جميع قوانين الضغط في الفيزياء تتغير بتغير المواد المراد قياس ضغطها، فمثلًا ضغط السوائل والغازات (ضغط الموائع) مختلف عن الضغط الواقع على المواد الصلبة، ذلك بسبب الطبيعة الجزيئية، فلكل مادة صورة من صور المادة، فالضغط بصفة عامة في علم الفيزياء هو القوة العامودية المؤثرة على وحدة المساحة.
كما تتعدد وحدات القياس بتعدد المواد أيضًا، وفي هذا الموضوع على موقع زيادة سنتناول في عجالة جميع قوانين الضغط في الفيزياء المعترف بها من قبل المجلات العلمية الموثوقة.
جميع قوانين الضغط في الفيزياء
تبدأ جميع قوانين الضغط في الفيزياء من منطلق قانون واحد جامع وهو قانون الضغط العام وهو:
الضغط= القوة / المساحة، ويتم اختصاره بـ (ض= ق/م)
هو وزن عمود الهواء المؤثر على سطح ما في مساحة قدرها سنتيمتر واحد، ووحدة قياس الضغط هي باسكال أو مليمتر زئبق.
إما الموائع فلها قانون خاض للضغط، فالضغط في الموائع هو مقدار القوة التي تؤثر بالتساوي على مساحة معينة من سطح المائع وهو:
الضغط = القوة المؤثرة / المساحة التي يؤثر عليها الضغط، ويتم اختصاره بـ (ض= ق/أ)
في هذا القانون عدة متغيرات وبالتالي لها علاقات متباينة مع ناتج العملية، المتغيرات هي:
- المساحة، العلاقة عكسية بينها وبين الضغط فكلما زادت المساحة قل مقدار الضغط الضغط وكلما قلت المساحة قل الضغط.
- القوة، العلاقة طردية بينها وبين الضغط فكلما زادت اللقوة المؤثرة على المساحة زاد مقدار الضغط؛ وكلما زادت القوة المؤثرة على مساحة ما زاد مقدار الضغط.
- طبيعة المائع.
- نوع المائع.
- كثافة المائع.
إلا أن هناك قوانين خاصة تصف حالات خاصة مثل:
قانون باسكال
لا يمكننا الحديث عن جميع قوانين الضغط في الفيزياء دون المرور على أهم قانون فيها وهو قانون باسكال أو ما يُعرف بقاعدة باسكال الذي ينص على أن الضغط على السوائل يتوزع بشكل متساوي في وعاء مغلق بالكامل.
معنى هذا إذا وضعنا سائل في أنبوبان متصلان فإن الضغط الواقع على أحدهما من تأثير خارجي؛ فإن الأنبوب الآخر سوف يتأثر بضغط مساوي للأنبوب الأول.
لا يمكن تطبيق قانون باسكال على الغازات لأنها لا يمكن ضغطها في الأنابيب بسهولة السوائل بسبب كبر المساحة البينية في الجزيئات.
التمثيل الرياضي لقانون باسكال
يمثل لقاعدة باسكال بـ p2-p1 = -pg (h2-h1)
تطبيقات على قانون باسكال
يدخل قانون بسكال في آلية عمل العديد من التطبيقات حولنا مثل:
الرافعة الهيدروليكية
تستخدم الروافع الهيدروليكية لرفع الأحمال الثقيلة بسهولة عن طريق هذا المبدأ عن طريق آلية ميكانيكية بسيطة
فبوضع سائل غير قابل للضغط في أنبوب على شكل حرف U أحد طرفيه أضيق من الآخر فأي تأثير طفيف في الضغط على الطرف الضيق سيؤثر بنفس المقدار على الطرف الآخر ذو المساحة الأكبر الذي يقع عنده الثقل المراد رفعه.
فرامل السيارات الهيدروليكية
تستخدم الفرامل الهيدروليكية في السيارات نفس الآلية التي طبقها قانون باسكال فالدواسة التي تقع عند قدم السائق يقع تحتها أنبوب رفيع به سائل، عند ضغط السائق عليه ينتقل الضغط عبرها إلى الأربع عجلات (أو العجلتين الخلفيتين) ويطبق عليها نفس مستوى الضغط.
بجانب عدد كبير من التطبيقات التي تعتمد على نفس المبدأ مثل:
- المكبس الهيدروليكي للقطن.
- رافعة كرسي طبيب الأسنان.
- رافعة السيارات في الجراج.
- آلة الحفر الهيدروليكية.
قانون برنولي
مبدأ برنولي أو قانون برنولي أو Bernoulli’s principle يتناول الضغط في السوائل في حالة جريانها، ببساطة هو أن المائع ضغطه في أنبوب مغلق يعتمد على قطر الأنبوب وسرعة جريانه في الأنبوب.
بالتالي فإن السائل الذي يتدفق في مساحة ضيقة يحمل سرعة عالية عن السائل الذي يتدفق في مساحة واسعة، ولو كان سائل يجري في أنبوب واسع وفيه منطقة ضيقة فإن المنطقة الضيقة التي يجري فيها السائل ستكون سرعته فيها أعلى.
كما أن هذا القانون يمكن تطبيقه على الغازات عكس قانون باسكال.
الصيغة الرياضية لقانون برنولي
اختصار قانون برنولي هو: “مجموع الضغط والطاقة الحركية وطاقة الوضع لوحدة الحجوم يساوي مقدارًا ثابتًا”
يمثل لقاعدة برنولي بـ:
الضغط المنخفض عند الدخول – الضغط المنخفض عند الخروج = كثافة المائع / 2 × (السرعة عند الخروج2 – السرعة عند الدخول2) + الجاذبية الأرضية × كثافة المائع × (ارتفاع مقطع الخروج عن الأرض – ارتفاع مقطع الدخول عن الأرض).
يتم اختصاره بـ: ض1 – ض2= ½ث (ع22 – ع21) + جـ ث (ف2 – ف1).
تطبيقات على قانون برنولي
يستخدم قانون برنولي في عدة تطبيقات صناعية أهمها صناعة أجنحة الطائرات، فيتم تصميم الجناح ليكون سطحه العلوي أكثر انحناءً عن سطحه السفلي المستقيم مما يخلق فرق في الضغط بينهما ويجعل سرعة الرياح أعلى على السطح العلوي؛ وبالتالي يكون ضغط الهواء في أسفل الجناح أعلى من ضغط الهواء في أعلى الجناح مما يرفع الطائرة إلى أعلى ويقلل الحمل على المحركات.
بالطبع هناك عدة تطبيقات أخرى لقانون برنولي إلا أن أجنحة الطائرات أبرزها.
قانون بويل
يعتبر قانون بويل هو أبسط قوانين الضغط، وهو القانون المقابل لقاعدة باسكال، فلا يعمل إلا على الغازات، ومنه تم اشتقاق قانون الغازات المجمع.
يقول قانون بويل أنه عند ضغط كمية معينة من الغاز في درجة حرارة معينة فإن الضغط يتناسب عكسيًا مع الحجم
الصيغة الرياضية لقانون بويل
يتم التمثيل لقانون بويل رياضًا بـ:
ضغط الغاز × حجم الغاز = ثابت رياضي.
يتم اختصاره بـ: pv = k.
تجربة اثبات قانون بويل
إجراء تجربة لإثبات قانون بويل سنحتاج إلى:
- عدد 2 بالون صغير.
- محقن بلاستيكي كبير (لا يقل عن 60 مم) (يجب التأكد أن المحقن ليس به إبرة ومن الأفضل شراء المحقن المخصص لشرب الدواء للأطفال)
- مقص
- ماء
خطوات التجربة
- املأ إحدى اللونتان بقدر قليل من الهواء بحيث تكون قادر على أن تدخله إلى المحقن بعد إذالة المكبس.
- املأ البالون الآخر بقدر مماثل من الماء.
- اربط كلا البلونتان بعد ملئها وقص الباقي بعد العقدة
- ادخل البلونة الأولى إلى المحقن واترك قدر من الهواء حولها ومن ثم اضغط بالمكبس عليها مع سد الطرف الآخر من المكبس بأصبعك، وسجل ملاحظاتك.
- ضع البلونة المملوءة بالماء في المحقن وكرر ما فعلته مع البلونة المملوءة بالهواء وسجل ملاحظاتك.
الملاحظة في التجربة
في حالة البلونة المملوءة بالهواء نجد أن عند الضغط على مكبس المحقن تنكمش، أما في حالة البلونة المملوءة بالماء نجد أنها عند الضغط على مكبس المحقن لا تنكمش.
النتائج من التجربة
أن عند زيادة الضغط على السوائل لا يتأثر الحجم؛ لكن عند زيادة الضغط على الغازات فيتأثر الحجم بشكلٍ واضح.
تطبيقات على قانون بويل
هناك تطبيقات حياتية كثيرة على قانون بويل مثل:
- علبة بخاخ الطلاء، فبها يتم ضغط الغاز في حالة شبه سائلة مع الطلاء وعند الضغط على فوهة الغاز يبدأ في الخروج مع الطلاء.
- سرعة خروج الغطاس من المياه العميقة، فأجسام البشر مصممة لحياة خارج المياه لكن عند الغوص في أعماق كبيرة فإن الضغط يزداد وبالتالي يبدأ الدم بامتصاص غاز النيتروجين ويخزنه في العضلات، فعند خروج الغواص من تحت الماء بسرعة كبيرة يؤدي بتحول الدم إلى ما يشبه الفوم أو انحسار النيتروجين في العضلات مما يؤدي لآلام شديدة للغواص وقد يصل الأمر للموت.
- تصميم عبوات المياه الغازية المضغوط، والذي يحدث بعد فتح العبوة هو أن الغاز يخرج معه السائل.
يمكنك أيضًا الاضطلاع على: ما هو علم الفيزياء
قانون شارل
قانون شارل أو قانون الحجوم أو Charles’s law يهتم بالغازات وحجمها عند زيادة الحرارة (التسخين) فبهذا القانون نستنتج أن العلاقة طردية بين حجم الغاز ودرجة الحرارة؛ فعند زيادة درجة الحرارة يزيد الحجم وعند خفض درجة الحرارة فإن الحجم يقل، تلك العلاقة تكون عند ثبات الضغط.
الصيغة الرياضية لقانون شارل
يتم التمثيل الرياضي لقانون تشارل بـ:
حجم الغاز / درجة الحرارة = ثابت رياضي
أو يتم اختصاره بـ V/T = K
تطبيقات على قانون شارل
هناك عدة تطبيقات حياتية وهندسية على قانون تشارل مثل:
- الهواء المضغوط في إطارات السيارة يجب قياس ضغطه بتغير الفصول، فضغط الإطار في فصل الصيف يكون أعلى منه في فصل الشتاء بسبب درجة الحرارة، كذلك يجب على السائقين قياس ضغط الإطارات قبل السفر لمسافات طويلة وضبطها حسب الكتالوج الذي يحدده الصناع بسبب أن الاحتكاك مع الطرق لفترة طويلة يولد حرارة بدورها ترفع الضغط.
- المنطاد السياحي، فكرة بناء المنطاد الهندسية تعتمد على قانون شارل، فيتم تسخين الهواء وحبسه داخل القماش المنتفخ ويزيد حجمه (كما ينص القانون) بالتالي تقل كثافته ويرتفع على أعلى حاملًا معه السلة في الأسفل.
- صناعة مخبوزات شهية منذ فجر التاريخ يعتمد على قانون شارل، فمنذ اكتشاف الإنسان للخميرة وإنه يستخدم هذا القانون قبل اكتشافه حتى.. فيتم وضع الخميرة مع العجين ومع التسخين تتحر الغازات في الخميرة ويزيد حجمها بفعل الحرارة فتكون جيوب صغير، ومع تكاثر الجيوب هذا يتكون الانتفاخ في المخبوزات.
قانون جاي – لوساك
يهتم قانون جاي – لوساك (Gay-Lussac’s law) بدراسة الضغط عند ثبات درجة الحرارة، ينص هذا القانون على ان عند ثبات حجم الغاز فإن الضغط يتناسب طرديًا مع درجة الحرارة المطلقة.
فعند تسخين الغاز مع ثبات الحجم يزيد الضغط وعند تبرد الغاز مع ثبات الحجم يقل الضغط، وينتج الضغط عن طريق اصطدام الجزيئات بجدران الإناء الموضوع فيه.
تم الاستنتاج من قانون جاي – لوساك أنه لا بد من وجود صفر مطلق فلا يمكن قياس الحرارة بالسالب.
الصيغة الرياضية لقانون
جاي – لوساك
يتم التمثيل الرياضي لقانون جاي – لوساك بـ:
ضغط الغاز / درجة حرارة الغاز = ثابت رياضي
يتم اختصاره رياضيًا إلى: P/T = K
تطبيقات حياتية على قانون جاي – لوساك
أهم التطبيقات الحياتية على قانون جاي – لوساك بخلاف أواني الطهي بالضغط أو ما شابه هو الإرشادات التي تُضع على العلب المغلقة بعدم تركها في الشمس أو تعريضها لدرجة حرارة معينة أو عدم رميها في سلة المهملات مع باقي أنواع المهملات لأن ذلك يؤدي لانفجارها.
فحين تتعرض العبوة الفارغة محكمة الغلق إلى حرارة وفقًا لقانون جاي – لوساك إنها يزيد بها ضغط الغاز وبالتالي تنفجر معرضة حياة البشر للخطر.
يمكنك أيضًا الاضطلاع على: قانون الحجم في الفيزياء
وحدات قياس ناتج جميع قوانين الضغط في الفيزياء
يتم قياس الضغط في الفيزياء بوحدات هي:
- البار: الوحدة الواحدة تساوي 105 نيوتن / م2، وتساوي أو 0.987 atm.
- باسكال: أهم وحدات قياس الضغط وتساوي نيوتن لكل متر مربع.
- Atm: الوحدة الواحدة تُساوي 101325 باسكالًا.