تعریف فشار و مثال هایی از آن در علم

فشار یکی از مفاهیم بنیادی در علم فیزیک و شیمی است که نقش مهمی در درک پدیده های مختلف طبیعی و صنعتی ایفا می کند. این کمیت به عنوان نیروی اعمال شده بر واحد سطح تعریف می شود و در زندگی روزمره و علوم مختلف کاربردهای گسترده ای دارد. از فشار هوا در جو زمین تا فشار مایعات در اعماق اقیانوس ها، این مفهوم به ما کمک می کند تا رفتار مواد و سیالات را بهتر درک کنیم. در این محتوا، به تعریف فشار، فرمول های مرتبط با آن، مثال های ساده و کاربردهای آن در گازها و مایعات پرداخته می شود.

فشار چیست؟

فشار به عنوان نیروی اعمال شده بر واحد سطح تعریف می شود. این کمیت فیزیکی، که معمولاً با نماد P یا p نشان داده می شود، یک کمیت نرده ای است، یعنی تنها دارای اندازه است و جهت خاصی ندارد. فشار در واحدهای مختلفی مانند پاسکال (Pa)، نیوتن بر متر مربع (N/m²) و یا پوند بر اینچ مربع (psi) بیان می شود. برای درک بهتر این مفهوم، می توان به مثال گاز داخل یک بادکنک اشاره کرد. مولکول های گاز به طور تصادفی در تمام جهات حرکت می کنند و با برخورد به دیواره های بادکنک، فشار ایجاد می کنند. این فشار در تمام نقاط سطح بادکنک یکسان است، زیرا نیروی ناشی از برخورد مولکول ها به طور یکنواخت توزیع شده است.

فرمول محاسبه فشار

فشار به صورت ریاضی با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

P = F / A

در این فرمول، P نشان دهنده فشار، F نیروی اعمال شده و A مساحت سطحی است که نیرو بر آن وارد می شود. فشار یک کمیت مشتق شده است و واحد آن بستگی به واحدهای نیرو و مساحت دارد. برای مثال، اگر نیرو بر حسب نیوتن (N) و مساحت بر حسب متر مربع (m²) باشد، فشار بر حسب پاسکال (Pa) بیان می شود. این فرمول نشان می دهد که فشار با افزایش نیرو یا کاهش مساحت سطح، افزایش می یابد. به عنوان مثال، اگر یک نیروی ثابت بر سطح کوچکی اعمال شود، فشار بیشتری ایجاد می شود.

مثال ساده از فشار

یک مثال ساده برای درک مفهوم فشار، استفاده از چاقو برای بریدن یک میوه است. اگر قسمت صاف چاقو را روی میوه فشار دهید، نیروی اعمال شده بر سطح بزرگی توزیع می شود و در نتیجه فشار کم تری ایجاد می شود که باعث بریده شدن سطح میوه نمی شود. اما اگر لبه تیز چاقو را روی میوه فشار دهید، همان نیرو بر سطح بسیار کوچکی متمرکز می شود و فشار به شدت افزایش می یابد. این افزایش فشار باعث می شود که چاقو به راحتی سطح میوه را ببرد. این مثال به خوبی نشان می دهد که چگونه توزیع نیرو بر سطح، بر مقدار فشار تأثیر می گذارد.

آیا فشار می تواند منفی باشد؟

فشار معمولاً به عنوان یک مقدار مثبت در نظر گرفته می شود، اما در برخی شرایط خاص می تواند منفی نیز باشد. یکی از این موارد، فشار نسبی یا فشار سنجی است که نسبت به فشار اتمسفر اندازه گیری می شود. اگر فشار اندازه گیری شده کمتر از فشار اتمسفر باشد، فشار نسبی منفی خواهد بود. همچنین، فشار مطلق نیز می تواند منفی شود. به عنوان مثال، اگر پیستون یک سرنگ را به عقب بکشید و خلاء ایجاد کنید، فشار داخل سرنگ به مقدار منفی می رسد. این پدیده نشان می دهد که فشار منفی در شرایط خاصی امکان پذیر است، هرچند در بیشتر موارد فشار به عنوان یک مقدار مثبت در نظر گرفته می شود.

فشار گاز ایده آل

در شرایط عادی، رفتار گازهای واقعی شبیه به گازهای ایده آل است و می توان آن ها را با استفاده از قانون گاز ایده آل پیش بینی کرد. این قانون فشار گاز را به دمای مطلق، حجم و مقدار گاز مرتبط می کند. فرمول قانون گاز ایده آل به صورت زیر است:

P = nRT / V

در این فرمول، P فشار مطلق، n تعداد مول های گاز، R ثابت جهانی گازها، T دمای مطلق و V حجم گاز است. قانون گاز ایده آل فرض می کند که مولکول های گاز از هم فاصله زیادی دارند، حجم آن ها ناچیز است، با یکدیگر برهم کنش ندارند و برخوردهای کاملاً کشسان با دیواره های ظرف انجام می دهند. تحت این شرایط، فشار به طور خطی با دما و مقدار گاز تغییر می کند و با حجم گاز رابطه معکوس دارد.

فشار در مایعات

مایعات نیز فشار ایجاد می کنند و این فشار به عمق و چگالی مایع بستگی دارد. یک مثال آشنا از فشار مایعات، احساس فشار آب بر روی پرده گوش هنگام شیرجه زدن در استخر است. هرچه عمق بیشتر شود، فشار آب نیز افزایش می یابد، زیرا وزن آب بالای سر شما بیشتر می شود. فشار در مایعات نه تنها به عمق، بلکه به چگالی مایع نیز وابسته است. به عنوان مثال، اگر در مایعی با چگالی بیشتر از آب شیرجه بزنید، فشار در همان عمق بیشتر خواهد بود. فرمول فشار در مایعات به صورت زیر است:

p = ρgh

در این فرمول، p فشار، ρ چگالی مایع، g شتاب گرانش و h عمق یا ارتفاع ستون مایع است. این رابطه نشان می دهد که فشار در مایعات با افزایش عمق و چگالی، به طور خطی افزایش می یابد.