فشار در مایعات

 به هر سطحی که با شاره‌ای (گاز یا مایع) ساکن در تماس باشد، نیرویی عمودی وارد می‌شود. این سطح می‌تواند جداره یک ظرف محتوی شاره یا جسمی باشد که در شاره غوطه‌ور است. اگر شاره را حتی ساکن در نظر بگیریم باز هم مولکول های آن در حال حرکت  هستند و نیروی عمودی که توسط شاره به سطح دیواره‌ها یا اجسام وارد می‌شود، ناشی از برخورد همین مولکول‌های در حالت حرکت است. برای مثال، مطابق شکل زیر به دیواره یا جداره داخلی یک لاستیک پر از هوا نیروی عمودی وارد می‌شود همچنین جسمی غوطه‌ور در یک مایع به همراه نیروهای عمودی وارد شده بر سطح آن از طرف مایع را نشان می‌دهد.

 وقتی انگشت خود را در جلوی خروجی یک شیلنگ آب بگیرید یا مطلبق شکل زیر وقتی یک غواص به عمق دریا می‌رود، فشار آب احساس می‌شود.

فشار در مایع از رابطه‌ی P=ƿgh محاسبه می شود. در این رابطه فشار ارتباط مستقیم با چگالی، شتاب گرانش و ارتفاع یا عمق از سطح مایع دارد. شتاب گرانش در روی زمین یک مقدار ثابت بوده و چگالی مایع مورد بررسی به طور معمول بدون تغییر است به همین دلیل فشار مایعات را متغیر از ارتفاع در نظر می‌گیریم. با افزایش ارتفاع از سطح مایع فشار مایع هم افزایش می‌یابد. اگر در یک بطری آب در ارتفاعات متفاوت سوراخی ایجاد کنیم، آن‌ها را پوشانده و سپس بطری را از مایع پر کنیم با برداشتن درپوش‌ها شدت مایع خروجی در سوراخ با ارتفاع بزرگتر، بیشتر خواهد بود. همچنین اگر سوراخ‌ها در یک ارتفاع یکسان ایجاد شده باشند سرعت خروج آب در تمامی آن‌ها یکسان است. در شکل زیر تاثیر عمق در فشار مایع نشان داده شده است.

تغییرات فشار در آب و هوا

در شکل زیر فشار وارد شده از آب به شخص از فشار وارده از طرف هوا بیشتر بوده زیرا چگالی آب بزرگتر است.

در مایعات با افزایش عمق از سطح مایع میزان فشار وارده به آن نقطه بیشتر می‌شود. فشارگاز با ارتفاع رابطع عکس دارد. هر چه ارتفاع از سطح زمین بیشتر شود میزان فشار کاهش می‌یابد.مطابق شکل زیر.

فشار در مایع روان و غیر روان

فشار یک مایع استاتیک (غیر روان) برابر با وزن ستون مایع بالای آن است. بنابراین فشار یک مایع ایستا (غیر روان) تنها به چگالی سیال، شتاب گرانشی، فشار اتمسفر و ارتفاع مایع بالاتر از نقطه اندازه گیری فشار بستگی دارد. اصطلاح “هیدرو” به معنای آب است و اصطلاح “استاتیک” به معنای تغییر نکردن است. این بدان معنی است که فشار هیدرواستاتیک فشار آب غیر روان است. از آنجا که فشار هیدرواستاتیک، وزن ستون مایع بالاتر از نقطه اندازه گیری شده است، می‌توانیم آن را از معادله‌ی  P=ƿgh به دست آوریم. فشار ناشی از یک مایع متحرک با فشار مایع ایستا متفاوت است. از قضیه برنولی برای محاسبه فشار مایعات روان می‌توان استفاده کرد.

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو

رابطه‌ی فشار و سرعت

دانیل برنولی دانشمند و ریاضی‌دان  بزرگ قرن هجدهم میلادی زندگی بود، که قانون برنولی را کشف کرد. طبق قانون برنولی وقتی مایع یا گازی در حال حرکت است، فشار کم می‌شود و هنگامی که این حرکت سریع‌تر می‌شود، فشار به شدت کاهش می‌یابد. به عبارتی فشار و سرعت سیال نسبت عکس با یکدیگر دارند. مطابق شکل زیر، اگر جریان آب از یک لوله با قطر ۲۰ سانتی متر وارد یک لوله با قطر ۱۰ سانتی متر شود، به علت کمتر شدن قطر لوله، سرعت حرکت آب سریع‌تر می‌شود و فشار کاهش می‌یابد. بنابراین هر چه قدر سطح مقطع لوله کم و کمتر شود، سرعت جریان شاره بیشتر و بیشتر و فشار کمتر و کمتر می‌شود.

قانون برنولی در توجیه حرکت یک هواپیما هم استفاده می‌شود. بال های هواپیما طوری طراحی شده است که میزان هوایی که از بخش بالایی بال ها حرکت می‌کند، بسیار سریع‌تر از مقدار جریان هوایی است که از بخش پایینی بال هواپیما عبور می‌کند. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، با توجه به رابطه عکس سرعت و فشار، میزان فشار در بالای بال کاهش یافته و هواپیما می‌تواند در آسمان حرکت کند.

اصل پاسکال در مایعات

اگر به بخشی از مایعی که درون ظرف محصور است فشار وارد کنیم، این فشار بدون ضعیف شدن به بخش‌های دیگر مایع و دیواره‌های ظرف منتقل می‌شود. این ویژگی مایع‌ها اصل پاسکال نامیده می‌شود.

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو

ترمز هیدرولیکی

شکل زیر اجزای ترمز هیدرولیکی خودرو را نشان می‌دهد که بر مبنای اصل پاسکال کار می‌کند. وقتی راننده پدال ترمز را فشار می‌دهد، این فشار توسط روغن ترمز به پیستون‌ها، کفشک‌ها و بالشتک‌ها منتقل می‌شود. کفشک‌ها به کاسه‌ی ترمز عقب و بالشتک‌ها به صفحه‌ای که به چرخ جلو متصل است نیرو وارد کرده و خودرو متوقف می‌شود.