الضغط في السوائل
يقيس ضغط السائل على أعماق مختلفة، ويستنتج أنه يزداد بزيادة العمق وكثافة السائل ولا يعتمد على شكل الإناء، وأن الضغط الواقع على سائل محصور ينتقل إلى جميع أجزائه.
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 (٢): ضغط الماء — الجزء الثاني، ص ١٦
- نشاط (٣): انتقال الضغط في السوائل — الجزء الثاني، ص ١٩
- نشاط (٤): هيا نلعب — الجزء الثاني، ص ١٩
خطوات التجربة
افتح محاكاة «تحت الضغط» واختر المشهد ذا الحوض المستطيل. اجعل «أَجواء» على «Off» (إيقاف) كي تقيس ضغط الماء وحده، واختر من «الوحدات» الخيار «قياس».
اسحب مقياس الضغط إلى سطح الماء، ثم أنزله إلى أعماق مختلفة حتى القاع مستعينًا بـ«مسطرة». سجّل القراءات في جدول أعمدته: العمق، الضغط.
انقل المقياس أفقيًا وهو عند العمق نفسه، وقارن قراءته بقراءته السابقة.
اختر المشهد ذا الوعاءين المختلفين في الشكل، وضع مقياسًا عند قاع كل منهما، وقارن القراءتين كما يقارن نشاط «ضغط الماء» بين قاعدتي الوعاءين.
عُد إلى الحوض المستطيل، وحرّك منزلق «كثافة السوائل» من «ماء» إلى «عسل» ثم إلى «الغازولين»، وسجّل قراءة المقياس عند العمق نفسه في كل مرة.
اختر المشهد ذا الحجرة والأثقال، وضع مقياسين في موضعين مختلفين من الماء وسجّل قراءتيهما. ضع ثقلًا على الفتحة، ثم سجّل الزيادة في قراءة كل مقياس وقارن بينهما.
الفكرة العلمية
يؤثر وزن السائل في قاعدة الإناء وفي كل نقطة تحته، فيسبب ضغطًا يُحسب في الكتاب بالعلاقة: ضغط السائل = ل × ث × جـ، حيث ل عمق النقطة تحت سطح السائل، وث كثافة السائل، وجـ تسارع الجاذبية الأرضية. ولذلك زادت القراءة كلما نزلت إلى عمق أكبر أو اخترت سائلًا أكثف، وبقيت كما هي حين تحرّكت أفقيًا عند العمق نفسه. ولا يدخل شكل الإناء ولا كمية السائل في العلاقة، فتساوى الضغط عند قاعدتي الوعاءين المختلفين حين تساوى ارتفاع الماء فيهما. وحين وضعت الثقل زاد الضغط في كل المواضع بالمقدار نفسه، وهذا مبدأ باسكال: إذا وقع ضغط خارجي على سائل محصور انتقل إلى جميع أجزائه وفي جميع الاتجاهات بالتساوي. تنبيه: المحاكاة تستعمل مقياس ضغط بدل المحقنين والقارورة المثقوبة، وتأخذ جـ ≈ ٩٫٨ m/s² بينما يقرّبها الكتاب إلى ١٠ m/s².
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
و«أَجواء» على «Off»، قرأت ضغط الماء على عمق ١ m فكان نحو ٩٫٨ kPa. كم تتوقع أن يكون على عمق ٢ m؟
- ٩٫٨ kPa
- ٤٫٩ kPa
- ١٩٫٦ kPa
- ٣٩٫٢ kPa
اعرض الإجابة
ج) ١٩٫٦ kPa
الضغط يتناسب طرديًا مع العمق (ض = ل × ث × جـ)، فمضاعفة العمق تضاعف الضغط: ٢ × ٩٫٨ = ١٩٫٦ kPa. ومن أجاب ٩٫٨ ظنّ أن الضغط واحد في كل الماء، ومن أجاب ٣٩٫٢ ضاعفه مرتين.
وعاءان مختلفان في الشكل والسعة، وارتفاع الماء فيهما واحد. أيّهما ضغط الماء عند قاعدته أكبر؟
- متساويان لأن ارتفاع الماء فيهما واحد
- الأوسع لأنه يحوي ماءً أكثر
- الأضيق لأن الماء محشور فيه
- لا يمكن المقارنة
اعرض الإجابة
أ) متساويان لأن ارتفاع الماء فيهما واحد
الضغط يعتمد على العمق وكثافة السائل وحدهما، فيتساوى عند القاعدتين، وهذا ما قرأته على المقياسين. وربط الضغط بكمية الماء خطأ شائع، فالوعاء الأوسع فيه ماء أكثر لكن قاعدته أوسع أيضًا.
وضعت ثقلًا على فتحة الحجرة فزادت قراءة مقياس قرب القاع بمقدار معيّن. ماذا يحدث لقراءة مقياس آخر في موضع مختلف من الماء؟
- لا تتغيّر لأنه بعيد عن الثقل
- تزداد بمقدار أقل لأنه أبعد عن الثقل
- تزداد بمقدار أكبر
- تزداد بالمقدار نفسه تقريبًا
اعرض الإجابة
د) تزداد بالمقدار نفسه تقريبًا
حسب مبدأ باسكال ينتقل الضغط الخارجي إلى جميع أجزاء السائل المحصور بالتساوي، فتزداد القراءتان بالمقدار نفسه. ويظن بعض الطلبة أن أثر الثقل يضعف بالبعد عنه كما يضعف الصوت، وهذا لا يحدث في السائل المحصور.
لماذا تُبنى جدران السدود عريضة عند الأسفل وضيّقة عند الأعلى؟
اعرض الإجابة
لأن ضغط الماء يزداد بالعمق، كما رأيت حين أنزلت المقياس، فيكون الضغط عند قاعدة السد أكبر كثيرًا منه قرب السطح. فيحتاج أسفل الجدار إلى سُمك أكبر ليتحمّل هذا الضغط، ويكفي أعلاه سُمك أقل.
في نشاط «هيا نلعب» ثقبت قارورة ماء ثلاثة ثقوب على ارتفاعات مختلفة. من أيّ ثقب يندفع الماء أبعد؟ فسّر بما قسته في المحاكاة.
اعرض الإجابة
يندفع الماء أبعد من الثقب الأسفل، لأنه الأعمق تحت سطح الماء، والضغط يزداد بزيادة العمق كما قرأت على المقياس. أما الثقب الأعلى فالضغط عنده أقل، فيخرج منه الماء بقوة أقل ويسقط قريبًا من القارورة.