Back to the topics list

فشار

درک فشار

امروز، مفهوم فشار را بررسی خواهیم کرد، ایده‌ای بنیادی که در درک چگونگی عملکرد نیروها در زمینه‌های مختلف مهم است. ما بررسی خواهیم کرد که فشار چیست، چگونه محاسبه می شود، و پیامدهای آن در هر دو سیستم طبیعی و مهندسی شده.

فشار چیست؟

فشار اندازه گیری نیرویی است که در واحد سطح روی سطح یک جسم وارد می شود. این راهی برای درک چگونگی توزیع نیروها بر روی سطوح است. این مفهوم در زمینه‌های مختلف از جمله فیزیک، مهندسی و هواشناسی بسیار مهم است، زیرا به توضیح پدیده‌هایی مانند نیروی خرد کردن در عمق زیر آب، بالابر زیر بال هواپیما و حتی نحوه برش چاقو کمک می‌کند.

فرمول فشار

فرمول ریاضی برای محاسبه فشار به صورت زیر بیان می شود:

جایی که:

• \(P\) فشار است،
• \(F\) نیرویی است که عمود بر سطح اعمال می شود،
• \(A\) ناحیه ای است که نیرو بر روی آن توزیع می شود.

این فرمول نشان می‌دهد که فشار زمانی که نیروی بیشتری اعمال می‌شود یا زمانی که نیرو در ناحیه کوچک‌تری اعمال می‌شود، افزایش می‌یابد.

واحدهای فشار

واحد فشار SI پاسکال (Pa) است که برابر با یک نیوتن در هر متر مربع ( \(N/m^2\) ) است. سایر واحدهای فشار عبارتند از اتمسفر (atm)، میله ها و پوند بر اینچ مربع (psi) که هر کدام در زمینه های مختلف مفید هستند.

نمونه هایی از فشار در زندگی روزمره

بیایید چند مثال را بررسی کنیم تا ببینیم فشار در زندگی روزمره ما چگونه عمل می کند:

• ایستادن روی برف: پوشیدن کفش‌های برفی وزن شما را در منطقه بزرگ‌تری توزیع می‌کند و فشار وارده بر برف را کاهش می‌دهد و از فرورفتن شما جلوگیری می‌کند.
• استفاده از چاقو: یک چاقوی تیز دارای یک لبه بسیار نازک است، به این معنی که نیروی اعمال شده از طریق آن بر روی یک منطقه کوچک عمل می کند و در نتیجه فشار بالایی ایجاد می کند که به راحتی مواد را برش می دهد.
• فشار تایر: لاستیک‌های دوچرخه و خودرو تا فشار خاصی باد می‌شوند تا چسبندگی و کارایی را بهینه کنند. خیلی کم است و لاستیک بیش از حد تغییر شکل می دهد و اصطکاک را افزایش می دهد. خیلی بالاست و لاستیک به اندازه کافی تغییر شکل نمی دهد و چسبندگی را کاهش می دهد.

فشار در سیالات

فشار در سیالات - گازها و مایعات - به ویژه جالب است. در همه جهات به یک اندازه اعمال می شود و با عمق افزایش می یابد. فشار در هر نقطه از یک سیال در حالت سکون به وسیله:

جایی که:

• \(P\) نشان دهنده فشار است،
• \(\rho\) (rho) چگالی سیال است،
• \(g\) شتاب ناشی از گرانش است،
• \(h\) ارتفاع ستون سیال بالای نقطه است.

این معادله توضیح می‌دهد که چرا هر چه فشار به زیر سطح یک مایع، مانند استخر شنا یا اقیانوس، بیشتر می‌شود، افزایش می‌یابد.

فشار جو

فشار اتمسفر نیرویی است که در واحد سطح زمین توسط وزن هوای بالای آن بر سطح زمین وارد می شود. با افزایش ارتفاع کاهش می یابد. به همین دلیل است که نفس کشیدن در ارتفاعات دشوارتر است - فشار کمتری وجود دارد که اکسیژن را به ریه های ما فشار می دهد.

کاربردهای فشار

درک فشار منجر به کاربردها و فناوری های متعددی شده است:

• هیدرولیک: سیستم های هیدرولیک از فشار سیال برای تامین انرژی همه چیز از ترمز خودرو گرفته تا تجهیزات ساختمانی استفاده می کنند. با اعمال نیرو به یک پیستون کوچک، فشار بالا حاصل از طریق یک سیال منتقل می شود تا روی پیستون بزرگتر عمل کند و در نتیجه نیروی خروجی بیشتری ایجاد می شود.
• آیرودینامیک: نحوه تغییر فشار هوا در اطراف جسمی که در هوا حرکت می کند بسیار مهم است. به عنوان مثال، بال‌های هواپیما طوری طراحی شده‌اند که هوا سریع‌تر از بالای بال حرکت می‌کند، فشار را کاهش می‌دهد و زیر بال‌ها بالا می‌آید.
• هواشناسی: تغییرات فشار اتمسفر برای پیش بینی الگوهای آب و هوا استفاده می شود. فشار کم اغلب باران را به همراه دارد، در حالی که فشار بالا باعث ایجاد آب و هوای مناسب می شود.

آزمایش با فشار

حتی بدون تجهیزات تخصصی، راه هایی برای مشاهده اثرات فشار وجود دارد. یک آزمایش ساده شامل یک بادکنک و یک جسم تیز مانند یک سیخ است. با پوشاندن سیخ با صابون ظرفشویی و فشار دادن آن به دقت از قسمت های ضخیم لاستیک بادکنک نزدیک بالا و پایین، جایی که لاستیک تحت فشار کمتری قرار دارد، در واقع می توانید سیخ را بدون ترکیدن بادکنک وارد کنید. این نشان می دهد که چگونه فشار توزیع می شود و اهمیت ناحیه ای که یک نیرو بر روی آن وارد می شود.

نتیجه

فشار مفهومی است که به ما امکان می دهد بفهمیم نیروها در مناطقی چگونه عمل می کنند و پیامدهای عمیقی در دنیای ما دارد. از توضیح پدیده‌های طبیعی مانند فشار اتمسفر و آب تا فناوری‌های توانمند در مهندسی، درک فشار درک ما را از محیط طبیعی و ساخته شده غنی می‌کند.