فهم مفهوم الضغط في مجال الفيزياء

الضغط

التعريف العام للضغط

عند القيام بعمليات الطهي، نحتاج غالباً لتقطيع مجموعة متنوعة من الخضروات واللحوم. لتسهيل عملية التقطيع، نستخدم أنواع مختلفة من السكاكين. تجدر الإشارة إلى أن بعض الخضروات تتميز بقشرة سميكة أو صلبة، مما يتطلب استخدام سكين أكثر حدة. بالإضافة إلى ذلك، يعتبر تقطيع اللحوم الحمراء أكثر تحدياً مقارنة باللحوم البيضاء، لذا فإننا بحاجة لسكين أكثر حدة لهذا الغرض. من المهم أن ندرك أنه عند تقطيع أي عنصر، يتم تسليط قوة معينة على السكين. وكلما زادت حدة الشفرات، قل الضغط المطلوب لإحداث نفس تأثير القطع. هذه الظاهرة تعكس مفهوم الضغط (باللغة الإنجليزية: Pressure).

التعريف الفيزيائي للضغط

بعد عرض مثال من حياتنا اليومية، دعونا نستعرض المفهوم العلمي للضغط. يُعرف الضغط بأنه القوة المطبقة على مساحة معينة بواسطة جسم مائع، والذي يمكن أن يكون سائلًا أو غازًا. يُعبر عن الضغط رياضيًا بالعلاقة التالية: ض = ق / أ،

حيث: “ض” يمثل الضغط، و”ق” القوة المطبوعة، و”أ” المساحة المتأثرة بالقوة. تعكس هذه المعادلة – كما يتجلى في مثال السكين – أن الضغط يتناسب طرديًا مع القوة، وأي زيادة في القوة تؤدي إلى زيادة الضغط، بينما يتناسب الضغط عكسيًا مع المساحة؛ أي أن الضغط يقل عند زيادة المساحة التي تؤثر فيها القوة. وإذا قمنا بتثبيت مقدار القوة المتسربة وغيّرنا حدة السكين، ستظهر لنا الكفاءة الأفضل للسكين الحادة، حيث تمثل حدة الشفرات مساحة مقطع النصل. إذا كان النصل حادًا، فإن الضغط سيكون مرتفعًا للغاية بثبات القوة، مما يفسر عدم الحاجة لتطبيق قوة كبيرة عند استخدام سكين حادة.

وحدات قياس الضغط

كما هو الحال بالنسبة لكثير من الكميات الفيزيائية، يمتلك الضغط وحدة قياس خاصة به. يمكن اشتقاق وحدة الضغط بالرجوع إلى القانون الرياضي الخاص به كما يلي:

من المعروف أن وحدة قياس القوة هي نيوتن، حيث أن: 1 نيوتن = 1 كغ.م/ث².
وحدة قياس المساحة هي م².
عند قسمة وحدة القوة على وحدة المساحة، نحصل على وحدة الضغط، حيث: 1 نيوتن/م² = 1 كغ/م.ث²، والتي تُعرف بالباسكال.

توجد أيضًا وحدتين شائعتين للضغط، الأولى هي الضغط الجوي، والذي يمثل متوسط الضغط عند سطح البحر، حيث تكون وحدة الضغط الجوي الواحدة تعادل 101,325 باسكال. أما الوحدة الأخرى فهي وحدة البار، والتي تعادل 100,000 باسكال، مما يجعل الملي بار مساوياً لـ 100 باسكال.

الضغط في الموائع

تشمل الموائع كل من السوائل والغازات، وسنستعرض الضغط الناتج عن الموائع والذي لا يمكن تجاهله، حيث نعيش في بيئة مملوءة به طوال حياتنا. ومع ذلك، يختلف قليلاً عن الضغط الناتج عن المواد الصلبة.

الضغط في السوائل

يمكن قياس الضغط الناتج عن السوائل بنفس الطريقة، ولتقريب هذه الفكرة لحياتنا اليومية، دعونا ننظر إلى هذا المثال: افترض أننا نقف في بركة عميقة من الماء. عند النزول في أعماق أكبر، ستشعر بوضوح بضغط أكبر على جسمك. يظهر هذا الضغط أن الماء يؤثر بشكل كبير على الأجسام الموجودة فيه، وكذلك على جدران الحاوية. يمكن حساب الضغط داخل الماء باستخدام العلاقة التالية (يمكن اشتقاقها بسهولة من ض = ق / أ):

ض = ρ × ج × ل،

حيث: “ض” هو الضغط، و”ρ” هي كثافة السائل (مثل كثافة الماء)، و”ج” هو تسارع الجاذبية الأرضية (الذي يعادل 9.8 م/ث²)، و”ل” هو العمق الذي يتواجد فيه الجسم المغمور. من الواضح أن هذه العلاقة لا تتعلق بخصائص الجسم الذي يؤثر عليه السائل، بل تتعلق بكثافة السائل وتسارع الجاذبية وارتفاع السائل فوق الجسم المغمور، وهذه ليست خصائص من خصائص الجسم نفسه.

بعد الشرح عن مقدار الضغط الناتج على الجسم المغمور، يجب أن نذكر أن السائل يؤثر بضغطه على جميع أجزاء الجسم وليس فقط الجزء العلوي. يحدث ذلك لأن السائل ينزلق للأسفل بفعل الجاذبية، وعندما يغمر جسم ما في السائل، يرتفع مستوى السائل قليلاً، مما يؤدي إلى توليد ضغط على الجسم من جميع الجهات، بغاية إعادته إلى مستوى الماء الطبيعي.

الضغط الناتج عن الغازات

يمكن حساب الضغط الناتج عن الغازات باستخدام نفس العلاقة التي استخدمناها لحساب ضغط السوائل (ض = ρ × ج × ل). ومع ذلك، لا يمكن استخدام هذه المعادلة مباشرة لحساب الضغط الجوي على ارتفاعات مختلفة، وذلك بسبب تباين كثافة الغلاف الجوي. لذلك، يجب أن نقيد استخدام المعادلة السابقة بأن يكون المائع متجانساً في كثافاته. الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر يساوي وحدة ضغط جوية واحدة، أي 101,325 باسكال. هذا ضغط مرتفع جدًا، ولكن لماذا لا نشعر به؟ الجواب بسيط، فنحن نعيش تحت تأثير هذا الضغط طوال حياتنا وقد تكيفت أجسامنا عليه. وأيضاً، آلية نمو أجسامنا متخلفة بحيث تكون معاكسة للضغط الجوي مما يسمح لنا بالنمو، ولا نشعر بهذا الضغط إلا عند حدوث تغيير فيه كما في حالات تغير الارتفاع. أخيرًا، يكون مقدار الضغط المؤثر على الجسم المغمور في سائل متجانس كما يلي:

ضكلي = (ρ × ج × ل) + ضجوي،

حيث ضجوي = 101,325 باسكال. إذن، بإضافة الضغط الجوي، يمكننا حساب الضغط الكلي المؤثر على الجسم المغمور.