همه ما درباره این متغیر مهم می‌دانیم، اما چگونه آن را تعریف کنیم؟ چگونه می‌توانیم آن را اندازه‌گیری کنیم؟ و از کجا باید شروع کنیم؟ در این مقاله، با مفاهیم اولیه فشار آشنا می‌شویم.
یکی از تعاریف فشار که توسط ویکیپدیا ارائه شده است این است: “فشار به میزان نیرویی است که به صورت عمودی بر روی سطح یک جسم اعمال می‌شود، به ازای هر واحد مساحت.”
در اصطلاحات ریاضی، می‌توان فشار را به عنوان انتگرال نیرو در نظر گرفت، به عبارت دیگر، جمع‌آوری بردارهای نیروی بی‌نهایت که بر روی تمامی سطح اعمال می‌شوند.
یک لاستیک دوچرخه، یک لاستیک اتومبیل، یا حتی جریان هوای تولید شده توسط یک پره بزرگ ممکن است همه دارای همان فشار باشند، اما نیروی کل برای هر کدام متفاوت خواهد بود. در این مقاله، ما در مورد فشار صحبت خواهیم کرد، نه نیرو. بنابراین، قبل از پیشروی بیش از حد، باید به برخی مفاهیم ابتدایی بپردازیم.
🔹ارائه دهنده: تیم تولید محتوای میراکنترل
مبانی نیرو و فشار
نیرو
واحد نیرو در سیستم بین‌المللی واحد SI نیوتن است که نیروی مورد نیاز برای شتاب دادن به یک جرم ۱ کیلوگرم به نرخ ۱ متر بر ثانیه مربع (یک متر بر ثانیه به توان دوم) است. برای بیان این رابطه به صورت ریاضی:
تعریف به نظر گیج‌کننده‌ای می‌آید. اگر جرم حرکت نکند، آیا نیرو صفر خواهد بود؟ پاسخ این است که این یک نیروی پتانسیل است که وقتی حرکت آغاز می‌شود، فعال می‌شود. این نیرو می‌تواند یک عدد مثبت باشد، مثلاً زمانی که حرکت شروع می‌شود، یا یک عدد منفی اگر حرکت به سمت عقب باشد. اگر گرانش از پایین به شما کشش بیاورد، آن نیرو را به عنوان ‘وزن’ می‌شناسیم، حتی اگر به ثبات بر روی زمین باشید. اما اگر از یک صخره سقوط کنید، مطمئن باشید که انرژی پتانسیلی شما را به سرعت به حرکت درآورد!
شکل 1. فشار را می توان با واحدهای زیادی تعریف کرد، اما همیشه نیرویی است که در یک منطقه توزیع می شود.
یک پوند معادل 4.44822 نیوتن است. احتمالاً نیوتن‌ها را به جز در تبدیل واحدها یا اندازه‌گیری‌های ویژه مانند گشتاور و لحظه‌های اینرسی خارج از زمینه‌های تخصصی مشاهده نخواهید کرد. به جای آن، وزن‌ها و بارها معمولاً در کیلوگرم (کیلوگرم) اندازه‌گیری می‌شوند. اگرچه می‌توان ادعا کرد که کیلوگرم و پوند واحدهای نوعی متفاوت هستند، اما درک خوبی وجود دارد که آنها را در یک زمینه استفاده کنیم. یک کیلوگرم معادل 2.2 پوند است.
از این لحظه به بعد، ما درباره فشار صحبت خواهیم کرد، نه نیرو.
فشار
واحد SI فشار پاسکال است. این نام در سال 1971 اضافه شد: قبلاً فقط نیوتن در هر متر مربع بود. این باعث می‌شود که واضح شود که فشار ممکن است مشابه باشد، خواه آن از یک لاستیک دوچرخه، یک لاستیک اتومبیل یا یک فن بزرگ باشد. یک پاسکال معادل یک نیوتن در هر متر مربع است.
یک پاسکال، عدد کوچکی است، به همین دلیل بیشتر فشار به واحد کیلوپاسکال یا هزار پاسکال اندازه‌گیری می‌شود.
در ایالات متحده، واحد فشار رایج‌تر psi (پوند بر هر اینچ مربع) است. یک PSI معادل 6,894.75 پاسکال است. در واقع، باید بگویید: “یک پوند نیرو بر هر اینچ مربع”.
فشار می‌تواند توسط جامدات، مایعات و گازها ایجاد شود. یک جامد ممکن است با نیرویی معادل 5 پوند فشار بیاورد، اما اگر مساحت کل تنها 1/10 اینچ بود، فشار کلی 50 پوند در هر اینچ مربع (50 psi) خواهد بود. برای بقیه، ما از فشارهای اعمال شده توسط جامدات صرف نظر خواهیم کرد.
واحدهای دیگر فشار شامل موارد زیر است:
اینچ آب (InH2O): هنگامی که به فشار تحت‌الأثر قرار می‌گیرد، یک ستون آب در یک لوله محکم به بالا می‌رود. یک اینچ از ستون آب برابر با تقریباً 0.036 psi است. این مقدار کوچک بسیار مفید است چرا که حتی فشارهای کمتر از 1 psi می‌توانند یک ستون آب بزرگی را ایجاد کنند که با استفاده از یک لوله دید، به‌طور دقیق قابل اندازه‌گیری است.
شکل 2. ستون های مایع می توانند اختلاف فشار را اندازه گیری کنند. اگر بالای Pa (مرجع) در خلاء آب بندی شود، اندازه گیری P0 فشار مطلق خواهد بود. اگر بالای Pa به جو باز باشد، P0 فشار سنج را نشان می دهد.
متریک برای فشار، واحد “پاسکال” (Pascal) است. این واحد نام خود را از عالم فیزیک فرانسوی، بلز پاسکال، گرفته است. یک پاسکال برابر با فشاری است که نیرویی به اندازه یک نیوتون (Newton) به مساحت یک متر مربع (meter squared) اعمال شود. در واقع، یک پاسکال معادل یک نیوتون بر متر مربع است.
کیلوپاسکال (Kilopascal) نیز یک واحد رایج برای اندازه‌گیری فشار است که برابر با هزار پاسکال یا یک هزار نیوتون بر متر مربع است. این واحد معمولاً برای فشارهای بالا مانند فشارهای داخل لوله‌ها یا آب درون یک دستگاه قرار می‌گیرد.
باریه (Barye) نیز یک واحد دیگر از فشار است که در نظام cgs (سانتیمتر، گرم، ثانیه) استفاده می‌شود. یک باریه معادل 0.1 پاسکال است. این واحد به ویژه در زمینه‌هایی مانند فیزیک و مهندسی کاربرد دارد.
اتمسفر (Atmosphere) نیز به عنوان یک واحد فشار استفاده می‌شود که برابر با 101,325 پاسکال یا تقریباً 14.7 پوند برای هر اینچ مربع است. این واحد معمولاً برای اندازه‌گیری فشارهای هوا و جوی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
هکتوپاسکال (Hectopascal) نیز یک واحد معمول برای فشار است که برابر با 100 پاسکال است. این واحد معمولاً در پیش‌بینی‌های هواشناسی و برای اندازه‌گیری فشارهای هوا استفاده می‌شود.
اینچ جیوه (Inches of Mercury) و میلی‌متر جیوه (Millimeters of Mercury) نیز به عنوان واحدهای فشار برای اندازه‌گیری فشارهای پایین مورد استفاده قرار می‌گیرند. این واحدها براساس فشاری است که توسط یک ستون جیوه در یک لوله بسته تولید می‌شود و معمولاً برای اندازه‌گیری فشارهای کم مانند فشارهای داخل سیستم‌های دقیق و حساس استفاده می‌شوند.
این واحدها از نظر فیزیکی و علمی دقیق هستند و برای اندازه‌گیری فشارها و مقادیر فیزیکی مختلف استفاده می‌شوند.
مقایسه ویژگی‌های مایعات و گازها
-
قابل تراکمیت
مایعات قابل تراکم نیستند؛ یعنی نمی‌توانند اندازه‌شان تغییر کند. اما گازها قابل تراکم هستند؛ می‌توانند توسعه یا تنگ‌شوند.
این ویژگی‌های متضاد به مزایای جالب و کاربردهایی منتج می‌شوند. از آنجا که گازها تنگ‌شوند، آنها شروع به اعمال نیرو بر روی بار (مانند سیلندر/عملگر) می‌کنند در همان لحظه که شروع به پر کردن حجم مخزن می‌کنند که باعث پاسخ بسیار سریعی می‌شود. اما مایعات، به عنوان ماده‌ای غیرقابل تراکم، باید حجم مخزن را به‌طور کامل پر کنند، و سپس فشار به سرعت شروع به افزایش می‌کند. مزیت هیدرولیک این است که هر نیروی معکوس از بار نمی‌تواند مایع را تراکم کند و بسیار پایدار است.
-
حجم
قانون بویل، که با گازها سر و کار دارد نه مایعات، بیان می‌کند که فشار اعمال شده توسط یک کمیت داده از گاز ایده‌آل بر عکسازه ی حجمی است که اشغال می‌کند اگر دما و مقدار گاز در یک سیستم بسته ثابت بماند. این بدان معنی است که بسیار آسان است فشاری که هنگام تراکم یک حجم توسعه پیدا می‌کند، محاسبه شود یا حجم کل یک گاز درون یک مخزن مشخص شود هنگامی که فشار معلوم است.
-
انتقال فشار
اصل پاسکال می‌گوید که هر تغییر فشاری که بر روی سطح یک مایع بسته اعمال شود به صورت یکنواخت در سراسر مایع منتقل می‌شود. تا زمانی که یک شیر باز است، فشار در تمام نقاط برابر است، به جز فشارهای کوچک بین نقاط که ناشی از افت فشار در سیستم بازرسی اند. این اصل باعث می‌شود توزیع سیستم‌های مایعات بسیار آسان شود.
شکل 3. دو نقطه در یک سیستم، اگر هر دو انتها به هوا باز باشند، از نظر ارتفاع مساوی هستند، فشار یکسانی خواهند داشت.
انواع فشار
گیج فشار:
برای گازها، ما معمولاً با فشار اندازه‌گیری کار می‌کنیم. اگر هیچ فشاری به مقدار فشار اتمسفری محیطی (یا کاهش فشار در صورت خلاء) اضافه نشده باشد، فشار اندازه‌گیری صفر است. فشار اندازه‌گیری می‌تواند مثبت یا منفی باشد، تا به -14.7 psi (با توجه به اتمسفر محلی) برسد.
فشار مطلق:
فشار وقتی که همه چیز کاملاً خالی باشد. البته این کار تحت هیچ شرایط عادیی در زمین امکان‌پذیر نیست، اگرچه ممکن است به حدی نزدیک شود.
فشار جوی
همچنین به فشار هوا یا فشار بارومتری نیز معروف است: این فشاری است که می‌توانید آن را از یک بارومتر ببینید، که تحت شرایط مختلف تغییر می‌کند.
اختلاف فشار
تفاوت بین دو فشار. یک سنجش فشار تفاوتی دو فشار را اعمال می‌کند و تفاوت را کاهش می‌دهد. این تفاوت می‌تواند مثبت یا منفی باشد، تقریباً مانند افت ولتاژ در یک مؤلفه الکتریکی مقاوم.
فشار و نیروی مایعات
سیستم‌های مایعات مسأله‌ای نیستند که در یک مقاله توانایی درک آن را داشته باشید، اما درک روابط بین ویژگی‌ها و واحدها، و دانستن پیش‌زمینه استفاده از سیستم‌های معمول می‌تواند کمک کند تا این مسأله را کمی واضح‌تر کند.
برای سفارش و یا خرید انواع محصولات ابزار دقیق و همچنین کسب اطلاعات بیشتر و مشاوره رایگان با شماره های 88341674-021 | 88341172-021 تماس حاصل فرمایید.
منبع:
