تعتبر دراسة قوانين الضغط في الفيزياء أساسًا لفهم سلوك المواد في حالاتها المختلفة،يتباين الضغط بين السوائل والغازات والمواد الصلبة بسبب الخواص الجزيئية لهذه المواد،يُعرف الضغط في علم الفيزياء بأنه القوة العمودية المؤثرة على وحدة المساحة،تختلف وحدات القياس المستخدمة لنقل هذه الظواهر بين المواد المختلفة، وهذا ما يجعل دراسة الضغط أمرًا بالغ الأهمية،في هذا المقال، سنستعرض بالتفصيل قوانين الضغط الأساسية المعترف بها في المجتمع العلمي.
جميع قوانين الضغط في الفيزياء
يمكن صياغة جميع قوانين الضغط في الفيزياء من نقطة انطلاق واحدة تعتبر أساسية، وهي قانون الضغط العام، والذي يعرف المعادلة التالية
الضغط= القوة / المساحة، ويتم اختصاره بـ (ض= ق/م)
هذا القانون يشير إلى الوزن الناتج عن عمود الهواء المؤثر على سطح ما لمساحة تقدر بسنتيمتر مربع واحد،وبهذا، فإن وحدة قياس الضغط تشمل وحدة الباسكال ومليمتر زئبقي.
أما بالنسبة للموائع، فإنها تتبع قانون ضغط خاص به، حيث يُعرّف الضغط في الموائع بأنه القوة المؤثرة موزعة بالتساوي على مساحة معينة، ما يعبر عنه بالمعادلة التالية
الضغط = القوة المؤثرة / المساحة التي يؤثر عليها الضغط، ويتم اختصاره بـ (ض= ق/أ)
ضمن هذا القانون، تتواجد عدة متغيرات تربط بين الضغط والقوة والمساحة، والتي سنستعرض بعضها أدناه
- المساحة يوجد علاقة عكسية بين الضغط والمساس، حيث يزداد الضغط مع انخفاض المساحة.
- القوة العلاقة طردية، ف القوة تؤدي ل الضغط.
- طبيعة المائع ونوعه وكثافته.
إضافة لذلك، توجد قوانين ضغط خاصة تصف حالات معينة مثل
قانون باسكال
يعتبر قانون باسكال من أهم القوانين التي تتناول الموضوع، حيث ينص على أن الضغط في السوائل يتوزع بشكل موحد داخل وعاء مغلق.
إذا قمنا بوضع سائل في أنبوبين متصلين، فإن التأثير الخارجي على أحد الأنبوبين ينتج ضغطاً متساوياً في الأنبوب الآخر،بينما لا يُمكن تطبيق هذا القانون على الغازات بسهولة، لأن كبر المساحة البينية للجزيئات يعني أن الضغط لا يتوزع بنفس الكفاءة.
التمثيل الرياضي لقانون باسكال
يمكن تمثيل قانون باسكال بالمعادلة p2-p1 = -pg (h2-h1).
تطبيقات على قانون باسكال
تظهر تطبيقات قانون باسكال في أشياء كثيرة من حولنا،على سبيل المثال
الرافعة الهيدروليكية
تعتبر الروافع الهيدروليكية وسيلة فعالة لرفع الأحمال الثقيلة عبر آلية بسيطة تستخدم هذا المبدأ، حيث تعتمد على حركة سائل غير قابل للضغط.
فرامل السيارات الهيدروليكية
عند استخدام الفرامل الهيدروليكية، يتم نقل الضغط عبر سائل موجود داخل أنبوب رفيع تحت دواسة الفرامل.
هناك العديد من التطبيقات الأخرى مثل
- المكبس الهيدروليكي للقطن.
- رافعة كرسي طبيب الأسنان.
- رافعة السيارات في الجراج.
- آلة الحفر الهيدروليكية.
قانون برنولي
يتناول مبدأ برنولي الضغط في السوائل أثناء جريانها،بعبارة بسيطة، ضغط المائع داخل أنبوب مغلق يعتم على قطر الأنبوب وسرعة جريانه.
السائل المتدفق في مساحة ضيقة تكون سرعته أعلى من الذي يمر في مساحة واسعة،يمكن أيضاً تطبيق هذا المبدأ على الغازات، على عكس قانون باسكال.
الصيغة الرياضية لقانون برنولي
يعبّر قانون برنولي عن أن مجموع الضغط والطاقة الحركية وطاقة الوضع لوحدة الحجوم يساوي مقداراً ثابتاً.
تطبيقات على قانون برنولي
يستخدم قانون برنولي بشكل واسع في تصميم أجنحة الطائرات، حيث يساهم في إنشاء فرق في الضغط مما يؤدي إلى رفع الطائرة لأعلى.
قانون بويل
يعتبر قانون بويل أبسط قوانين الضغط، حيث ينطبق على الغازات،ينص على أنه عند ضغط كمية معينة من الغاز في درجة حرارة محددة، فإن الضغط يتناسب عكسيًا مع الحجم.
الصيغة الرياضية لقانون بويل
يتم تمثيل قانون بويل بالصيغة ضغط الغاز × حجم الغاز = ثابت رياضي.
أيضاً، يمكنك إجراء تجربة لإثبات هذا القانون.
تطبيقات قانون بويل
تتواجد العديد من التطبيقات اليومية لقانون بويل، مثل علبة بخاخ الطلاء، وأيضًا تأثير الضغط عندما يخرج الإنسان من المياه العميقة.
قانون شارل
قانون شارل هو قانون يوضح العلاقة بين حجم الغاز ودرجة الحرارة، حيث يزداد حجم الغاز عند ارتفاع درجة الحرارة.
تطبيقات على قانون شارل
يتواجد العديد من التطبيقات الحياتية المتعلقة بقانون شارل، مثل مضخات الإطارات والمنطاد السياحي.
قانون جاي لوساك
يهتم القانون بدراسة الضغط عند ثبات درجة الحرارة، حيث يشير إلى أن الضغط يتناسب طردياً مع درجة الحرارة.
تطبيقات على قانون جاي لوساك
تظهر العديد من التطبيقات المهمة مثل أواني الطهي و ضغط الغاز في العبوات.
وحدات قياس ناتج جميع قوانين الضغط في الفيزياء
يمكن قياس الضغط بوحدات مختلفة مثل
- البار يساوي 10^5 نيوتن/م2.
- باسكال وهي وحدة قياس أساسية وتعادل نيوتن لكل متر مربع.
- Atm تعادل 101325 باسكال.
بهذا نكون قد استعرضنا أبرز قوانين الضغط في الفيزياء، مبرزين التطبيقات الحياتية المختلفة التي توضح كيفية تأثير هذه القوانين على حياتنا اليومية.