ضغط السوائل
من الصعب تخيّل أنّ المادّة المائعة كالسوائل أو الغازات تشكّل ضغطاً كالمادّة الصلبة، فقد يبدو غريباً أن نقوم بطرق مسمار ما باستخدام السائل، ولكن يصبح من السهل تصوّر هذه الحقيقة عند تخيّل غمر إنسان في الماء بعمقٍ ما، حيث إنّ المياه الواقعة فوق الجسم المغمور ستدفعه إلى الأسفل بفعل قوّة الجاذبيّة الأرضيّة وستشكّل ضغطاً عليه، وكلّما غُمر الجسم بالماء لعمقٍ أكثر يزداد ضغط ووزن الماء عليه.
قانون ضغط الموائع
إنّ المعادلة الفيزيائيّة المستخدمة في قياس قيمة ضغط الموائع هي: P=ρgh، حيث تعبّر الرموز عن الآتي:
- P: الضغط.
- ρ: كثافة المائع.
- G: ثابت الجاذبيّة الأرضيّة.
- H: العمق.
يجب الانتباه إلى أنّ القيمة ρ يجب أن تساوي قيمة كثافة المائع المشكّل للضغط وليس كثافة الجسم الواقع في المائع، كما إنّ العمق يجب أن يساوي عمق الجسم في المائع، ويجب استخدام الإشارة الموجبة لوصف العمق على الرغم من أنّه واقعاً تحت السطح، أمّا ثابت الجاذبيّة الأرضيّة فهو يساوي 9.8 م/ث^2.
عند الرغبة بقياس قيمة الضغط الكليّ المتشكّل على جسمٍ ما مغمور في المائع، فيجب تطبيق المعادلة الآتية: Ptotal =ρgh Patm، حيث تعبّر الرموز عمّا يلي:
- Ptotal: قيمة الضغط الكليّة.
- ρ: كثافة المائع.
- G: ثابت الجاذبيّة الأرضيّة.
- H: العمق.
- Patm: قيمة الضغط الجويّ.
خصائص ضغط الموائع
يُطلق على كل من السوائل والغازات اسم الموائع في علم الفيزياء ، فكلا المادتين تتخذان شكل الإناء الذي يوضع به، وبالتالي يمكن وصف كل من ضغط الهواء وضغط الماء بضغط الموائع، ويتميّز ضغط المائع المحصور في وعاء بثلاث خصائص وهي:
- عند تعرّض المائع المحصور في الوعاء لحركة خارجيّة فينتج قوة عموديّة على الجدران داخل الوعاء.
- إنّ جدران الوعاء تسبب قوة على المائع، وبكلا الحالتين فإنّ القوة تكون عمودية على الجدران دائماً.
- تتساوى قيمة الضغط المتشكّلة على أي مساحة صغيرة من سطح المائع.
يعتبر الوعاء الخاص لوصف الخصائص السابقة بأنّه محدوداً؛ أي لا يوجد مكان آخر يمكن للموائع أن تذهب إليه، كما إنّ القوة الخارجية التي يتعرّض إليها المائع تتوزّع بشكلٍ منتظم، ويجب الانتباه إلى أنّه بالإضافة لذكر القوة الخارجيّة المؤثّرة على المائع فإنّ المائع نفسه يؤثّر بضغط يساوي قيمة وزنه، وبسبب الوزن الذي يشكّله المائع في الوعاء فإنّ قيمة الضغط في القاع تكون أكبر بكثير من قيمة الضغط في أعلى الوعاء، ويظهر ذلك في المعادلة الخاصّة بالضغط حيث إنّ قيمة الارتفاع تكون أكبر وبالتالي يكون الضغط أكبر.
أمّا بالنسبة للخاصيّة الثالثة فإنّها تعني أنّ قيمة الضغط المتكوّنة على المنطقة الموجودة بشكلٍ عموديّ على جدران الوعاء، أو الموازية لها، أو التي يكون اتجاهها زاوي تكون متساوية، وعلى الرغم من أنّ هذه الخاصيّة قد تبدو متناقضة مع المبدأ الأوّل وهو أنّ القوّة هي عموديّة على جدران الوعاء إلّا أنّ هذه القوة هي كميّة متّجهة؛ أي أنّه يمكن وصفها باستخدام المقدار والاتّجاه معاً، أمّا الضغط فهو قيمة فيزيائيّة قياسيّة؛ أي أنّه يمكن تحديد القيمة باستخدام مقدارها فقط ولا يوجد لها اتّجاه.
تطبيقات عمليّة على ضغط الموائع
المكبس الهيدروليكي ومبدأ باسكال
ينص مبدأ باسكال على أنّه عند حدوث زيادة في الضغط عند نقطة معينة في المائع فستحدث زيادة مساوية عند أي نقطة أخرى في الوعاء. ويعتبر النظام الهيدروليكيّ تطبيقاً لهذا المبدأ، حيث أنّه يستخدم الموائع الغير مضغوطة كالزيت والماء، والهواء لتحويل القوّة من مكانٍ إلى آخر ضمن المائع المستخدم، ويستخدم هذا النظام في معظم الطائرات في نظام الفرامل والهبوط.
من الأمثلة العمليّة على النظام الهيدروليكي هو المكبس المستخدم لرفع السيارات، حيث أنّه مكوّن من أسطوانتين اثنتين موضوعتين في اتجاهين مختلفين، ويحتوي كلاهما على مكبس، وتُربط قناة تحتوي على المائع في أسفلهما، كما تتحكّم الصمامات في التدفّق الحاصل بينهما، حيث إنّه عند تطبيق قوة بأحد الإسطوانات عن طريق ضغط المكبس إلى الأسفل يتشكّل ضغطاً يسبب تأثيراً على الإسطوانة الأخرى، مما يؤدّي إلى رفع المكبس وبالتالي ارتفاع السيارة.
مكبس المضخّة الهيدروليكيّة
إنّ مكبس السيارة هو أحد الأمثلة البسيطة على استخدام النظام الهيدروليكي، حيث إنّ مبدأ باسكال يستخدم في العديد من التطبيقات الأخرى، ومنها مكبس المضخّة الهيدروليكيّة، والذي يستخدم في الآلات الثقيلة كالجرافات والمصاعد الهيدروليكيّة المستخدمة في مصاعد رجال الإطفاء والعاملين في المرافق العامّة للوصول إلى الأماكن المرتفعة، ولكن في هذا التطبيق فإنّ آلية العمل تختلف عن المكبس الهيدروليكي حيث تنعكس المخرجات لتصبح مدخلات في هذا النظام.
يتميز هذا النظام بوجود إسطوانة المدخلات وهي الإسطوانة الرئيسيّة تحتوي على مساحة كبيرة على عكس إسطوانة الإنتاج التي تحتوي على مساحة سطح صغيرة، وتم تصميمها بهذا الشكل للاستفادة من الخصائص الميكانيّكة بشكلٍ أكبر من خاصيّة الضغط، كما إنّ طول الإسطوانة الرئيسيّة صغير بينما طول الإسطوانة الأخرى كبير، ونظراً لاختلاف المساحة بين الإسطوانتين فإنّ مدخلات القوّة تكون أكبر بكثير من الناتج، وعلى الرغم من ذلك فإنّ هذا التطبيق يؤدّي غرضة بالشكل المطلوب كما يحدث بالرافعة السيارات تماماً، حيث إنّه تم تصميم مكبس السيارات لرفع سيارات ثقيلة خلال مسافة عموديّة قصيرة، أمّا مضخّة المكبس الهيدروليكي تقوم برفع أوزان أقل بكثير قد لا تتجاوز الشخص الواحد فقط باستخدام مدى عمودي أكبر بكثير، وغالباً ما تسخدم لرفع الشخص للوصول إلى أعلى مبنى ما أو شجرة.
