

F2 / A2 = F1 / A1

باعادة ترتيب العلاقة الرياضية لحساب F2:

F2 = F1 * (A2/A1)

تبين هذه العلاقة أنه عندما تكون مساحة المكبس الكبير 10 اضعاف المكبس الصغير، فان القوة (F2) تكون 10 اضعاف (F1)، وهذا يعني أن الضغط الإضافي الذي انتقل عبر أجزاء السائل نتج عنه قوة على المكبس الكبير أكبر بكثير من القوة المؤثرة في المكبس الصغير.

 

أتحقق صفحة 98: أقارن بين المكبسين الصغير والكبير في الرافعة الهيدروليكية، من ناحية مقدار كل من: الضغط والقوة المؤثرة في كليهما.

الجواب: يتأثر المكبسين بالضغط نفسه فتكون القوة المؤثرة في المكبس الكبير أكبر من القوة المؤثرة في المكبس الصغير.

 

مثال: في رافعة هيدروليكية إذا كانت مساحة سطح المكبس الصغير 0.2m²، ومساحة سطح المكبس الكبير 0.8m²، فما مقدار القوة التي يتطلبها المكبس الصغير لرفع سيارة تزن 12000N.

الحل:

مبدأ برنولي

مبدأ برنولي:" ضغط المائع يقل عندما تزيد سرعته ".

توصل برلوني إلى أن السوائل سريعة الحركة تنتج ضغطاً أقل من السوائل البطيئة الحركة وينطبق هذا المبدأ على الغازات أيضاً.

• يمكننا فهم هذا المبدأ عن طريق المثال الآتي:

عند النفخ في الحيز بين بالونين منفوخين معلقين رأسياً يؤدي إلى زيادة سرعة الهواء في تلك المنطقة، فيقل ضغط الهواء مقارنة بالضغط في المناطق الأخرى المحيطة بالبالونين، لذا يتعرض كل بالون إلى فرق في الضغط على جانبيه، ينجم عنه قوة تدفع البالون من منطقة الضغط المرتفع إلى منطقة الضغط المنخفض , فيقترب البالونان من بعضهما .

 

• تطبيقات على مبدأ برنولي : تصميم جناح الطائرة، إذ يصمم جناح الطائرة على أن يكون انحناؤه من الأعلى أكبر من الأسفل، هذا التصميم يجعل الهواء يتحرك بسرعتين مختلفتين عند مروره فوق الجناح وأسفله، فتكون سرعة الهواء فوق الجناح أكبر من سرعته أسفل الجناح، ووفقاً لمبدأ برنولي فإن زيادة سرعة جريان المائع تؤدي إلى نقصان ضغطه، فيتولد فرق الضغط بين أعلى الجناح وأسفله ينجم عنه قوة رفع للأعلى تتغلب على قوة الوزن للأسفل فترتفع الطائرة .