مفهوم مبدأ باسكال هو أحد المبادئ التي توجد في علم ميكانيكا الموائع قسم ديناميكا السوائل حيث يتم تحديد كمية الضغط المستخدمة للضغط على كمية من السائل في إناء ويعتمد على ان كمية الضغط التي تصل إلى نقطة معينة في باطن أي سائل هو نفس قوة الضغط الذي يصل لكل السائل الموجود في السائل بالغضافة إلى انتقال الضغط إلى الإناء أيضًا وبنفس القوة، وسوف يكون مقالنا عن ميكانيكا الموائه وبشكل خاص ديناميكا الموائع بكل ما تشمله من مصطلحات مثل الضغط والكثافة كل ذلك إلى جانب تعريف مبدأ باسكال.
مفهوم مبدأ باسكال
هناك الكثير من القوانين التي تم استنتاجها في ميكانيكا الموائع وأحد هذه القوانين أو المبادئ هو (مبدأ باسكال).
نص القانون
عند التأثير على سائل في إناء بالضغط فسوف ينتقل الضغط بنفس القوة إلى كل جزيئات السائل الموجود في الإناء بالإضافة إلى انتقاله إلى جدار الإناء أيضًا.
عند وضع كمية من الماء في إناء مزود بمكبس من الأعلى فإن الضغط الذي يحدثه المكبس على نقطة معينة في باطن الماء هو:
- الضغط عند نقطة معينة في باطن السائل = الضغط عند سطح السائل + (المسافة بين النقطة وسطح الماء × الضغط عند تلك النقطة × عجلة الجاذبية).
- P = P1 + hρg.
- يمكن زيادة الضغط على السائل بوضع ثقل فوق المكبس ولكن عند الوضوع لنقطة معينة من الضغط التي لا يتحملها الإناء 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
يستخدم لرفع الأوزان الثقيلة مثل السيارات مستخدمًا قوة صغيرة.
تركيب المكبس الهيدروليكي: هو عبارة عن
- اسطوانتان متخذتان الشكل الرأسي لكل منهما مساحة مختلفة فأحداهما أكبر من الأخرى.
- يوجد بكل اسطوانة مكبس يغلقها بشكل محكم.
- بالأسف يوجد أنبوب مستخدم بشكل أفقي للتوصيل بين الأنبوبتين.
- يتم ملأ الاسطوانات الثلاثة بسائل.
طريقة عمل المكبس الهيدروليكي
- يتم الضغط على المكبس الصغير بمقدار قوة معين.
- بعد ذلك يتم انتقال الضغط إلى السائل فيؤثر الضغط الموجود بالسائل على المكبس الموجود بالاسطوانة الكبيرة.
- لإعادة المكبس الصغير إلى الوضع الطبيعي يتم الضغط على المكبس الكبير بقوة معينة تؤثر على ضغط الماء فتنتقل إلى المكبس الصغير ويرتفع لأعلى عائدًا إلى وضعه الطبيعي.
- في حالة تلاقي المكبس الكبير والصغير عند نقطة واحدة فهذا يشير إلى ان الضغط في كلا المكبيين متساوي.
ميكانيكا الموائع
- تقوم ميكانيكا الموائع على دراسة كيفية انتقال المواد السائلة وتحركها ودراسة القوة التي تؤثر على تلك المواد السائلة.
- تنقسم ميكانيكا الموائع إلى قسمين هما:
- استاتيكا الموائع: وهي عبارة عن دراسة المواد السائلة في حالة السكون.
- ديناميكا الموائع: في هذا القسم يتم دراسة المواد السائلة في حالة الحركة.
- الموائع: هي تلك المواد السائلة والتي تتميز عن غيرها بقدرتها على الانسياب وذلك لعدم وجود شكل محدد لها فهى تتخذ شكل الإناء الذي توضع به وبذلك يمكننا القول بأن الموائع تتمثل في:
- المواد السائلة: لا يوجد لها شكلًا محددًا فهي تأخذ من شكل الغناء الذي توضع به شكلًا لها ولكن لها حجم معين ويمكنها مقاومة أي ضغط يقع عليها.
- المواد الغازية: ليس لها شكل محدد ولا يمكنها أن تتخذ من شكل الإناء شكلًا لها لكنها تشغل الجيز الذي توجد به بالكامل وتتميز بقدرتها وقابليتها للضغط.
كثافة المواد
تعريف الكثافة
أحد الخواص الفيزيائية للمواد وتشير إلى العلاقة بين وحدة حجم المواد والأجسام ووحدة كتلتها ويستخدم الرمز (p) للتعبير عنها.
قانون الكثافة
- الكثافة = الكتلة / الحجم.
- p = m / v.
وحدة قياس الكثافة
- كجم/م³.
- Kg / m³.
يمكن أن يحدث تغير في كثافة المادة ويرجع ذلك التغير إلى بعض العوامل هي
- تغير الوزن الذي للعناصر المكونة للمواد.
- تغير واختلاف المسافات البينية بين ذرات أو جزيئات المواد.
الكثافة النسبية
- هي العلاقة التي توضح النسبة بين كل من كثافة أي مادة وكثافة الماء في درجة الحرارة معينة.
قانون الكثافة النسبية
- الكثافة النسبية = كثافة المادة في درجة حرارة حددة / كثافة الماء في نفس درجة حرارة المادة.
- الكثافة النسبية = كتلة حجم من المادة في درجة حرارة / كتلة نفس الحجم من الماء في 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 التي تحيط بهذه النقطة.
- بمعني أن الضغط هو ناتج تأثير قوة معينة بشكل عمودي على سطح له مساحة معينة.
قانون الضغط
- الضغط = القوة / المساحة.
- P = F / A.
وحدة قياس الكثافة
- نيوتن / م².
- N / M².
الضغط عند نقطة معينة
تعريفه
هو عبارة عن وزن العمود السائل الذي تكون قاعدته هي وحدة المساحات وارتفاعه عبارة عن البعد الرأسي بين كل من تلك النقطة وسطح السائل.
قانون الضغط عند نقطة في باطن سائل
- الضغط عند نقطة في باطن سائل = عمق النقطة × كثافة السائل × عجلة الجاذبية.
- 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 طردية.
- العلاقة بين كثافة السائل والضغط عند تلك النقطة أيضًا علاقة طردية.
- عجلة الجاذبية هي مقدار ثابت لا يتغير وبالتالي فهو لا يؤثر على الضغط عند النقطة في باطن السائل.
- السوائل الخالصة والمعرضة للضغط الجوي تؤثر على الضغط وللحصول على الضغط عند النقطة في باطن السائل والمعرضة للضغط الجوي يستخدم القانون التالي:
- الضغط عند نقطة معينة في باطن سائل = الضغط الجوي + (عمق النقطة × كثافة السائل × عجلة الجاذبية)
- P = pα + hpg.
- النقاط التي توجد على نفس المستوى الأفقي يكون لها نفس العمق في باطن السائل كما يكون لها نفس الضغط.
- بما أن الضغط يزيد في حالة زيادة العمق فإنه يتم بناء السدود بسمك أكبر عند القاعدة حتى يمكنه تحمل الضغط كلما زاد العمق.
- السوائل عند وضعها في الأواني المستطرقة فإنها ترتفع بمقدار متساوي في جميع الأجزاء في نفس الوقت ولا يتأثر ذلك بالشكل الهندسي ولكن لحدوث ذلك يشترط أن تكون قاعدة تلك الأواني أفقية.
اتزان السوائل في أنبوب على شكل U
- عند وضع مقدار معين من الماء في أنبوب على شكل حرف U فإن كثافة الماء يركز لها (Pω).
- صب مقدار من الزيت من أحد أطراف الأنبوب ويرمز لكثافة الزيت بالرمز (Pº).
الانتظار حتى استقرار الماء والزيت داخل الأنبوب وسنلاحظ الآتي
- عدم امتزاج الماء والزيت معًا.
- سيكون هناك سطح يفصل بين المادتين.
- سيكون لكل منها ارتفاع مختلف عن الآخر في طرفي الأنبوب بالنسبة للمكان السطح الفاصل بينهما.
- نرمز لضغط الماء بالرمز (A) وضغط الزيت بالرمز (D) وارتفاع الماء بالرمز(hω) وارتفاع الزيت (hο).
مما سبق نستنتج أن
- الضغط الجوي + (ارتفاع الزيت × كثافة الزيت × عجلة الجاذبية) = الضغط الجوي + ارتفاع الماء × كثافة الماء × عجلة الجاذبية).
- P + hο pο g = P + hω pω g.
من القانون السابق يمكن استنتاج ما يلي
القانون الاول
-
-
- ارتفاع الزيت × كثافة الزيت = ارتفاع الماء × كثافة الماء.
- hω pω = hο pο
-
القانون الثاني
-
-
- كثافة الزيت / كثافة الماء = ارتفاع الزيت / ارتفاع الماء.
- pο / pω = hω / hο.
-
- عند معرفة ارتفاع الماء وكثافتها يمكن تحديد الكثافة النسبية للزيت.
- العلاقة بين الكثتفة والارتفاع علاقة عكسية وذلك في حالة ثبات الضغط الجوى.
الضغط الجوي
يتم قياس الضغط الجوي باستخدام جهاز الباروميتر الزئبقي وهي عبارة عن
- أنبوب زجاجي طوله 1 م.
- ملأ الأنبوب حتى نهايته بالزئبق.
- وضع الأنبوب بشكل معكوس في إناء به كمية من الزئبق.
- سوف نلاحظ أن الزئبق في الأنبوب قد انخفض مستواه وقد أصبح عند 0.76 م.
- الفرغ الذي ظهر في الأنبوب يعرف باسم فراغ تورشيللي.
- هذا الفراغ يحتوي على بخار الزئبق.
- الضغط الموجود بالفراغ = صفر.
- فراغ تورشيللي لا يظهر في حالة كانت الأنبوب أقل من 0.76 م.
الضغط الجوي المعتاد
- يتكافئ الضغط الجوي المعتاد مع الضغط الذي ينشأ عن وزن عمود الزئبق الذي يكون ارتفاعه أكتر من 76 سم ومساحته 1 م² وذلك في درجة حرارة صفر سليزيوس.
وحدة قياس الضغط
- نيوتن / م² : الوحدة المستخدمة لقياس الضغط على المستوى العالمي.
- باسكال: وهي تعادل وحدة النيوتين / م².
- البار:
- التور: يساوي 1 ملميتر من الزئبق.