الدرس الأول: الضغط (تعريفه، العوامل المؤثرة، قاعدة باسكال، مبدأ برنولي)
المتوسط - الصف الثامن
الدرس الأول: الضغط (Pressure)
1. مفهوم الضغط
التعريف: هو القوة العمودية المؤثرة على وحدة المساحة.
حيث:
P: الضغط (Pressure)
F: القوة (Force) (نيوتن)
A: المساحة (Area) (م²)
الوحدة: باسكال (Pa) وتساوي نيوتن/م².
2. العوامل المؤثرة في ضغط المواد الصلبة
يعتمد الضغط في الأجسام الصلبة على عاملين رئيسيين:
- القوة العمودية (الوزن): علاقة طردية. كلما زاد وزن الجسم، زاد الضغط الذي يسببه على السطح تحته.
- مساحة السطح: علاقة عكسية. كلما زادت مساحة السطح الملامس، قل الضغط (توزعت القوة).
3. تطبيقات عملية على الضغط
يمكننا التحكم في قيمة الضغط من خلال التحكم في مساحة السطح التي تؤثر عليها القوة، ولهذا تطبيقات هامة في حياتنا:
أولاً: تطبيقات لزيادة الضغط (تقليل المساحة)
- السكين والمقص: تُسن حوافها لتكون مساحتها صغيرة جداً، فيزداد الضغط الناتج عن قوة اليد مما يسهل القطع.
- المسمار والدبوس: لها رأس مدبب (مساحة صغيرة جداً) ليسهل اختراق الأجسام عند الطرق عليها.
- الإبر الطبية: صممت برأس دقيق جداً لتخترق الجلد بأقل قوة وأعلى ضغط.
ثانياً: تطبيقات لتقليل الضغط (زيادة المساحة)
- خف الجمل: عريض المساحة ليقلل الضغط على الرمال فلا تغوص أرجله فيها (سفينة الصحراء).
- إطارات الشاحنات: عريضة ومتعددة لتوزيع وزن الشاحنة الكبير على مساحة أكبر، مما يقلل الضغط على الطريق ويمنع انفجارها.
- الزلاجات: يستخدم المتزلجون ألواحاً عريضة لزيادة المساحة وتقليل الضغط فلا يغوصون في الثلج.
4. ضغط الموائع (السوائل)
تؤثر السوائل بضغط في جميع الاتجاهات على الأجسام المغمورة فيها وعلى جدران الوعاء الذي يحتويها، وينشأ هذا الضغط نتيجة وزن عمود السائل.
العوامل التي يعتمد عليها ضغط السائل:
- عمق النقطة (h): علاقة طردية. كلما زاد العمق (النزول لأسفل)، زاد وزن عمود السائل فوق النقطة، وبالتالي زاد الضغط. لهذا تكون سدود المياه أكثر سماكة في الأسفل.
- كثافة السائل (ρ): علاقة طردية. السوائل الأثقل (الأعلى كثافة مثل الزئبق) تسبب ضغطاً أكبر من السوائل الخفيفة (مثل الماء).
لاحظ أن شكل الوعاء لا يؤثر في ضغط السائل عند نقطة معينة، بل العمق فقط.
مبدأ باسكال (Pascal's Principle):
"إذا وقع ضغط خارجي على مائع محصور، فإن هذا الضغط ينتقل إلى جميع أجزاء المائع وبالتساوي."
تطبيقات عملية على مبدأ باسكال:
- الرافعة الهيدروليكية (لرفع السيارات الثقيلة بقوة صغيرة).
- كرسي طبيب الأسنان (للتحكم في الارتفاع).
- فرامل السيارات الهيدروليكية (لإيقاف السيارة بضغط بسيط على الدواسة).
- المكابس الهيدروليكية (ضغط المعادن والقطن).
5. مبدأ برنولي (Bernoulli's Principle)
النص: يقل ضغط المائع عندما تزداد سرعته.
علاقة عكسية بين سرعة المائع وضغطه.
أ. جناح الطائرة:
يصمم الجناح ليكون منحنياً من الأعلى، فتزيد سرعة الهواء فوقه ويقل الضغط، بينما يكون الهواء أسفله أبطأ وضغطه أعلى، مما يولد قوة رفع للأعلى.
ب. المِرذاذ (بخاخ العطر):
اندفاع الهواء بسرعة عالية فوق أنبوب السائل يقلل الضغط، فيرتفع السائل ويخرج كرذاذ.
مسائل حسابية
س1: صندوق وزنه 500 نيوتن ومساحة قاعدته 0.5 م². احسب الضغط الذي يؤثر به على الأرض.
س2: رافعة هيدروليكية مساحة مكبسها الصغير 0.2 م² ومكبسها الكبير 0.8 م². إذا أثرت قوة 400 نيوتن على المكبس الصغير، فما القوة الناتجة على الكبير؟
خلاصة الدرس
الضغط (Pressure):
القوة العمودية المؤثرة على وحدة المساحة (P = F/A). وحدته باسكال (Pa).
ضغط السائل:
يعتمد طردياً على عمق النقطة (h) وكثافة السائل (ρ). لا يعتمد على شكل الوعاء.
مبدأ باسكال:
الضغط ينتقل بتمامه في جميع الاتجاهات داخل المائع المحصور. تطبيق: الرافعة الهيدروليكية.
مبدأ برنولي:
زيادة سرعة المائع تؤدي إلى نقصان ضغطه. تطبيق: جناح الطائرة والمِرذاذ.