الضغط الهيدروستاتيكي: التعريف ، الصيغ ، المبادئ ، أمثلة على المشاكل
ينشأ الضغط بسبب القوة المؤثرة على منطقة معينة وكذلك بسبب الضغط الموجود في السائل في المادة هذه المرة سنناقش كيفية الضغط في السائل أو المعروف أيضًا باسم الضغط هيدروستاتيكي.
جدول المحتويات
فهم الضغط الهيدروستاتيكي
الضغط الهيدروستاتيكي هو ضغط يمارسه سائل في جميع الاتجاهات ضد جسم بسبب قوة الجاذبية.
سيزداد هذا النوع من الضغط بمرور الوقت مع زيادة العمق المقاس من اتجاه سطح السائل.
الشيء الذي يجب الانتباه إليه عند هذا الضغط هو كثافة السائل الذي يتعرض لجسم ما.
من الأمثلة التي تُستخدم غالبًا الماء والزيت. كثافة الماء 1 جم / سم2 أو 1000 كجم / م2 وكثافة زيت 0.8 جم / سم2 أو 800 كجم / م2.
نتيجة لقوة الجاذبية ، سيضغط وزن جزيئات الماء على الجسيمات الموجودة تحته ، ثم يتباين سوف تضغط جزيئات الماء أدناه على بعضها البعض في قاع الماء بحيث يكون الضغط أدناه أكبر من أعلى ضغط.
لذلك كلما غوصنا بشكل أعمق باتجاه سطح الماء ، كلما زاد حجم الماء فوقنا مع سطح الماء حتى يزداد أيضًا الضغط الذي سيؤثر به الماء على أجسامنا كبير.
خصائص الضغط الهيدروستاتيكي
هناك عدة خصائص للضغط الهيدروستاتيكي ، منها:
- كلما كانت النقطة أعمق من سطح السائل ، زاد الضغط الهيدروستاتيكي.
- ضغط السائل في جميع الاتجاهات هو نفسه.
- سيعتمد الضغط الهيدروستاتيكي على عمق وكثافة السائل والتسارع بسبب الجاذبية.
- لا تعتمد على شكل الحاوية.
صيغة الضغط الهيدروستاتيكي
لا يمكن أن يتأثر هذا الضغط الهيدروستاتيكي بكتلة أو وزن الماء أو مساحة سطح الماء أو شكل وعاء الماء وهذا الضغط يضغط في جميع الاتجاهات.
وحدة الضغط هي نيوتن لكل متر مربع (N / m2) / باسكال (باسكال).
تستخدم الصيغة التالية لإيجاد الضغط الهيدروستاتيكي ، وهي:
فتاه = gh
معلومة:
- صح: الضغط الهيدروستاتيكي (N / m2 أو Pa) >> 1 atm = 1 Pa
- : الكثافة (كم / م3)
- ز: قوة الجاذبية (م / ث2)
- ح: عمق الجسم من سطح السائل (م)
- صح: gh + P.
- P: ضغط الهواء الخارجي (1 ضغط جوي / 76 سم زئبق)
كلما زادت المسافة من نقطة القياس إلى اتجاه سطح الماء ، زاد الضغط الهيدروستاتيكي عند تلك النقطة.
يمكن إثبات ذلك من خلال الصورة أدناه التي توضح أنه كلما زاد مستوى الماء ، زاد الضغط الهيدروستاتيكي في قاع الوعاء.
سيؤدي هذا إلى زيادة تدفق الماء إلى الوعاء الأيمن لأن الضغط أعلى من الوعاء الأيسر.
تستخدم الصيغة أعلاه كأداة لتحديد قيمة الضغط الهيدروستاتيكي على وعاء مغلق (على سبيل المثال: الضغط عند نقطة معينة في الماء في زجاجة مغلقة أو خزان مياه أو برميل ماء مغلق).
لكي تكون قادرًا على حساب الضغط الكلي الموجود عند نقطة أسفل سطح الماء في مكان مفتوح ، على سبيل المثال البحيرات والبحار أو الحاويات المفتوحة ، سوف تتطلب زيادة كبيرة في الضغط الجوي بالداخل الحساب.
وبالتالي ، فإن إجمالي الضغط الهيدروستاتيكي في الحالة المفتوحة يساوي الضغط الهيدروستاتيكي للماء عند هذه النقطة ولكن تضاف بمقدار الضغط الذي يعمل على سطح الماء الذي تمت صياغته مع:
صمجموع = صهيدرو + صماكينة الصراف الآلي
صمجموع= gh + P.ماكينة الصراف الآلي
معلومة:
صماكينة الصراف الآلي هو الضغط الجوي (الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر هو Pماكينة الصراف الآلي = 1,01×105باسكال).
يرتبط ضغط السائل ارتباطًا وثيقًا بـ قانون أرخميدس & قانون باسكال.
مبدأ الضغط الهيدروستاتيكي
لفهم مبدأ معادلة الضغط الهيدروستاتيكي بشكل أفضل ، ضع في اعتبارك الصورة أدناه:
معلومة:
- إجمالي الضغط الذي يستقبله الصياد يساوي الضغط الجوي (إذا كان يتلقى دائمًا ضغطًا جويًا في جميع الأوقات) ، بحيث ص1 = صماكينة الصراف الآلي
- الضغط الكلي الذي يستقبله غواص الخزان الأصفر يساوي الضغط الجوي بالإضافة إلى الضغط الهيدروستاتيكي عند العمق h2. حتى ص2 = gh2+ صماكينة الصراف الآلي
- الضغط الكلي الذي يستقبله غواص الخزان الأحمر يساوي الضغط الجوي بالإضافة إلى الضغط الهيدروستاتيكي على عمق h3. حتى ص3 = gh3+ صماكينة الصراف الآلي
لأن ح3 > ح2، لذلك فإن P3 > ص2.
مثال على الضغط الهيدروستاتيكي
فيما يلي بعض الأمثلة على الضغط الهيدروستاتيكي الموجود في الحياة اليومية ، بما في ذلك:
- يتم تثبيت فتحة التصريف لخزان المياه في أسفل الخزان بحيث يمكن إخراج الماء والأوساخ الموجودة في خزان المياه بسلاسة.
- يتكون الجزء السفلي من الحمام المائي أكثر سمكًا من الجزء العلوي لتحمل ضغط الماء الكبير في القاع.
- قاع السد أصبح أكثر سمكًا من القمة لتحمل ضغط الماء المرتفع في القاع.
- عند السباحة بشكل أعمق ، سيشعر الغواص بألم في الأذن. هذا لأنه كلما تعمقنا ، زاد الضغط.
- في التسريب ، يجب وضع التسريب في جزء من الجسم به ضغط دم أقل من ضغط التسريب حتى يتدفق سائل التسريب إلى جسم المريض. إذا كان ضغط الدم أكبر من ضغط التسريب ، سيتدفق الدم عبر أنبوب التسريب إلى كيس التسريب.
- شكل الغواصة مصنوع على شكل طوربيد لتحمل الضغط الهيدروستاتيكي في البحر.
مثال على المشاكل
من أجل تسهيل فهم الأوصاف المختلفة المذكورة أعلاه ، نقدم هنا بعض الأمثلة على الضغط الهيدروستاتيكي وتفسيراتها ، بما في ذلك:
1. يبلغ الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر 1.01 × 105 باسكال. لماذا لا نشعر بالضغط الجوي عندما يضغط على أجسادنا؟
أ. يعتبر الضغط الجوي صفراً بسبب الجاذبية.
ب. الجاذبية تقضي على الشعور بالضغط.
ج. يمكن للسوائل في أجسامنا أن تدفع الجسم إلى الخارج بنفس القوة.
د. تعودنا على الضغط الجوي منذ الولادة.
إجابه:
والجواب الصحيح هو ج.
لأن الدم والسوائل في جسم الإنسان ستمارس الضغط نفسه على الضغط الجوي الخارج من الجسم.
لأن الضغط الذي يندفع خارج الجسم هو نفس الضغط الجوي الذي يضغط على الجسم ، لذلك لن نكون قادرين على الشعور بالضغط الجوي الذي يضغط على أجسامنا.
2. سلحفاة تسبح في الحوض. تقع السلاحف على بعد 50 سم من سطح الحوض. احسب الضغط الهيدروستاتيكي الذي تستقبله السلحفاة؟
(كثافة الماء = 1000 كجم / م3 والتسارع بسبب الجاذبية 10 م / ث2)
إجابه:
معروف:
ح = 50 سم = 0.5 م
= 1000 كجم / م3
ز = 10 م / ث2
طلبت:
فتاه... ؟؟؟
حل:
فتاه = .g.h
الرقم الهيدروجيني = 1000 × 10 × 0.5
فتاه = 5000 باسكال.
يمكننا معرفة أن الضغط الهيدروستاتيكي الذي تلقته السلحفاة يساوي 5000 باسكال.
3. ننظر إلى الصورة أدناه!
في الصورة أعلاه ، هناك نوعان من الضغوط المطبقة على أنبوب على شكل حرف U مملوء بالزئبق ، وهو متصل مباشرة بالهواء الحر أو بالضغط الجوي. ما هو الضغط Pa إذا كان فرق منسوب الماء (H) 1.2 مترًا؟
(كثافة الزئبق = 13600 كجم / م3)
حل:
معروف:
حل:
بحيث يمكن الحصول على مقدار الضغط على الجانب الأيمن (Pأ ) 2.61 × 105 صأ.
على الرغم من أن الاختلاف في الارتفاع صغير فقط ، إلا أن كثافة السائل الذي يجب كبته كبيرة جدًا (أكثر من 13 مرة) عند مقارنتها بالماء العادي.
لذلك ، يتطلب قمع الزئبق ما يصل إلى 13 مرة ضغط أكبر من الماء العادي.
4. يقوم الغواص بالغوص على عمق 10 أمتار تحت سطح الماء. إذا كانت كثافة الماء 1000 كجم / م3 والعجلة بسبب الجاذبية 10 م / ث2، ثم قم بإيجاد وتحديد قيمة الضغط الهيدروستاتيكي الذي يتعرض له الغطاس!
إجابه:
معروف:
ح = 10 م
= 1000 كجم / م3
ز = 10 م / ث2
سئل ف =... ؟؟؟
حل
ف =. ز. ح
ف = 1000. 10. 10
P = 100،000 نيوتن / م2
بحيث يكون الضغط الهيدروستاتيكي الذي يتعرض له الغواص = 100،000 نيوتن / م2.