فصل دوم فیزیک دهم (فشار)

فصل دوم فیزیک دهم به مبحث فشار درون اجسام می پردازد درون درسنامه در این پست آموزشی با مفهوم جدیدی تحت عنوان فشار آشنا می شوید ، برای گازهایی که درون مخزن و یا کپسول ذخیره شده اند می توان دو نوع فشار رو به وسیله فشار سنج گزارش کرد

فشار در شاره ها : وقتی شاره ای (مایع یا گاز) ساکن است ، به هر سطحی که با آن در تماس باشد، مانند جداره یک ظرف یا سطح جسمی که در شاره غوطه ور است، نیرویی عمودی وارد می کند. این همان نیرویی است که وقتی پاهای خود را درون یک استخر آب تکان می دهید احساس می کنید که پاهای شما را فشار می دهد .

با وجود اینکه شاره به عنوان یک کل ساکن است، مولکول های آن در حال حرکت اند؛ نیرویی که توسط شاره وارد می شود ناشی از برخورد مولکول ها با اطراف آن است .

فشار

فشار P که به یک سطح فرضی A درون شاره وارد می شود به صورت نسبت اندازه نیروی عمودی وارد بر این سطح به مساحت آن تعریف می شود :

یکای فشار در SI ، پاسکال (pa) است که به صورت زیر تعریف می شود :

مثال ۱: یک زیر دریایی تفریحی در اعماق اقیانوسی به آرامی حرکت می کند. این زیر دریایی تعدادی پنجره کوچک دایره ای شکل به شعاع ۰٫۴m دارد. اگر فشار آب در محل هر یک از پنجره ها برابر ۹*۱۰^۵pa باشد، بزرگی نیروی عمودی که آب بر سطح خارجی یکی از این پنجره ها وارد می کند چقدر است؟

حل مثال ۱:

محاسبه فشار در شاره ها

در شکل زیر بخشی از شاره به ارتفاع h نشان داده شده است که بین دو سطح فرضی A قرار دارد. نیروهای در راستای قائم که بر این بخش از شاره وارد می شود در شکل نشان داده شده است.

چون شاره در حال تعادل است، نیروها متوازن اند و برایند آنها صفر است. بنابراین از قانون دوم نیوتون برای نیروهای در راستای قائم داریم :

اگر از طرفین رابطه بالا A را حذف کنیم، رابطه فشار در شاره ها به صورت زیر نوشته می شود :

اگر بخواهیم فشار در شاره ها را از سطح شاره تا نقطه ای در عمق h از آن بیابیم (مانند شکل زیر) باید به جای P₁ از P₀ فشار هوای وارد بر سطح شاره استفاده کنیم.

که رابطه فشار در شاره ها در عمق h از آن از رابطه زیر بدست می آید :

فشار در سطح دریاهای آزاد را یک اتمسفر (۱atm) می نامیم :

برای محاسبه اختلاف فشار در شاره ها مانند اختلاف فشار آب در عمق های متفاوت و یا اختلاف فشار هوای بالا و پایین یک ساختمان می توان از رابطه زیر استفاده کرد :

با توجه به اینکه چگالی گاز ها خیلی کم است، در محفظه های کوچک گاز، اختلاف فشار در نقاط مختلف داخل محفظه ناچیز است. یعنی اگر فشار گاز داخل یک محفظه را خواستیم بدست آوریم، می توانیم فشار هر نقطه دلخواه از محفظه را با توجه به مساله بدست آوریم.

مثال ۲: در شکل زیر فشار سه نقطه ی هم تراز A و B و C را با هم مقایسه کنید.

حل مثال ۲: فشار در مایعات به ارتفاع آن از سطح آزاد مایع بستگی دارد. و چون در این شکل ارتفاع برای هر سه نقطه از سطح آزاد مایع یکسان است، فشار هر سه نقطه با هم برابر است .

مثال ۳: فشار هوا در کنار دریا ۱۰^۵pa است. اگر چگالی آب دریا ۱۱۰۰kg/m³ باشد، فشار کل در عمق ۱۰ متری چند پاسکال است؟

حل مثال ۳:

فشار در لوله های U شکل

نکته: در لوله های U شکل، نقاط هم تراز در پایین ترین سطح جدایی (و پایین تر از آن)، هم فشارند.

مثال ۴: در لوله U شکل، مقداری جیوه قرار دارد. در شاخه سمت راست لوله آن قدر آب می ریزیم تا ارتفاع آب به ۵۴٫۴cm برسد. اختلاف ارتفاع جیوه در دو شاخه چند سانتی متر است؟

حل مثال ۴:

مثال۵: جسمی مکعبی به طول ضلع ۲۰cm درون شاره ای غوطه ور است و در حال تعادل است. فشار در بالا و پایین جسم برابر ۱۰۵٫۰kpa و ۱۰۶٫۸kpa است. چگالی شاره چند کیلوگرم بر متر مکعب است؟