ضغط السائل ومبدأ باسكال
يستنتج أن ضغط السائل يزداد طرديًا مع عمق النقطة وكثافة السائل، ويحسبه من العلاقة ض = ث × ل × جـ، ويفسّر انتقال الضغط في السائل المحصور وفق مبدأ باسكال.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: تحت ضغط — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٣): العلاقة بين عمق النقطة داخل السائل وضغطه — ص ٦٧
- نشاط (٤): العلاقة بين كثافة السائل وضغطه — ص ٦٨
- نشاط (٥): مبدأ باسكال — ص ٧٢
خطوات التجربة
افتح الشاشة الأولى (الحوض المستطيل)، واختر «الوحدات» «قياس» لتظهر القراءات بـ kPa. اجعل «أَجواء» على Off كي تقرأ ضغط السائل وحده، وفعّل «مسطرة».
املأ الحوض بالماء من الصنبور حتى يمتلئ، ثم اسحب مقياس «ضغط» وضعه على أعماق مختلفة (0.5 m و1 m و2 m و3 m) بالاستعانة بالمسطرة.
سجّل في جدول العمق ل وقراءة الضغط عند كل عمق، ثم ارسم الضغط مقابل العمق.
ضع المقياس على العمق نفسه في موضع آخر من الحوض على المستوى الأفقي نفسه، وقارن القراءة بما سجلته.
ثبّت المقياس على عمق 2 m، وحرّك منزلق «كثافة السوائل» إلى «الغازولين» ثم «ماء» ثم «عسل»، وسجّل الضغط والكثافة في جدول كجدول النشاط (4).
اجعل «أَجواء» على On، وقارن قراءة المقياس عند سطح الماء وعند العمق 2 m بقراءاتك السابقة.
افتح شاشة الحوض ذي الحجرتين، وضع مقياسي ضغط في نقطتين مختلفتين داخل السائل، ثم ضع أثقالًا على سطح السائل في الحجرة اليسرى، وسجّل مقدار الزيادة في قراءة كل مقياس.
الفكرة العلمية
ينشأ ضغط السائل عند نقطة فيه من وزن عمود السائل فوقها على وحدة المساحة، ويُحسب من العلاقة ض = ث × ل × جـ، حيث ث كثافة السائل بوحدة kg/m³، ول عمق النقطة بالمتر، وجـ تسارع الجاذبية الأرضية. ولهذا زادت القراءة طرديًا مع العمق، وعند العمق نفسه زادت مع كثافة السائل فكانت في العسل أكبر منها في الماء ثم الغازولين. والنقاط التي على المستوى الأفقي نفسه في السائل الساكن لها الضغط نفسه. وعند تشغيل الغلاف الجوي يضاف الضغط الجوي إلى ضغط السائل فيعطي الضغط المطلق: ضم = ض. + ث ل جـ. أما في الحوض ذي الحجرتين فالسائل محصور، والثقل الموضوع على سطحه يزيد ضغطه بالمقدار نفسه عند كل النقاط، وهذا مبدأ باسكال الذي يقوم عليه المكبس الهيدروليكي. والمحاكاة تقرأ الضغط مباشرة بمقياس رقمي بدل فرق المستوى في المانومتر.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
و«أَجواء» على Off، ما قراءة مقياس الضغط على عمق 2 m في الماء (ث = 1000 kg/m³، جـ = 9.8 m/s²)؟
- 2 kPa
- 19.6 kPa
- 121 kPa
- 196 kPa
اعرض الإجابة
ب) 19.6 kPa
ض = ث × ل × جـ = 1000 × 2 × 9.8 = 19600 Pa = 19.6 kPa. ومن اختار 121 kPa أضاف الضغط الجوي مع أنه مطفأ، ومن اختار 196 kPa أخطأ في التحويل من الباسكال إلى الكيلوباسكال.
نقطتان على العمق نفسه في الحوض، إحداهما قرب الجدار والأخرى في الوسط. كيف يكون الضغط عندهما؟
- أكبر قرب الجدار لأن الجدار يضغط على السائل
- أكبر في الوسط لأن فوقه ماء أكثر
- متساويًا لأن ضغط السائل يعتمد على العمق لا على الموضع الأفقي
- يعتمد على اتجاه فوهة المقياس
اعرض الإجابة
ج) متساويًا لأن ضغط السائل يعتمد على العمق لا على الموضع الأفقي
ضغط السائل الساكن يتحدد بالعمق والكثافة وجـ فقط، فكل النقاط على المستوى الأفقي نفسه ضغطها واحد، وهو يؤثر في جميع الاتجاهات. ويظن بعض الطلاب أن كمية السائل فوق النقطة أو قربها من الجدار تغيّر الضغط، والقياس يبيّن غير ذلك.
في الحوض ذي الحجرتين وضعت ثقلًا على سطح السائل فزادت قراءة مقياس قريب منه بمقدار 5 kPa. كم تزيد قراءة مقياس في أعمق نقطة بعيدًا عن الثقل؟
- أقل من 5 kPa لأنه بعيد عن الثقل
- لا تتغيّر لأن الثقل في الحجرة الأخرى
- أكثر من 5 kPa لأنه أعمق
- 5 kPa أيضًا
اعرض الإجابة
د) 5 kPa أيضًا
وفق مبدأ باسكال ينتقل الضغط الخارجي إلى جميع أجزاء السائل المحصور بالتساوي، فتزيد كل القراءات بالمقدار نفسه، مع بقاء الفرق الناتج عن العمق كما هو. والخطأ الشائع تصور أن الضغط يضعف بالبعد عن مصدره كما يضعف الصوت.
لماذا تُبنى جدران السدود أسمك عند قاعدتها منها عند أعلاها؟
اعرض الإجابة
لأن ضغط الماء يزداد طرديًا مع العمق وفق ض = ث × ل × جـ، فيكون أكبر ما يمكن عند القاعدة. فتحتاج القاعدة جدارًا أسمك ليتحمل القوة الأكبر، أما قرب السطح فالضغط صغير ويكفي جدار أرق.
غطّاس على عمق 10 m في ماء البحر. لماذا يشعر بضغط أكبر من غطّاس على العمق نفسه في بحيرة ماء عذب؟
اعرض الإجابة
لأن كثافة ماء البحر أكبر من كثافة الماء العذب بسبب الأملاح الذائبة فيه، والضغط عند العمق نفسه يتناسب طرديًا مع كثافة السائل. فيكون ث × ل × جـ في البحر أكبر، كما ارتفعت القراءة في المحاكاة عند تحريك منزلق الكثافة نحو العسل.