الضغط في الفيزياء

الضغط

المفهوم العام للضغط

عند الطهي غالباً سوف نحتاج لتقطيع الخضروات واللحوم بمختلف أنواعها، وحتى نقوم بعملية التقطيع سوف نستخدم مختلف أنواع السكاكين، ومن الواضح أن بعض الخضروات تكون ذات قشرة سميكة أو صلبة جداً، لذلك سوف نحتاج لسكين حادة أكثر حتى نتمكن من تقطيعها، وكذلك اللحوم الحمراء غالباً ما يكون تقطيعها أصعب من تقطيع اللحوم البيضاء، لذلك سوف نحتاج سكيناً أكثر حدةً لتقطيع اللحوم الحمراء. من الجدير بالذكر أنه لتقطيع أي شيء فإننا سوف نؤثر بقوة على السكين، ولكن كلما زادت حدة السكين فإن القوة التي سوف نقوم بالتأثير بها على السكين بالتأكيد سوف تكون أقل، وهذا المفهوم هو ما يعرف بالضغط (بالإنجليزية: Pressure).

المفهوم الفيزيائي للضغط

بعد ذكر مثال من الحياة اليومية، سوف نقوم بتوضيح الجانب العلمي حول مفهوم الضغط. بدايةً فإنه من المهم توضيح مفهوم الضغط، حيث يُعرف الضغط بأنه القوة المؤثرة على مساحة معينة أو سطح معين، بواسطة جسمٍ مائع، والموائع هي السوائل والغازات. ويُعطى الضغط رياضياً عن طريق العلاقة الآتية: ض=ق/أ

حيث إن "ض" هو الضغط، و"ق" هي القوة المُؤثرة، و"أ" هي المساحة التي تؤثر القوة عليها. وتوضح هذه العلاقة - كما يوضح مثال السكين- أن الضغط يتناسب مع القوة والمساحة، حيث إنه يتناسب بشكلٍ طرديٍ مع القوة؛ أي إن الضغط يزداد عندما نقوم بزيادة القوة، بينما يتناسب عكسياً مع المساحة؛ أي إن الضغط يقل عندما تزداد المساحة التي تؤثر القوة عليها. وإذا قمنا بتثبيت مقدار القوة المؤثرة وتغيير حدة السكين، فسوف نلاحظ أن السكين الحادة جداً تكون ذات كفاءةٍ أعلى عند التقطيع، حيث إن حدة السكين تُمثل مساحة مقطع النصل، فإذا كان النصل حاداً؛ أي إن مساحة مقطعه صغيرة جداً، فإن الضغط سيكون عالياً جداً عند ثبات القوة، وهذا هو سبب عدم حاجتنا للتأثير بقوة عالية جداً عند التقطيع بسكين حادة.

وحدات الضغط

كغيرها من الكميات الفيزيائية فإن الضغط يمتلك وحدةً خاصةً به، وكما جرت العادة في الفيزياء ، فإنه يمكننا اشتقاق وحدة الضغط بالرجوع للقانون الرياضي له كما يأتي:

إن وحدة قياس القوة هي نيوتن، وكل 1نيوتن= 1 كغ.م/ث.

كما أن وحدة قياس المساحة هي م.

الآن بقسمة وحدة القوة على وحدة المساحة سوف نجد وحدة الضغط، حيث إن 1نيوتن/م = 1كغ/م.ث

حيث ينتج أخيراً وحدة قياس الضغط والتي تُسمّى الباسكال.

يوجد أيضاً وحدتين مشهورتين للضغط، الأولى هي ما يعرف بوحدة الضغط الجوي، حيث إن وحدة الضغط الجوي تُعبّر عن متوسط مقدار الضغط الجوي عند مستوى البحر، ووحدة الضغط الجوي الواحدة تكافئ 101,325باسكال. الوحدة الأخرى هي وحدة البار، وتكافئ 100000 باسكال، والملي بار سوف يساوي إذاً 100 باسكال.

الضغط في الموائع

الموائع هي السوائل والغازات، وفي هذا البند سوف نتحدث عن الضغط الذي تولّده الموائع، فلا يمكننا إهمال الضغط الذي تسببه ونحن مغمورون فيه طوال حياتنا، لكن الأمر سوف يكون مختلفاً قليلاً عن الضغط المتولد عن المواد الصلبة.

الضغط في السوائل

يمكن إيجاد الضغط الناتج عن السوائل بنفس الطريقة، ولتقريب الفكرة إلى واقع حياتنا اليومية نطرح المثال الآتي: لنقل إن لدينا بركةً عميقةً من الماء، فإذا نزلت في الماء بعمقٍ كبير سوف تشعر بالتأكيد بشعورٍ غير مألوف بالنسبة لك، حيث إنك سوف تشعر بالمزيد من الضغط على جسدك، ومن هنا يتبيّن لنا أن الماء يسبب ضغطاً على الأجسام الموجودة فيه، وكذلك على جدران الوعاء الحاوي له. ويمكن حساب الضغط داخل الماء من خلال العلاقة الآتية (يمكن اشتقاق هذه العلاقة بسهولة من ض=ق/أ):

ض=ρ×ج×ل

حيث إن "ض" هو الضغط، و"ρ" هي كثافة السائل (وهنا كثافة الماء)، و"ج" هو تسارع الجاذبية الأرضية ويساوي 9.8م/ث، و"ل" هو العمق الذي يوجد فيه الجسم المغمور في الماء (أو طول عامود المائع فوق الجسم المغمور في هذا المائع). من الواضح من هذه العلاقة أنه ليس لصفات الجسم الذي يؤثر عليه السائل أي علاقة بمقدار الضغط، فالضغط يتناسب مع صفة من صفات السائل وهي كثافته، بالإضافة لتسارع الجاذبية الأرضية ، ومقدار ارتفاع السائل فوق الجسم، وأي من هذه الصفات ليست صفةً من صفات الجسم المغمور.

الآن بعد أن تحدثنا عن مقدار الضغط المتولد فوق الجسم المغمور لا يمكننا أن ننسى أن السائل يولد ضغطاً على جميع أجزاء الجسم المغمور، ليس فقط الجزء العلوي منه، وهذا لأن السائل يُسحب للأسفل بفعل قوة الجاذبية ، وعند غمر جسمٍ ما في السائل فإن مستوى السائل يرتفع قليلاً، الأمر الذي يؤدي لمحاولة الماء للرجوع إلى مستواه الأصلي (وذلك بسبب أنه يحتاج أقل طاقة ) الأمر الذي يؤدي إلى تولد ضغط على الجسم المغمور من كل الجهات، بهدف إبعاده وعودة الماء لمستواه الطبيعي.

الضغط المتولد عن الغازات

يمكن إيجاد الضّغط المتولّد عن الغازات عن طريق العلاقة ذاتها التي استعملناها لإيجاد الضغط المتولد عن السوائل (ض= ρ×ج×ل)، لكن ليس تماماً؛ فلا يمكننا استخدام هذه العلاقة لحساب الضغط الجوي عند أي مستوى، والسبب في ذلك يعود إلى اختلاف كثافة الغلاف الجوي عند ارتفاعات مختلفة، ولهذا لن يسهم بضغطٍ منتظم. هذا الأمر يجعلنا نضع شرطاً عند استخدام العلاقة ض= ρ×ج×ل وهو أن يكون المائع متجانساً من حيث الكثافة؛ أي إنه يمتلك الكثافة نفسها عند كل الارتفاعات. الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر مساوٍ لوحدة ضغط جوي واحدة؛ أي 101325باسكال، وهذا ضغط عالٍ جداً، لكن لماذا لا نشعر به؟ الإجابة بسيطة، هذا بسبب أننا نكون مغمورين به طيلة حياتنا وقد تكيفت أجسامنا عليه، فضلاً عن أن آلية النمو في أجسامنا ذات تكيفٍ ملائمٍ بحيث تكون معاكسةً للضغط الجوي مما يسمح لنا بالنمو أكثر، ونحن لن نشعر بالضغط الجوي إلا عند تغيره بسبب تغير الارتفاع -على سبيل المثال-. أخيراً فإن مقدار الضغط المؤثر على جسم مغمور في سائل متجانس هو:

ض_كلي= (ρ×ج×ل) ض_جوي

حيث إن ض_جوي= 101325 باسكال، حيث إنه وبإضافة الضغط الجوي يمكننا أن نجد الضغط الكلي المؤثر على جسم مغمور.