ما هو مفهوم مبدأ باسكال
مفهوم مبدأ باسكال هو تعريف يوجد في فرع علم ميكانيكا الموائع المعروف بديناميكا السوائل، حيث يتم تحديد كمية الضغط المستخدمة لضغط كمية من السائل في إناء معين، ويعتمد هذا التعريف على أن الضغط الذي يصل إلى نقطة معينة في باطن أي سائل يكون نفس الضغط الذي يصل إلى كل السوائل الموجودة في الإناء بالإضافة إلى انتقال الضغط بنفس القوة إلى الإناء. وسنقوم في هذه المقالة الموجودة على موقع الموسوعة بشرح كل ما يتعلق بميكانيكا الموائع وبخاصة ديناميكا السوائل بما في ذلك المصطلحات المختلفة مثل الضغط والكثافة، بالإضافة إلى تعريف مبدأ باسكال.
مفهوم مبدأ باسكال
توجد العديد من القوانين التي تم استنتاجها في مجال ميكانيكا السوائل، وأحد هذه القوانين أو المبادئ هو مبدأ باسكال.
نص القانون
عند تأثير الضغط على السائل في إناء ما، سينتقل الضغط بنفس القوة إلى جميع جزيئات السائل الموجودة في الإناء، بالإضافة إلى انتقاله إلى جدران الإناء أيضاً.
عند وضع كمية من الماء في إناء مزود بمكبس من الأعلى فإن الضغط الذي يحدثه المكبس على نقطة معينة في باطن الماء هو:
- يُمكن حساب الضغط عند نقطة معينة في السائل باستخدام الصيغة التالية: الضغط عند السطح + (المسافة بين النقطة وسطح الماء × الضغط عند تلك النقطة × قوة الجاذبية).
- P = P1 + hρg.
- يمكن زيادة الضغط على السائل عن طريق وضع ثقل على المكبس، ولكن عند الوصول إلى نقطة معينة من الضغط التي لا يمكن تحملها بوعاء السائل، فإنه ينكسر.
تطبيقات مبدأ باسكال
- المكبس الهيروليكي لمضاعفة القوة.
- نظام الإيقاف الهيدروليكي.
- المكبس الهيدروليكي لرفع السيارات.
- الحفار الهيدروليكي.
- كرسي طبيب الأسنان.
- الفرامل الهيدروليكية بالسيارة.
- بدلة الغوص تحت الماء.
استخدامات المكبس الهيدروليكي
يتم استخدام القوة الصغيرة لرفع الأوزان الثقيلة مثل السيارات.
تركيب المكبس الهيدروليكي: هو عبارة عن
- تحتوي الأسطوانتان على مساحات مختلفة، حيث تكون إحداهما أكبر من الأخرى وتتخذان الشكل الرأسي.
- يحتوي كل اسطوانة على مكبس يتم إغلاقه بإحكام.
- هناك أنبوب يستخدم أفقيًا للتوصيل بين الأنابيب.
- يتم ملأ الاسطوانات الثلاثة بسائل.
طريقة عمل المكبس الهيدروليكي
- يتم ضغط المكبس الصغير بدرجة قوة محددة.
- بعد ذلك، يتم نقل الضغط إلى السائل، ويؤثر الضغط الناشئ في السائل على المكبس الموجود في الأسطوانة الكبيرة.
- لإعادة المكبس الصغير إلى الوضع الطبيعي، يتم الضغط على المكبس الكبير بقوة معينة تؤثر على ضغط الماء، مما ينتقل إلى المكبس الصغير ويجعله يرتفع لأعلى ويعود إلى وضعه الطبيعي.
- إذا التقى المكبس الكبير والصغير في نقطة واحدة، فهذا يشير إلى أن الضغط في كل من المكابس متساوي.
ميكانيكا الموائع
- تتناول ميكانيكا الموائع دراسة كيفية انتقال المواد السائلة وحركتها، وكذلك دراسة القوى التي تؤثر عليها.
- تنقسم ميكانيكا الموائع إلى قسمين هما:
- استاتيكا الموائع: دراسة المواد السائلة في حالة السكون.
- ديناميكا الموائع: يتم في هذا الجزء دراسة حركة المواد السائلة.
- الموائع: الموائع هي تلك المواد السائلة التي تتميز بقدرتها على الانسياب بدون وجود شكل محدد لها، بل تتخذ شكل الإناء الذي توضع فيه، وبذلك يمكننا القول بأن الموائع تتمثل في:
- المواد السائلة: لا يوجد شكل محدد لها، فإنها تأخذ شكل الغناء الذي يتم فيه ويكوّن شكلًا لها، ولكن لها حجم معين وتستطيع مقاومة أي ضغط يتعرض لها.
- المواد الغازية: ليس لها شكل محدد ولا يمكن أن تتخذ شكلًا معينًا مثل الإناء، لكنها تمتلك القدرة على شغل الفراغ الذي تتواجد فيه وتتميز بقدرتها وقابليتها للضغط.
كثافة المواد
تعريف الكثافة
تعد وحدة الكثافة إحدى الخواص الفيزيائية للمواد، وتشير إلى العلاقة بين وحدة حجم المواد ووحدة كتلتها، وتستخدم الرمز (p) لتمثيلها.
قانون الكثافة
- الكثافة = الكتلة / الحجم.
- p = m / v.
وحدة قياس الكثافة
- كجم/م³.
- Kg / m³.
يمكن أن يحدث تغيّر في كثافة المادة بسبب بعض العوامل، ويعود ذلك التغيّر إلى تلك العوامل
- تغير الوزن الذي للعناصر المكونة للمواد.
- تتغير وتختلف المسافات بين الذرات أو الجزيئات في المواد.
الكثافة النسبية
- هي العلاقة التي توضح النسبة بين كثافة أي مادة وكثافة الماء في درجة حرارة معينة.
قانون الكثافة النسبية
- تتمثل الكثافة النسبية في قياس كثافة المادة عند درجة حرارة محددة مقارنة بكثافة الماء عند نفس درجة الحرارة.
- تُعرف الكثافة النسبية بأنها كتلة مادة معينة بحجم محدد وفي درجة حرارة معينة مقارنة بكتلة ماء نفس الحجم وفي نفس درجة حرارة المادة.
من القانون السابق يمكن القول بأن:
كثافة المادة = الكثافة النسبية للمادة / كثافة الماء.
الضغط
تعريف الضغط
- هو تلك القوة التي تؤثر بشكل عمودي على وحدة المساحة المحيطة بهذه النقطة.
- يعني الضغط تأثير قوة رأسي على سطح معين بمساحة محددة.
قانون الضغط
- الضغط = القوة / المساحة.
- P = F / A.
وحدة قياس الكثافة
- نيوتن / م².
- N / M².
الضغط عند نقطة معينة
تعريفه
الحجم المكعب للسائل هو وزن العمود السائل الذي تكون قاعدته وحدة المساحات، ويتكون ارتفاعه من البعد الرأسي بين تلك النقطة وسطح السائل.
قانون الضغط عند نقطة في باطن سائل
- الضغط عند نقطة في سائل يساوي عمق النقطة × كثافة السائل × الثقل النوعي للجاذبية.
- P = h ρ g.
وحدة قياس الضغط عند نقطة في باطن سائل
- نيوتن / م².
- N / M².
العوامل التي تؤثر على الضغط عند نقطة معينة في باطن السائل
- العلاقة بين عمق النقطة والضغط هي علاقة عكسية.
- توجد علاقة طردية بين كثافة السائل والضغط عند تلك النقطة.
- تعد عجلة الجاذبية مقدارًا ثابتًا لا يتغير، وبالتالي لا تؤثر على الضغط في نقطة السائل الداخلي.
- تؤثر السوائل النقية والمعرضة للضغط الجوي على الضغط، ويتم استخدام القانون التالي لحساب الضغط عند النقطة في باطن السائل والمعرضة للضغط الجوي:
- الضغط في نقطة معينة في سائل يتأثر بالضغط الجوي وعمق النقطة وكثافة السائل وعجلة الجاذبية، وفقًا للمعادلة المذكورة
- P = pα + hpg.
- النقاط التي توجد على نفس المستوى الأفقي لها نفس العمق في السائل ونفس الضغط.
- نظرًا لزيادة الضغط مع زيادة العمق، يتم بناء السدود بسماكة أكبر في القاعدة لتحمل الضغط المتزايد في الأعماق.
- عند وضع السوائل في الأواني المستطرقة، يرتفع مستواها بنفس المقدار في جميع الأجزاء في نفس الوقت، ولا يتأثر هذا بالشكل الهندسي، ولكن يُشترط أن تكون قاعدة الأواني أفقية لحدوث ذلك.
لمعرفة المزيد من المعلومات عن الضغط الجوي يمكن قراءة الموضوع التالي:
بحث حول الضغط الجوي والعوامل المؤثرة فيه
اتزان السوائل في أنبوب على شكل U
- عند وضع كمية محددة من الماء في أنبوب على شكل حرف U، تركز الكثافة للماء عند (Pω).
- يتم صب كمية من الزيت من أحد أطراف الأنبوب لتحديد كثافة الزيت بالرمز (Pº).
يجب الانتظار حتى يتم استقرار الماء والزيت داخل الأنبوب، ثم سيتم ملاحظة النتيجة
- عدم امتزاج الماء والزيت معًا.
- سيكون هناك سطح يفصل بين المادتين.
- يتميز كل منهما بارتفاع مختلف عن الآخر في طرفي الأنبوب، بالنسبة للمستوى السطحي الفاصل بينهما.
- يُرمز لضغط الماء بالرمز (A) وضغط الزيت بالرمز (D) ولارتفاع الماء بالرمز (hω) وارتفاع الزيت بالرمز (hο).
مما سبق نستنتج أن
- الضغط الجوي + (ارتفاع الزيت × كثافة الزيت × عجلة الجاذبية) يساوي (الضغط الجوي + ارتفاع الماء × كثافة الماء × عجلة الجاذبية).
- P + hο pο g = P + hω pω g.
يمكن استنتاج بعض الأحكام من القانون السابق
القانون الاول
-
-
- إرتفاع الزيت × كثافة الزيت = إرتفاع الماء × كثافة الماء.
- hω pω = hο pο
-
القانون الثاني
-
-
- يتم حساب ارتفاع الزيت عن طريق تقسيم كثافة الزيت على كثافة الماء وضرب النتيجة بارتفاع الماء.
- pο / pω = hω / hο.
-
- بعد معرفة ارتفاع الماء وكثافته، يمكن تحديد الكثافة النسبية للزيت.
- العلاقة بين الكثافة والارتفاع عكسية في حالة ثبات الضغط الجوي.
الضغط الجوي
يتم قياس الضغط الجوي باستخدام جهاز باروميتر زئبقي، الذي يتكون من
- أنبوب زجاجي طوله 1 م.
- ملأ الأنبوب حتى نهايته بالزئبق.
- ضع الأنبوب بشكل معكوس في وعاء يحتوي على كمية من الزئبق.
- يتم ملاحظة انخفاض مستوى الزئبق في الأنبوب وتصل قيمته إلى 0.76 م.
- يُعرف الفراغ الذي يظهر في الأنبوب باسم `فراغ تورشيللي`.
- هذا الفراغ يحتوي على بخار الزئبق.
- الضغط الموجود بالفراغ = صفر.
- لا يمكن رؤية فراغ تورشيلي إذا كان قطر الأنبوب أقل من 0.76 متر.
الضغط الجوي المعتاد
- يتعادل الضغط الجوي العادي مع الضغط الذي ينشأ عندما يكون طول عمود الزئبق أكبر من 76 سم ومساحة 1 متر مربع وذلك عند درجة حرارة صفر مئوية.
وحدة قياس الضغط
- نيوتن / م² : الوحدة المستخدمة عالمياً لقياس الضغط هي.
- باسكال: وهي تعادل وحدة النيوتين / م².
- البار:
- التور: يساوي 1 ملميتر من الزئبق.
