فشار

 

 

فشار عبارتست از نیروی وارده بر واحد سطح که با علامت اختصاری p نشان میدهند. این کمیت در گازها نقش عمده را ایفا میکند زیرا یکی از کمیات مشخصه گازمیباشد، از این رو بیشتر قوانین فشار در گازها نهفته شده و به دست آوردن معادله حالت گاز به کار برده میشود.

 

 

تعریف فشار:

فشار عبارتست از نیروی وارده بر واحد سطح که با علامت اختصاری p نشان میدهند. این کمیت در گازها نقش عمده را ایفا میکند زیرا یکی از کمیات مشخصه گاز میباشد، از این رو بیشتر قوانین فشار در گازها نهفته شده و به دست آوردن معادله حالت گاز به کار برده میشود.

 

مفهوم فشار:

 

• اثر نیرو بر روی یک سطح بستگی دارد که نیرو چگونه اعمال شود. شخصی که کفش ورزشی میخ دار پوشیده. میخ کفشهایش در زمین فرو میرود در صورتیکه کفش معمولی بر زمین آسیب نمیرساند. نکته قابل توجه این است که در هر دو مورد نیرویی که بر سطح وارد میشود یکسان بوده و همان نیروی وزناوست. اختلاف میان این دو حالت در این است که کفش ورزشی نیرو را بر سطح کوچکی وارد میکند.
  
  میخ کفشها مقدار نیروی کل را تغییر نمیدهد ، بلکه نیرو بر واحد سطح را به شدت افزایش میدهد. که کمیت نیروی وارد بر واحد سطح نیز فشار نام دارد. به زبان ریاضی فشار بصورت زیر بیان میشود:

 

P=F/A که در آن P فشار ، F نیرو و A سطح مقطع اثر نیرو میباشد.

 

• اسکیبازان موقع اسکی کفش اسکی میپوشند زیرا دارای سطح مقطع بزرگتری است و فشار وارد بر سطح را کاهش میدهد.

چاقو به خاطر سطح مقطع بسیار کوچک تماس با اجسام (مثلا دست) در اثر اعمال مقدار نیروی هر چند ناچیز ، نیروی واحد سطح (فشار) بزرگتری را ایجاد کرده و سبب برش اجسام میشود.

 

 

یکای فشار:

 

فشاربا یکاهای مختلفی بیان میشود. یکای استاندارد ما در دستگاه SI پاسکال میباشد که برابر(1Pa=1N/m2) میباشد. یک پاسکال برابر مقدار یک نیوتن نیروست که بر یک متر مربع سطح جسمی وارد میگردد. بهترین یکایی که میتواند مرجعی برای سایر یکاها به کار برده شود اتمسفر یا جو (Atmospher ) است که به صورت فشار متوسط هوا در سطح دریا تعریف میشود.

چون پاسکال یکای کوچکی برای فشار است معمولا از کیلو پاسکال(kpa) که برابر 1000 پاسکال است، استفاده میکنند. هر جو تقریبا برابر 100 kpa است. هواشناسان ازواحد میلی بار استفاده میکنند که برابر یک دهم پاسکال است. از سایر واحدهای فشار میتوان دین بر سانتیمتر مربع (dyn/cm2) یا torr را نام برد.

چون در اندازه گیری فشار در لوله U شکل از طول سنجی مایع جیوه به فشار سنجی پی می برند، واحد سانتیمتر جیوه (cmHg) نیز برای کمیت فشار به غلط مرسوم شده است.

 

نحوه اندازه گیری فشار:

 

فشار را به کمک دستگاههای فشار سنج اندازه میگیرند عمدهترین فشار سنجها که بر حسب مکانیزم کارشناسان نام گذاری شده است عبارتند از:

 

• فشارسنج لوله U شکل

​

• فشار سنج مکلئود

​

• فشار سنج جیوها

​

• فشار سنج ترموکوپل

​

• فشارسنج صوتی

​

• فشار سنج خازنی

​

• فشارسنج گازایدهآل

ساده ترین و معروترین آنها فشار سنج لوله U شکل است که در آن مقداری جیوه در لوله U شکل ریخته شده و میزان اختلاف فشار محیط (هواکه برابر p0 است) و ماده د اخل فشارسنج که بر مایع جیوه فشار وارد میکند ازطریق اختلاف ارتفاع ستون مایع جیوه اندازه گیری میشود. بنابراین از این طریق فشار واقعی را میتوانیم به دست آوریم: « P=P0+ρg(h-h0)
در رابطه اخیر P فشار و ρ چگالی ماده و P0 فشار اتمسفر ، h0 ارتفاع ستون مایع در فشار اتمسفر ، g شتاب جاذبه وh ارتفاع ستون مایع در فشار ماده میباشد.

 

عوامل موثر بر فشار:

1) مقدارنیرو:

فشار با نیروی وارده بر سطح رابطه مستقیم دارد یعنی هر چه نیرو بیش تر باشد فشار بیش تر است.

یکای اندازه گیری نیرو، نیوتن (N) بوده و با حرف Fنمایش داده می شود.

 

 

2) مساحت سطح:

مقدار فشار با مساحت سطح رابطه عکس دارد یعنی هر چه سطح بزرگتر باشد، مقدار فشار کم تر است و بر عکس. یکای اندازه گیری مساحت، سانتی متر مربع (cm2) یا متر مربع (m2) است و با حرف A  نمایش داده می شود.

 

 

 

 

برای محاسبه فشار از فرمول زیر استفاده می شود:

 

با توجه به فرمول بالا, یکای اندازه گیری فشار عبارتند از:

1) نیوتن بر سانتی متر مربع (N/cm2)= اگر مقدار نیرو برحسب نیوتن و مساحت سطح بر حسب cm2باشد,فشار برحسب (N/cm2) محاسبه می شود.

2)پاسکال یا نیوتن بر مترمربع (N/m2)=اگر مقدار نیرو بر حسب نیوتن و مساحت سطح بر حسب m2 باشد فشار بر حسب N/m2 سنجیده می شود.

 

یکاهای دیگر فشار عبارتند از: اتمسفر (atm)- میلی متر جیوه (mmHg) – سانتی متر جیوه (CmHg)     بار (bar)

 

 

مثال: وزن پسری 700 نیوتن است. سطح کف هر دو کفش او 250Cm2است. فشاری که این پسر بر سطح زمین وارد می کند چند پاسکال است؟

 

نکته: برای آنکه سانتی متر مربع را به متر مربع تبدیل کنیم فقط کافی است عدد مورد نظر را در 4- 10 ضرب کنیم.

 

 

نکته: اگر راستای نیروی Fبر راستای عمود بر سطح زاویه  Θ(تتا) بسازد،فشار از رابطه ای زیر به دست می آید.

 

واحدهای فشار:

 

 

 

 

    

 نیرویی است که به طور عمودی بر واحد سطح وارد می شود: (F = نیرو   ـ   A = سطح   ـ    F= فشار)

که فشار با سطح نسبت عکس دارد یعنی،با افزایش سطح مقطع فشار کاهش می یابد و برعکس.

برای درک این مطلب به شکلهای زیر توجه کنید :

	طبق  رابطه روبرو مشاهده  می شود که فشار با سطح مقطع را بطه عکس دارد .بمحض افتادن تخم مرغ بر روی زمین ، چون سطح تماس تخم مرغ با زمین کوچک می باشد فشار زیادی بر تخم مرغ وارد شده و تخم مرغ ترک بر می دارد .

	چون سطح تماس تخم مرغ با زمین کوچک می باشد ، می توان  تصور کرد که تخم مرغ بر روی سطح نوک یک میله نازک می افتد .

در این شکل چون سطح تماس تخم مرغ با زمین بیشتر شده است ، بنا بر این فشار کمتری بر تخم مرغ وارد شده و نمی شکند.

 

 

نیرو(F): ناشی از نیروی وزن مواد بوده با F نشان می دهند واحد آن نیوتن می باشد.

F=W=mg     (g= شتاب ، m= جرم ، W= وزن ، F= نیرو)

سطح مقطع (A): سطح مقطع مکانی است جسم روی آن واقع است. واحد آن m2 می باشد.

 

فشار در جامدات:

 فشاری که یک جسم جامد بر سطح آن وارد می کند ناشی از نیروی وزنش می باشد و همچنین سطح مقطع جسم مورد نظربستگی به شکل هندسی جسم دارد..

 

 

نکته3: اگر بخواهیم کمترین فشاری که یک جسم بر زمین وارد می کند را حساب کنیم باید بیشترین سطح مقطع را در نظر بگیریم. (A=سطح ، P= فشار)

سوال:

مکعب مستطیلی به ابعاد 4cm و 3cm و 2cm مفروض است اگر چگالی آن  باشد:

الف) بیشترین فشاری که بر سطح زمین وارد می کند چقدر است؟

ب ) کمترین فشاری که بر سطح زمین وارد می کند چقدر است؟

حل الف) برای بیشترین فشار باید کمترین سطح را حساب کنیم: (A= کمترین سطح ، P= بیشترین فشار)