مایع هر مادهای ـه که جریان پیدا کنه و با شکل ظرف خود سازگار شه—مایعات و گازها هر دو جزء این دسته. برخلاف جامدات، مایعات نمیتونن تنش برشی رو مدتزمان تحمل کنن؛ بجاش نیروها رو بهصورت فشار منتقل میکنن، کمیتی نردهای (بدون جهت) که عمود بر سطح اندازهگیری میشه.
فشار: تعریف و یکا
فشار نیرو بر واحد سطح ـه:
\[ P = \frac{F}{A} \]
که \( F \) نیروی عمودی و \( A \) سطح مورد اثر. یکای SI: پاسکال (Pa)، معادل N/m². یکاهای رایج دیگر: atm (101,325 Pa)، bar (100,000 Pa)، psi (پوند بر اینچ مربع).
پاسکال واقعاً کوچیک ـه—۱ Pa وزن یه جرم ۱۰۰ گرمی روی ۱ متر مربع پخششده. فشار اتمسفر در سطح دریا ≈ ۱۰۱ کیلوپاسکال (۱ atm).
چرا فشار، نه نیرو؟
فشار روشهای مختلفی که مایعات واکنش نشون میدن رو یکپارچه میکنه. سنجاق تیز نیرو رو روی سطح کوچک متمرکز میکنه و فشار بالا ایجاد میکنه که پوست رو سوراخ میکنه. همون نیرو اگه روی کف دست پخش شه، فشار پایین ایجاد میکنه و هیچ آسیبی نمیرسونه. در مکانیک سیالات، فشار کمیت اصلی ـه چون مایعات با هر شکل ظرفی سازگار میشن و نیرو رو یکسان روی تمام سطوح منتقل میکنن.
مثال محاسبهای: فشار اتمسفر روی دستت
فشار اتمسفر در سطح دریا \( P_{\text{atm}} \approx 101,325 \) Pa. فرض کن کف دست تو سطح تقریبی ۰.۰۱ متر مربع داره (۱۰۰ سانتیمتر مربع).
سؤال: کل نیروی وارد بر یک کف دست از فشار اتمسفر چقدره؟
راهحل: \[ F = P \cdot A = 101,325 \text{ Pa} \times 0.01 \text{ m}^2 = 1013.25 \text{ N} \approx 1 \text{ kN} \]
این تقریباً برابر وزن یه جرم ۱۰۰ کیلوگرمی ـه که روی دست فشار میآره. ولی توی خودت احساس نمیکنی چون بدنت از داخل فشار برابری (خون، مایعات سلولی) حفظ میکنه و نیروی خالصی وجود نداره. اگه فشار داخلی حذف شه (خلأ)، دست تو له میشه.
فشار در مایعات ساکن
در مایعی ساکن، فشار در تمام جهتها در یک نقطهی معین برابر ـه (اصل پاسکال). این خاصیت از اینجایی ریشه داره که عناصر مایع میتونن آزادانه بچرخن و نمیتونن تنش برشی تحمل کنن. در هر عمق، فشار محلی فقط به وزن مایع بالاتر بستگی داره، نه شکل ظرف یا جهتگیریاش.
فشار گیج vs فشار مطلق
- فشار مطلق: از صفر (خلأ کامل) اندازهگیری میشه. همیشه مثبت.
- فشار گیج: نسبت به فشار اتمسفری اندازهگیری میشه. تایر ماشینی که "۳۲ psi گیج" نشون میده، فشار مطلق ۳۲ + ۱۴.۷ ≈ ۴۷ psi داره. بیشتر گیجهای عملی فشار گیج رو میخونن چون فشار اتمسفری بهعنوان خط مبنا حذف میشه.
نگاه میکروسکوپی
در تراز ملکولی، فشار از حرکت تصادفی و حرارتی ملکولها ایجاد میشه. ملکولهای گاز به دیوارههای ظرف میخورن، مومنتوم منتقل میکنن و فشار ایجاد میکنن. افزایش دما ملکولها رو سریعتر میکنه و فشار افزایش میده. کاهش حجم ملکولها رو در فضای کوچکتر فشرده میکنه و فرکانس برخورد بالا میرونه. برای مایعات، فشار شامل حرکت ملکولی و نیروهای چسبندگی بین ملکولهاست.
کاربردهای عملی
سیستمهای هیدرولیکی از یکنواختی فشار استفاده میکنن: نیروی کوچیک روی پیستون کوچک فشار بالا ایجاد میکنه، منتقلشده به پیستون بزرگتر و نیروی زیاد ایجاد میکنه (تقویت نیرو). این اصل ترمز ماشینها، آسانسورهای پزشکی و ماشینهای سنگین رو راهاندازی میکنه.
غوطهوری: فشار زیرآب با عمق افزایش میده چون وزن آب جمع میشه. در عمق ۱۰ متری، فشار تقریباً ۲ atm (۲ برابر اتمسفری). در عمق ۴۰ متری (حد بازیوار برای غوطهوری)، فشار از ۴ atm بیشتره و نیاز به خروج احتیاطیوار داره.
چه چیزی رو باید یاد گرفته باشی
- تعریف فشار و محاسبهش از نیرو و سطح
- تبدیل بین پاسکال، atm، bar و psi
- توضیح دادن اینکه فشار (نه نیرو) کمیت مرتبط در مایعات چرا ـه
- تفکیک فشار مطلق و گیج
- درک اینکه در مایع ساکن، فشار به جهت بستگی نداره
پیشنمایش §۱۴.۲
فشار هیدروستاتیک: چگونه فشار با عمق در مایع ساکن تغییر میکنه.
📚 همچنین ببین: Halliday Vol 2, Ch 14, §14.1.
سوالی دارید؟ 🤔
اگه مفهومی نامشخص بود یا سوالی داشتید، اینجا بپرسید. جوابتون در اینجا منتشر میشه.