لماذا لا ينطبق مبدأ باسكال على الغازات
شرح مبدأ باسكال
يوضح مبدأ باسكال، المسمى أيضًا باسم قانون باسكال، وهو لميكانيكا الموائع للغاز أو للسائل، كونه موجود بالسائل الساكن في حاوية مقفولة، يتحرك تغيير الضغط في قسم واحد بغير فقدان لكل جزء من السائل في جدران الحاوية، وفد وضع هذا القانون لأول مرة
العالم
الفرنسي “بليز باسكال”، لهذا سمي القانون باسمه.
الضغط يعادل القوة مقسومة على المنطقة التي يتحرك فيها، وبحسب مبدأ باسكال داخل النظام الهيدروليكي، ويؤدي الضغط الذي يوضع على المكبس رفع مساواة الضغط على مكبس آخر داخل النظام، في حالة مساحة المكبس الثاني 10 أضعاف مساحة الأول ، فإن القوة الواقعة على المكبس الثاني أكبر 10 مرات، وبالرغم من أن الضغط هو ذاته على المكبس الأول، ويكون تمثيل هذا التأثير عن طريق المكبس الهيدروليكي، بحسب مبدأ باسكال، والذي يتم استعماله في تطبيقات مثل المكابح الهيدروليكية.
وقد اكتشف باسكال أيضًا أن الضغط عند نقطة ما في السائل عند السكون هو ذاته في كل الاتجاهات، سيكون الضغط هو ذاته على كل الطائرات التي تمر عبر نقطة محددة، تُعرف هذه الحقيقة أيضًا باسم مبدأ باسكال أو قانون باسكال.[1]
قانون باسكال في الرياضيات
صدر هذا القانون عالم رياضيات وفيزيائي وفيلسوف فرنسي مشهور بليز باسكال في سنة 1647، يوضح هذا القانون على أن الضغط الذي يتم في سائل ما في حالة سكون هو نفسه في كل الاتجاهات عندما يتم تطبيق ضغط خارجي على أي جزء من السائل الموجود في إناء، فإنه ينتقل بشكل غير ناقص وبصورة متساوية في كل الاتجاهات، تعمل ماكينات الطاقة الهيدروليكية على أساس هذا القانون، بحيث أن P = الضغط ، F = القوة و A = منطقة التلامس.[3]
تنص
قاعدة باسكال
على أنه عند الضغط على السوائل الداخلية والتي في حاوية مرنة كونها مقاومة للتسرب بحيث لا تتسرب إلى الخارج، فإن السوائل ستنقل بذات الضغط في كل الاتجاهات في الحاوية، وبذات المعدل، تستعمل الأنظمة الهيدروليكية سائلًا غير قابل للضغط ويكون في صورة الزيت أو
الماء
، لينقل القوة المطبقة بالسائل من
موقع
إلى آخر، تستعمل معظم الطائرات المكونات الهيدروليكية في أنظمة الكبح إلى جانب معدات الهبوط، تستعمل الأنظمة الهوائية سوائل قابلة للانضغاط كالهواء لتشغيلها، تستعمل بعض الطائرات أيضًا أنظمة تشتغل بالهواء المضغوط للمكابح ومعدات الهبوط إلى جانب حركة رفرف الجناح.
لماذا لا ينطبق مبدأ باسكال على الغازات
انتقال القوة مباشرة فيما بين جزيئات السوائل كما هو معروف عليه في قانون باسكال، إلا أن هذا لا يتم على الغازات، إذ تساعد كثافة الغاز والتسارع في الخارج للجزيئاته في حدوث تغييرات في الضغط داخل النظام، وهذا لأنها مؤثرة على تصادم الجزيئات مع جدران الإناء الذي يشتمل على الغاز وليس نتيجة حدوث القوة بين جزيئاته، لهذا لا يطبق قانون باسكال على حالة الغازات بدقة.[2]
تطبيقات قانون باسكال
التطبيقات و
الأمثلة التالية لا ينطبق على مبدأ باسكال
وهي تستخدم في
الحياة
اليومية بصورة متكررة دون معرفة حقيقة عملها وأساس تشغلها:
-
المصعد الهيدروليكي:
يعتبر قانون بسكال هو مبدأ العمل في المصعد الهيدروليكي، كما إنه يعمل على قاعدة مبدأ انتقال الضغط المتساوي من خلال السائل وفقاً قانون باسكال، وهو الذي يكون مثل الأسطوانة الضيقة في هذه الحالة تتصل الأسطوانة أوسع، وهي التي تم تزويدها من خلال مكابس محكمة الإقفال من كلا الجانبين الأسطوانات من الداخل مملوءة بسائل لا يمكن الضغط عليه، ويتحرك الضغط المطبق على المكبس الأول بالتساوي حتى المكبس الثاني دون التقليل من استعمال السائل الذي لا يتم ضغطه وبالتالي، يعمل المكبس الثاني بشكل فعال كأداة لرفع الأشياء الثقيلة مثل الآلات الكبيرة أو المركبات، تشتمل بعض التطبيقات الأخرى رافعة هيدروليكية ومكبسًا هيدروليكيًا، ويستخدم التضخيم القسري في نظام الكبح في أغلب
السيارات
.[4] -
الرافعة الهيدروليكية:
الرافعات الهيدروليكية، وهي التي تأتي تحت فئة الحاوية المقفلة،
تتبع
مبدأ قانون باسكال، يكون من خلال استخدامها لرفع الأجسام الثقيلة، يتكون الرافع الهيدروليكية من أسطوانتين، واحدة كبيرة والأخرى صغيرة، ويتم ربط هاتان الاسطوانتان، وعند الضغط على المقبض لأسفل، يُغلق الصمام ويدفع المكبس الصغير السائل من خلال الصمام الآخر إلى الأسطوانة الأكبر، مما ينتج عنه بعد هذا قوة شديدة تنتقل إلى الحمولة، لهذا يمكن القول أنه عند تطبيق القوة، يتم عمل ضغط في كل أنحاء حجم الأسطوانة وسطحها. -
الفرامل الهيدروليكية:
من الأمثلة الأكثر شهرة لقانون باسكال وهو نظام الكبح الهيدروليكي الذي في السيارات، في كل مرة يوجد فيها سيارة واقفة، يدخل مبدأ قانون باسكال في حيز العمل، ويتكون نظام الفرامل في السيارات من عددًا من المكونات، عندما يتم ضغط القوة على دواسة الفرامل يحدث حركة للمكبس والقضيب في الأسطوانة الأساسية فيتم استعمال سائل يعرف زيت الفرامل أو السائل الهيدروليكيالتي يكون في الحاوية، فينقل الضغط من دواسة الفرامل لعجلات
السيارة
لمقابلة أقراص الفرامل أو براميل الفرامل، وتسبب قوة الاحتكاك بين مكونات القوة هذه إلى وقف السيارة، تستعمل الفرامل الهيدروليكية بالسيارات والدراجات النارية والشاحنات. -
المضخات الهيدروليكية:
يتم عمل المضخات الهيدروليكية، التي تحول الطاقة الميكانيكية لطاقة هيدروليكية، على تبسيط حركة السوائل، وهنا يكون دور قانون باسكال مرة ثانية، حيث تساهم المضخات الهيدروليكية في صرف السوائل، فهو به أسطوانة صغيرة متوصله بأسطوانة كبيرة وكلتا الأسطوانتين بهم زيت، ويقوم الهواء المضغوط الذي يدخل إلى الأسطوانة الصغيرة ضغطًا لفوق الزيت، ويتحرك هذا الضغط من خلال الزيت إلى الأسطوانة الكبيرة حيث يعمل الضغط على مكبس كبير لإصدار قوة كبيرة ليكفي رفع السيارة، تستخدم المضخات الهيدروليكية على نطاق كبير في تصنيع السيارات. -
النظام الهيدروليكي للطائرات:
لا يساهم نظام الطاقة الهيدروليكي في تقليل سرعة الطائرات على المدارج فقط، بل يساهم أيضًا في إدارة اللوحات وايضاً معدات الهبوط و لوحات التحكم في الطيران، يتكون النظام الهيدروليكي للطائرة من ثلاثة مكونات ميكانيكية رئيسية مع والسوائل الهيدروليكية، أن كمية صغيرة من السائل الهيدروليكي تساهم في نقل كمية ضخمة من القوة، السائل الهيدروليكي الملامس للأسطوانات أو للمكابس عند ضغط متنوع القوة يمكن أن يضخ الزيت الذي يكون عند ضغط أعلى نسبيًا إلى جانبي رأس المكبس، يساهم الصمام المحدد في التحكم في اتجاه السائل.[5]
كيفية تجربة قانون باسكال بالمنزل
المواد المطلوبة:
- أعواد الثقاب.
- زجاجة.
- بالون مطاطي.
- خيط مجدول.
الإجراء خطوة بخطوة
- تجهز أعواد الثقاب من خلال قطع رؤوس أعواد الثقاب وإزالة نهايات الذيل وهي الأجزاء التي لا تشتمل على رأس قابل للاشتعال.
- تملأ الزجاجة حتى النهاية بالماء.
- يسقط رؤوس عود الثقاب داخل الزجاجة.
- يتم بتغطية فم الزجاجة بإحكام فوق فتحة بالبالون.
- يضغط بالإصبع على غشاء البالون الذي يغطي فم الزجاجة.
ملحوظة:
يجب التأكد من أن البالون الذي سيستعمل يكون ملائم لإحكام فم الزجاجة التي تستخدم في التجربة، يمكن استخدام خيوط لتثبيت البالون بفم الزجاجة إذا احتاج الأمر.
النتيجة:
تتحرك رؤوس أعواد الثقاب لأسفل نتيجة للضغط الذي ينقل عبر الماء، عندما يتم الضغط بالإصبع لأسفل على البالون، تتغلغل كمية صغيرة من الماء في كل رأس مطابقة، مما يعطي وزنًا كافيًا يؤد لغرقها، عند رفع الإصبع، يتوفر ضغط هواء وافر في رؤوس أعواد الثقاب لإخراج الماء وجعل رؤوس أعواد الثقاب ترتفع مرة أخرى، ومن هنا تم إثبات قانون باسكال.[6]