المقدمة:

لعلك نفخت يوما بالونا أو كرة حتى انتفخت تماما؛ إن هذا الانتفاخ ناتج عن حركة جسيمات الهواء داخل الكرة، كما في الشكل ١٤، هذه الجسيمات تتحرك، في تصادم بعضها مع بعض ومع الجدران الداخلية للكرة، وكلما اصطدم جسيم مع الجدار الداخلي للكرة أثر فيه بقوة دفع نحو الخارج، والقوة تكون دفعا أو سحبا، كما درست من قبل، ومجموع القوى التي تؤثر بها الجسيمات في جدار الكرة

تنشئ ضغط الهواء. والضغط Pressure يساوي القوة المؤثرة في سطح مقسومة على المساحة الكلية التي تؤثر فيها.

القوة والمساحة:

نلاحظ من المعادلة السابقة أن الضغط يعتمد على مقدار القوة والمساحة التي تؤثر فيها هذه القوة في زيادة القوة المؤثرة في مساحة معينة يزداد الضغط وينقص بنقصانها، إذا علاقة الضغط بالقوة علاقة طردية في حين أنه عند تغير المساحة التي تؤثر فيها القوة نفسها يقل الضغط بزيادة المساحة ويزداد بنقصانها، إذا علاقة الضغط بالمساحة علاقة عكسية. كما في الشكل ١٥.

ما العوامل التي يعتمد عليها الضغط ؟

الضغط الجوي:

يضغط الهواء الجوي علينا بقوة كبيرة، وبالرغم من ذلك فنحن لا نحس به ولا نراه. ويعرف ضغط الهواء بالضغط الجوي؛ لأن الهواء يشكل غلافا جويا يحيط بالأرض. وقيمة الضغط الجوي هي ۱۰۱,۳ كيلو باسكال عند مستوى سطح البحر، وهذا يعني أن الهواء الجوي يؤثر بقوة مقدارها ۱۰۱۳۰۰ نیوتن على كل متر مربع، وهذا يساوي وزن شاحنة كبيرة. ويساعدك الضغط الجوي على الشرب باستخدام ماصة العصير؛ فعندما تمتص العصير بالماصة فإنك تسحب الهواء الذي فيها، فيؤدي الضغط الجوي المؤثر في سطح الشراب إلى دفعه إلى أسفل، مما يجعله يرتفع في الماصة إلى أعلى، كما في الشكل ١٦. هل يمكنك استخدام الماصة للشرب بالطريقة نفسها من علية مغلقة بإحكام ولا يصلها الهواء الجوي؟ لا؛ لأن الهواء الجوي في هذه الحالة لن يدفع سطح الشراب إلى أسفل.

توازن الضغط:

إذا كان للهواء هذه القوة الكبيرة فلماذا لا نشعر بها ؟ السبب هو أن الضغط الناتج عن السوائل داخل الجسم يعادل الضغط الجوي الواقع عليه. انظر إلى اللاعب في الشكل ۱۷. إن السوائل داخل جسمه تضغط إلى الخارج، بمقدار كاف للتوازن مع الضغط الجوي المؤثر فيه، في توازن الضغط، ولا يتحطم جسمه.

تغيرات الضغط الجوي يتغير الضغط الجوي بتغير الارتفاع عن مستوى سطح البحر؛ فكلما زاد الارتفاع عن سطح البحر قل الضغط الجوي؛ بسبب وجود عدد أقل من جسيمات الهواء؛ فكلما قل عدد الجسيمات في حجم ما قل عدد التصادمات، لذا يقل الضغط. وقد استخدم هذه الفكرة الفيزيائي الفرنسي باسكال عندما استعمل بالونا منفوخا جزئيا بالهواء ومربوطا بإحكام، وصعد به إلى قمة جبل كما في الشكل ١٨، فأخذ حجم البالون في الازدياد، رغم أن كمية الهواء في البالون لم تتغير. وقد فسر باسكال ذلك بأن الضغط الجوي الذي يؤثر في البالون من الخارج تناقص عندما ارتفعنا عن سطح البحر، فأصبحت الجسيمات داخل البالون قادرة على الانتشار أكثر، وأخذت حجما أكبر.

الانتقال في الهواء:

لماذا تشعر بإنسداد في أذنيك عندما تصعد جبلا عاليا أو تكون مسافرا في طائرة؟ لأن الضغط الجوي يقل، ويصبح ضغط الهواء داخل أذنيك أكبر من الضغط خارجها، مما يؤدي إلى حجز بعض الهواء داخل أذنيك ثم يتحرر فتسمع صوت خروجه كالفرقعة. وقد روعي تغيرات الضغط الجوي عند السفر في الجو بالطائرات مهيأة للمحافظة على الضغط داخلها، فلا يتغير الضغط بصورة مفاجئة خلال الرحلات.

التغير في ضغط الغاز:

كما يتغير الضغط الجوي بتغير الظروف فإن ضغط الهواء أو أي غاز محصور يتغير أيضا. فضغط الهواء المحصور داخل إناء مغلق يتغير بتغير كل من حجم الإناء، ودرجة حرارته.

الضغط والحجم:

عندما تضغط بيدك على جزء من بالون مملوء بالهواء ينتفخ الجزء الآخر من البالون أكثر ؛ لأنك دفعت عدد الجسيمات داخلها لتشغل حيزا أصغر، إذا علاقة الضغط بالحجم علاقة عكسية. مما يعني زيادة عدد تصادمها بالجدران الداخلية، منتجة ضغطا أكبر عليها. بشرط بقاء درجة الحرارة ثابتة. لاحظ هذا التغيير في حركة الجسيمات في الشكل .۱۹ . ماذا يحدث إذا زاد حجم الغاز؟ إن زيادة حجم الإناء (أي الغاز المحصور دون تغيير درجة الحرارة يقلل من تصادمات الجسيمات بالجدران الداخلية، فيقل الضغط الذي تنتجه.

الضغط ودرجة الحرارة:

بثبات حجم الغاز المحصور يتغير ضغطه بتغير درجة حرارته؛ إذ تؤدي الزيادة في درجة حرارة الغاز إلى زيادة الطاقة الحركية لجسيمات، فتزداد سرعتها، ويزيد عدد التصادمات، فيزداد الضغط، إذا علاقة الضغط بدرجة الحرارة علاقة طردية. أي أنه بزيادة درجة حرارة غاز محصور یزداد ضغطه عند ثبات حجمه كما في الشكل ٢٠.

لماذا ينكمش أو ينكسر إناء محكم الإغلاق به هواء بعد تجميده؟

الطفو أو الانغمار:

من المؤكد أنك تشعر أنك أخف وزنا عندما تكون في الماء. فعندما تكون في الماء يؤثر فيك ضغط الماء ويدفعك في جميع الاتجاهات. وستجد أنك كلما نزلت إلى عمق أكبر في الماء زاد ضغط الماء عليك، إذ يزداد ضغط الماء كلما زاد العمق. وعليه يكون الضغط الذي يدفع السطح السفلي للجسم إلى أعلى أكبر من الضغط الذي يؤثر في السطح العلوي إلى أسفل؛ لأن السطح السفلي يكون على عمق أكبر من السطح العلوي للجسم. ينتج عن فرق الضغط قوة تؤثر إلى أعلى في الجسم المغمور في مائع، كما في الشكل ۲۱ ، تسمى قوة الطفو Buoyant Force. يطفو الجسم إذا تساوت قوة الطفو مع وزن الجسم، وينغمر إذا كانت قوة الطفو أقل من وزنه.

مبدأ أرخميدس:

ما الذي يحدد قوة الطفو ؟ نص مبدأ أرخميدس Archimedes Principle على أن قوة الطفو المؤثرة في جسم داخل مائع تساوي وزن المائع الذي يزيحه هذا الجسم. فإذا وضعت جسما في إناء مملوء إلى حافته بالماء، كما في الشكل ۲۲، فسوف ينسكب بعضه، فإذا وزنت هذا الماء المنسكب المزاح) فستحصل على مقدار قوة الطفو المؤثرة في الجسم. الكثافة يساعدك فهم الكثافة على توقع طفو الجسم أو انغماره. الكثافة Density مقدار كتلة الجسم مقسوما على حجمه.

مبدأ باسكال:

ماذا يحدث عندما تطأ علبة بلاستيكية مملوءة بالماء مغلقة بإحكام؟ يتوزع الضغط الإضافي بالتساوي على الماء الموجود في العلبة؛ بسبب عدم وجود منفذ للماء. ويوضح مبدأ باسكالPascal's Principle أن الزيادة في الضغط على سائل محصور، والناتجة عن قوة خارجية، تنتقل بالتساوي إلى جميع أجزاء السائل. الأنظمة الهيدروليكية تعمل مكابس السوائل الهيدروليكية) طبقا لمبدأ باسكال، ومنها رافعة السيارات وكرسي طبيب الأسنان، كما في الشكل ٢٣. ويوضح الشكل ٢٤ صفحة ٩٠ مكبس السوائل؛ حيث إن القوة المؤثرة في المكبس الأيسر تولد ضغطا إضافيا على السائل المحصور، فينتقل هذا الضغط الإضافي إلى المكبس الأيمن. ولأن الضغط يساوي القوة المؤثرة مقسومة على المساحة التي تؤثر فيها القوة، فإن هذا الضغط يولد قوة كبيرة.

إذا كانت مساحتا المكبسين متساويتين فإن القوتين تكونان متساويتين أيضًا. أما إذا كانت مساحة مقطع المكبس الأيمن كبيرة نسبيا مقارنة بمساحة مقطع المكبس الأيسر فإنه تتولد قوة أكبر على المكبس الأكبر مساحة، أي الأيمن، وتساعدنا مكابس السوائل

على رفع أجسام ثقيلة باستخدام قوة صغيرة نسبيا.

مضخات القوة:

إذا كان هناك وعاء مثقوب يحتوي على مائع داخله فإن هذا المائع يندفع خارجا من الفتحة أو الثقب عند وقوع ضغط عليه، وهذا ما يعرف بمضخة القوة. ومن تطبيقاتها علبة معجون الأسنان وعلب الخردل وبعض علب معجون الطماطم. للقلب مضخات قوة، إحداهما تدفع الدم من القلب إلى الرئتين ليحصل على الأكسجين، والأخرى تدفع الدم الغني بالأكسجين من القلب إلى باقي أعضاء الجسم، كما في الشكل ٢٥.

الختام:

أهمية القوى والضغوط في حياتنا اليومية وتأثيرها على مختلف الأشياء من حولنا. فقد اكتشفنا كيف يمكن لحركة جسيمات الهواء داخل كرة أو بالون أن تؤدي إلى انتفاخه، وكيف يتأثر الضغط بالقوة والمساحة، سواء في سياق الجسم البشري أو في حالات السوائل والغازات.أيضا، قمنا بفهم مبدأ أرخميدس الذي يلعب دورًا في تفسير ظاهرة الطفو والغمر، وكيف يمكن استخدام مبدأ باسكال في نظم الهيدروليك لرفع الأحمال بفعالية. كما ألقينا نظرة على مضخات القوة وكيف يمكنها توليد قوة منخفضة لرفع السوائل.

قم بالتجربة بنفسك من خلال منصة ڤلابي لمعامل العلوم الافتراضية