فشار
فهرست مطالب
فشار (به انگلیسی: Pressure) با نماد p یا P، یک کمیت نرده‌ای است که به صورت نیروهای عمود بر واحد سطح تعریف می‌شود. در دستگاه بین‌المللی یکاها (SI)، فشار با یکای پاسکال (Pa) اندازه‌گیری می‌شود. یک پاسکال برابر است با یک نیوتون بر متر مربع (N/m²). فشار گیج، که معمولاً در فشارسنج‌ها نشان داده می‌شود، نسبت به فشار محیط سنجیده می‌شود.
فرمول‌ها و واحدهای اندازه‌گیری فشار
تعریف ریاضی فشار
فشار به صورت میزان نیروی عمودی وارد بر سطح واحد تعریف می‌شود و با نماد p یا P نمایش داده می‌شود:
P = \frac{F}{A}در این فرمول، F اندازه نیروی عمودی و A مساحتی است که نیرو بر آن اعمال می‌شود. فشار یک کمیت نرده‌ای است و فاقد جهت است، در حالی که نیروی اعمال شده دارای جهت است.
فشار در مایعات
فرمول دیگری که برای محاسبه فشار در مایعات به کار می‌رود عبارت است از:
P = \rho g hدر این فرمول:
- ρ نشان‌دهنده چگالی ماده بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب (kg/m³)
- g نشان‌دهنده شدت جاذبه بر حسب نیوتون بر کیلوگرم (N/kg)
- h نشان‌دهنده ارتفاع از سطح بر حسب متر (m)
واحدهای اندازه‌گیری فشار
پاسکال (Pa)
یکای فشار در دستگاه بین‌المللی یکاها، پاسکال است که با نماد "Pa" نشان داده می‌شود. یک پاسکال برابر است با نیروی یک نیوتون وارد بر سطح یک متر مربع:
1 Pa = \frac{1 N}{1 m^2} = \frac{1 kg}{1 m \cdot s^2}سایر واحدهای اندازه‌گیری فشار
- اتمسفر: یکایی که معمولاً برای اندازه‌گیری فشار هوا و سیالات به‌کار می‌رود. یک اتمسفر تقریباً برابر ۱۰۰۰۰۰ پاسکال است و برابر با فشار ناشی از ستون آب به ارتفاع ده متر است.
- بار: یکای اندازه‌گیری فشار متریک که هر بار دقیقاً برابر با ۱۰۰۰۰۰ پاسکال است.
- میلی‌متر جیوه: یکای فشار ناشی از ستون جیوه به ارتفاع یک میلی‌متر. در فشارسنج جیوه‌ای میزان فشار با اندازه‌گیری ارتفاع ستون جیوه در لوله یا اختلاف دو ستون جیوه در دو لولهٔ مرتبط به‌دست می‌آید. این یکا در نشان دادن فشار خون نیز استفاده می‌شود.
- متر آب: یکایی برای محاسبهٔ فشار در مکانیک سیالات که فشار معادل با یک ستون آب به ارتفاع یک متر را نشان می‌دهد.
این فرمول‌ها و واحدها، مبانی اساسی در درک مفهوم فشار و اندازه‌گیری آن در فیزیک و مهندسی هستند.
| پاسکال(Pa) | بار(bar) | اتمسفر فنی | اتمسفر(atm) | تور(Torr) | پوندبر اینچ مربع(psi) | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 Pa | ≡ 1 N/m OPENsup 2 | 10 OPENsup −5 | 1.0197×10 OPENsup −5 | 9.8692×10 OPENsup −6 | 7.5006×10 OPENsup −3 | 145.04×10 OPENsup −6 |
| 1 bar | 100,000 | ≡ 10 OPENsup 6 dyn/cm OPENsup 2 | 1.0197 | 0.98692 | 750.06 | 14.504 |
| 1 at | 98,066.5 | 0.980665 | ≡ 1 kgf/cm OPENsup 2 | 0.96784 | 735.56 | 14.223 |
| 1 atm | 101,325 | 1.01325 | 1.0332 | ≡ 1 atm | 760 | 14.696 |
| 1 torr | 133.322 | 1.3332×10 OPENsup −3 | 1.3595×10 OPENsup −3 | 1.3158×10 OPENsup −3 | ≡ 1 Torr; ≈ 1 mmHg | 19.337×10 OPENsup −3 |
| 1 psi | 6,894.76 | 68.948×10 OPENsup −3 | 70.307×10 OPENsup −3 | 68.046×10 OPENsup −3 | 51.715 | ≡ 1 lbf/in OPENsup 2 |
مثال: ۱Pa = ۱ N/m OPENsup ۲ = ۱۰ OPENsup −۵ bar = ۱۰/۱۹۷×۱۰ OPENsup −۶ at = ۹/۸۶۹۲×۱۰ OPENsup −۶ atm
یادآوری: mmHg نماد میلی‌متر جیوه است.
= اندازه‌گیری فشار = روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری فشار وجود دارد. هواسنج و فشارسنج جیوه‌ای با اندازه‌گیری ارتفاع ستون جیوه کار می‌کنند. همچنین، فشارسنج‌های مکانیکی و حسگرهای الکترونیکی نیز برای اندازه‌گیری فشار، به‌ویژه فشار وارد بر جامدات، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
انواع فشار
- فشار مطلق: به مجموع فشار وارد بر یک سطح گفته می‌شود.
- فشار نسبی: فشار نسبی یا فشار مانومتریک، فشاری است که نسبت به فشار محیط سنجیده می‌شود. این فشار که به فشار گیج نیز معروف است، برابر است با فشار مطلق محفظه منهای فشار اتمسفر.
- فشار خلأ: هر فشاری که کمتر از فشار اتمسفر باشد. در مقیاس فشار مطلق، فشاری منفی وجود ندارد و کمترین فشار مطلق ممکن از لحاظ تئوری، صفر است.
- فشار بخار: فشار بخاری است که در تعادل ترمودینامیکی با فاز مایع آن ماده در یک سیستم بسته قرار دارد.
- فشار جزئی گازها: فشاری است که در مخلوطی از گازها، در همان دما، اگر هر گاز به تنهایی در ظرف وجود داشت، اعمال می‌کرد.
رابطه‌های فشار
رابطه فشار هوای اتمسفر با ارتفاع
با افزایش ارتفاع از سطح زمین در لایه تروپوسفر، دمای هوا کاهش یافته و فشار هوا نیز کم می‌شود. در لایه‌های بالاتر، به دلیل کاهش جاذبه، هوا رقیق‌تر و چگالی آن کمتر می‌شود؛ بنابراین فشار نیز کاهش می‌یابد. این پدیده در قله کوه‌ها یا هنگام پرواز هواپیما در ارتفاع زیاد به وضوح مشاهده می‌شود.
رابطه فشار با دما
با افزایش دما در یک محیط، فشار نیز افزایش می‌یابد و با کاهش دما، فشار نیز کاهش می‌یابد. این رابطه به دلیل انرژی جنبشی مولکول‌هاست؛ با افزایش دما، مولکول‌ها سریع‌تر حرکت می‌کنند و برخوردهای بیشتری با دیواره‌ها دارند که منجر به افزایش فشار می‌شود.
اصل پاسکال
اصل پاسکال بیان می‌کند که در یک مایع محصور، فشاری که به یک طرف ظرف وارد می‌شود، به تمام نقاط مایع به صورت یکسان منتقل می‌شود، بدون اینکه فشار در نقاط دیگر کاهش یابد. این اصل در جک‌های هیدرولیکی و ترمزهای هیدرولیکی کاربرد دارد.