مفهوم الضغط في علم الفيزياء

ما هو الضغط؟

يمكن تعريف الضغط على أنه القوة العمودية التي تُمارس على وحدة المساحة. يُعبر عنه رياضيًا بالمعادلة التالية: الضغط = القوة / المساحة التي تؤثر فيها القوة. وبذلك، تُقاس وحدة الضغط بالنيوتن لكل متر مربع (نيوتن/م²)، وتعرف هذه الوحدة بالباسكال وفقًا للنظام الدولي للوحدات. يُعتبر الضغط كمية قياسية تُعبر عن مقدار فقط وليس عن اتجاه، وكلما كانت المساحة أصغر، فإن كمية أقل من القوة قادرة على توليد ضغط أكبر، كما يحدث عند استخدام السكين. لذا، فإن العلاقة بين الضغط والمساحة هي علاقة عكسية.

وحدات قياس الضغط

توجد عدة وحدات يمكن استخدامها لقياس الضغط، منها:

البار (bar): يساوي 1 × 10⁵ باسكال.
الميلي بار (mbar): يعادل 100 باسكال.
الهكتوباسكال (hPa): يساوي 100 باسكال.
ميليمتر من الزئبق (mmHg): يعادل 133.322 باسكال.

ضغط الغازات

تتحرك جزيئات الغاز باستمرار، وعند احتجازها في وعاء مغلق يتشكل ما يسمى بضغط الغاز، والذي يُعرف بأنه التصادم بين جزيئات الغاز وجدران الوعاء.

تتأثر قيمة ضغط الغاز بعدة عوامل، منها:

عدد جزيئات الغاز: كلما زاد عدد الجزيئات التي تصطدم بجدران الوعاء، يزداد الضغط.
درجة الحرارة: إذ يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى زيادة حركة الجزيئات، مما يزيد الضغط.
الحجم: عند تقليل حجم الوعاء، يرتفع الضغط نتيجة لزيادة التصادم بين الجزيئات وجدران الوعاء.
كثافة الغاز: بزيادة كثافة الغاز، يرتفع الضغط.

ضغط الموائع

ينتج ضغط المائع (بالإنجليزية: fluid) من وزن عمود السائل المؤثر عموديًا على وحدة المساحة. يمكن اشتقاق معادلة الضغط عن طريق تطبيق القوانين التالية:

الضغط = الوزن / المساحة.
الوزن = الكتلة × تسارع الجاذبية (m × g).
الكتلة = الكثافة × الحجم (p × v).
وعليه، فإن الضغط يساوي (p × v × g / A)، حيث A تمثل المساحة.
حيث أن الحجم مُقسم على المساحة (v / A) يعادل الارتفاع (h).
لذا، فإن ضغط السائل يساوي p × g × h.

ملاحظة: وفقًا لقانون ضغط السائل، فإن الضغط لا يتأثر بالشكل أو الكتلة أو مساحة سطح السائل.

مثال على حساب الضغط

افترض أن طاولة صغيرة وزنها 40 نيوتن تستند على أربع أرجل، وكل واحدة من هذه الأرجل تغطي مساحة 0.001 متر². ما هو مقدار الضغط المؤثر من الطاولة على الأرض؟

الحل:

قانون الضغط = القوة / المساحة.
المساحة = مساحة الأرجل الأربع = 4 × 0.001 = 0.004 متر².
القوة = 40 نيوتن.
عند تطبيق القانون، يكون الضغط = 40 / 0.004 = 40000 نيوتن/متر².