فشار

فشار یک کمیت نرده‌ای است که به صورت نیرو بر واحد سطح تعریف می‌شود. یکای فشار در دستگاه بین‌المللی یکاها پاسکال است. به نیروی عمودی وارد شده بر یکای مساحت یک سطح نیز فشار گفته می‌شود. یک پاسکال با یک نیوتون بر مترمربع (N/m²) برابر است.

نسبت نیروی عمود بر سطح به اندازاهء خود سطح را فشارگویند. درداخل مایعات هم فشار از وزن مایع بالای هر سطح ناشی می شود.

تعریف

هنگامی که نیروی F به یک سطح مشخص A اعمال می‌شود، تنش در اجزای آن سطح به‌وجود می‌آید که باعث فشرده شدن اجزای تحت تنش می‌شود. هرچه نیرو به سطح کوچکتری وارد شود، فشار بیشتری ایجاد می‌شود. اگر نیروی وارد به یک سطح مشخص افزایش یابد نیز، فشار وارد به سطح بیشتر می‌شود. میزان نیروی وارد بر یک سطح را به‌عنوان فشار تعریف می‌کنند که با نماد p نمایش داده می‌شود:

$P={\frac {F}{A}}$

یکاهای فشار

یکای کنونیِ فشار در دستگاه بین‌المللی یکاها، پاسکال است که با نماد "Pa" نشان داده می‌شود. یک پاسکال برابر با نیروی یک نیوتون وارد بر سطح یک مترمربع است:

$1Pa={\frac {1N}{1m^{2}}}={\frac {1kg}{1m.s^{2}}}$

یکاهای دیگری نیز برای اندازه‌گیری فشار به‌کار می‌روند:

• اتمسفر: یکایی است که معمولاً برای اندازه‌گیری فشار هوا و سیالات به‌کار می‌رود. یک اتمسفر برابر با فشار ناشی از ستون آب به ارتفاع ده متر است.
• میلی‌متر جیوه: این یکا نشان‌دهندهٔ فشار ناشی از ستون جیوه به ارتفاع یک میلی‌متر است. در فشارسنج جیوه‌ای میزان فشار با اندازه‌گیری ارتفاع ستون جیوه در لوله یا اختلاف دو ستون جیوه در دو لولهٔ مرتبط به‌دست می‌آید.

در نشان دادن فشار خون از این یکا استفاده می‌شود.

• متر آب: یکایی است که برای محاسبهٔ فشار در مکانیک سیالات به‌کار می‌رود و فشار معادل با یک ستون آب به ارتفاع یک متر است.

واحدهای فشار

	پاسکال (Pa)	بار (bar)	اتمسفر فنی (at)	اتمسفر (atm)	تور (Torr)	پوند بر اینچ مربع (psi)
1 Pa	≡ 1 N/m2	10−5	1.0197×10−5	9.8692×10−6	7.5006×10−3	145.04×10−6
1 bar	100,000	≡ 106 dyn/cm2	1.0197	0.98692	750.06	14.504
1 at	98,066.5	0.980665	≡ 1 kgf/cm2	0.96784	735.56	14.223
1 atm	101,325	1.01325	1.0332	≡ 1 atm	760	14.696
1 torr	133.322	1.3332×10−3	1.3595×10−3	1.3158×10−3	≡ 1 Torr; ≈ 1 mmHg	19.337×10−3
1 psi	6,894.76	68.948×10−3	70.307×10−3	68.046×10−3	51.715	≡ 1 lbf/in2

مثال:  ۱Pa = ۱ N/m^۲  = ۱۰^−۵ bar  = ۱۰/۱۹۷×۱۰^−۶ at  = ۹/۸۶۹۲×۱۰^−۶ atm
یادآوری:  mmHg نماد میلی‌متر جیوه است.

اندازه‌گیری فشار

روش‌های گوناگونی برای اندازه‌گیری فشار به‌کار می‌روند. هواسنج و فشارسنج جیوه‌ای با اندازه‌گیری ارتفاع ستون جیوه کار می‌کنند. فشارسنج‌های مکانیکی (بدون سیال) و حسگرهای الکترونیکی نیز برای اندازه‌گیری فشار، به‌ویژه فشار وارد با جامدات، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فشارسنج لوله‌ای (هیدرواستاتیک)

فشارسنج جیوه‌ای

در این‌گونه فشارسنج‌ها، فشار با استفاده از خواص سیال اندازه‌گیری می‌شود. سیالی درون یک لولهٔ مویینِ مدرّج ریخته می‌شود.

فشار در مایع (شاره‌ها)

فشار در مایع به عمق مایع و چگالی آن وابسته است و به سطح مقطع و شکل ظرف بستگی ندارد. فشار در مایع بدین صورت محاسبه می‌شود:

• P=ρgh

فشار مایع (یا هر شاره دیگری) = چگالی مایع × شتاب جاذبه زمین × ارتفاع جسم از سطح مایع

اثبات فرمول فشار در شاره‌ها

همانگونه که می‌دانیم فشار در شاره از رابطه نسبت نیرو بر سطح بدست می‌آید. همچنین می‌دانیم که نیرو از رابطه جرم در شتاب جاذبه زمین بدست می‌آید؛ جرم نیز از طریق چگالی در حجم بدست می‌آید. حجم نیز از طریق ارتفاع در مساحت قاعده بدست می‌آید؛ بنابراین:

• شارهP=F/A →mg/A→ ρvg/A→ρAhg/A(سطح مقطع‌ها باهم خط میخورند)→ρhg

اصل پاسکال

مایعی که درون ظرفی محصور و بسته‌است، هنگامی که به یک طرف ظرف فشار و نیرو وارد می‌کنیم، این فشار و نیرو در تمام نقاط مایع یکسان است بدون آن که فشار یا نیرو در نقاط دیگر مایع کاسته شود؛ این پدیده را اصل پاسکال می‌گویند. اصل پاسکال در جک‌های هیدرولیکی، ترمزهای هیدرولیکی و … به کار می‌رود.

انواع فشار

1. فشار مطلق: به مجموع فشار وارد بر یک سطح گفته می‌شود.
2. فشار نسبی:فشاری است که در مخلوطی از گازها، هر گاز به میزان فشار خود بر گاز دیگر اعمال فشار می‌نماید.
3. فشار خلأ

رابطه‌های فشار

رابطه فشار با ارتفاع

هرچه از سطح زمین در لایه تروپوسفر به سمت لایه‌های بالاتر ارتفاع می‌گیریم، دمای هوا کاهش و در نتیجه فشار هوا نیز کم می‌شود. در بعضی از قانون‌های فشار ذکر شده‌است که با سرد شدن هوا، فشار نیز بیشتر می‌شود؛ این قانون در سطح زمین است ولی اگر هرچه در لایه تروپوسفر از زمین فاصله بگیریم، به دلیل کاهش جاذبه، هوا رقیق‌تر و چگالی آن کم می‌شود؛ وقتی که هوا رقیق‌تر شود یعنی مولکول‌های هوا در آنجا زیاد نیست و در نتیجه فشار نیز کم است. این قانون بیشتر در قله کوه‌ها یا پرواز هواپیما در ارتفاع زیاد، به کار می‌رود

رابطه فشار با دما

هرچه دما در یک اتاق یا محیطی بیشتر شود، فشار نیز بیشتر می‌شود و هرچه دما در یک اتاق یا محیطی کم شود، فشار نیز کمتر می‌شود.