فشار

تاریخچه

ارسطو می پنداشت که جهان از چهار لایه متشکل از چهار عنصر، ساخته شده است: خاک، آب، هوا، آتش (یک لایه بیرونی که دیده نمی شود و احیاناً با جهش آذرخش به چشم می خورد).

می‌گفت که جهان در آن سوی این لایه ها از عنصر پنجمی کامل و غیر خاکی تشکیل شده است که وی آن را أثیر نامید (این نام در زبان لاتین اشتقاقی پیدا کرد و «کوین تسنس» نامیده شد، یعنی عنصر پنجم.)

در طرح ارسطو برای «هیچی» جائی نبود: آنجا که خاک تمام می شد، آب آغاز می گردید؛ جائی که هر دو به پایان می‌رسید هوا شروع می‌شد؛ پایان هوا آغاز آتش بود و بعد از آتش نوبت اثیر می‌رسید و تا دنیا، دنیا بود ادامه می‌یافت. دانشمندان باستانی می‌گفتند «طبیعت از تهی (هیچی) بیزار است.»

تلمبه مکنده، اختراع قدیمی برای بالا آوردن آب از چاه، ظاهراً این بیزاری از تهی را به نحوی جانانه تأیید می‌کرد. سنبه‌ای به طور جزم در داخل استوانه‌ای قرار دارد. وقتی که دسته تلمبه را به پائین برانیم سنبه در استوانه بالا کشیده می‌شود و در قمست پائین استوانه خلائی ایجاد می‌کند. اما چون طبیعت از تهی بیزار است آبی که در اطراف استوانه است یک دریچه یکطرفه را در ته استوانه می‌گشاید و آب با شتاب خلأ را پر می‌کند. تکرار تلمبه زدن آب را در درون استوانه بالاتر و بالاتر و بالاتر می‌آورد تا از مجرای تلمبه بیرون بریزد.

95 6 pressure 1

شکل(1): ساختار یک تلمبه، قاعده تلمبه آب، وقتی که دسته سنبه را بالا می‌آورد یک خلأ جزئی در استوانه پدید می آید آب از یک دریچه یکطرفه وارد استوانه می شود. پس از این که تلمبه چند بار زده شود آب آنقدر بالا می آید که از مجرای تلمبه بیرون بریزد.

بنا بر نظریه ارسطو آب را ممکن بود بدین ترتیب از هر عمقی بالا آورد. اما معدن چیانی که قصد داشتند آب را از ته معدن خارج کنند متوجه شدند که با هر شدت و در هر مدتی که تلمبه بزنند آب را از عمق بیشتر از ده متر نمی‌توانند بالا آورند.

گالیلئو در اواخر عمر دراز و جستجوگر خود به این معما دل بست. اما به نتیجه‌ای جز این نرسید که طبیعت تا حدی از خلأ بیزار است. به فکر افتاد که ببیند که اگر مایع چگالتری را بکار ببرد آیا این حد پائین تر می‌آید. اما پیش از به جا آوردن این تجربه مرد.

شاگردان او، اوانجلیستا توریچلی[1]، و وینچتزو ویویانی[2] به سال 1644 این آزمایش را انجام دادند. برای این کار جیوه را (که سیزده و نیم بار چگالتر از آب است) اختیار کردند. آنان یک لوله یک متری را پر از جیوه کردند و انتهای باز لوله را مسدود نموده آن را در ظرفی جیوه وارونه نگاه داشتند و حایل را برداشتند. جیوه در ظرف جاری شد اما وقتی که سطح آن در لوله به 76 سانتی‌متری بالای سطحش در ظرف رسید از حرکت بازماند، و در همان سطح ایستاد.

 

95 6 pressure 2

شکل(2): آزمایش توریچلی که وجود فشار هوا را نشان داد. وزن هوا که عامل فشار جو است، در فشار معادل فشار هوا در سطح دریا، حداکثر می تواند با ستون 760 میلیمتر یا 76 سانتیمتر جیوه معادل باشد.

بدین ترتیب نخستین «هواسنج» ساخته شد. هواسنجهای جیوه‌ای امروزی در اصل با آن تفاوتی ندارند. دیری نکشید که معلوم شد ارتفاع ستون جیوه همیشه یکی نیست. دانشمند انگلیسی رابرت هوک[3] در دهۀ 1660 خاطر نشان ساخت که این سطح پیش از آغاز توفان پایین می‌آید، و بدین ترتیب راه را برای هواشناسی علمی یا «جوشناسی» گشود.

چه چیز ستون جیوه را بالا نگه می داشت؟ ویویانی معتقد شد که وزن جو که بر سطح جیوه ظرف فشار می آورد موجب این وضع است. این فکری انقلابی بود، زیرا که مفهوم ارسطو این بوده است که هوا، که در کرۀ ویژۀ خود در بالای زمین قرار دارد، دارای وزن نیست. اما حالا معلوم شد که ستون ده متری آب، یا ستون 75 سانتی متر جیوه دارای وزنی مساوی وزن جو است؛ یعنی وزن ستونی در هوا که مقطعش مساوی مقطع ستون جیوه باشد، از سطح دریا تا هر ارتفاعی که هوا وجود دارد.

آزمایش این نتیجه را هم بخشید که طبیعت در هر وضعی از خلأ بیزار نیست. فضائی که در طرف بستۀ لوله پس از پائین آمدن جیوه باقی می‌ماند خلأ بود، که فقط مقدار خیلی کمی بخار جیوه در آن بود. این «خلأ توریچلی» نخستین خلأ واقعی بود که آدمی تولید کرده بود. [1]

نگاهی دقیقتر: فشار چیست؟

اگر F بزرگی نیروی عمودی وارد برسطح داده شده به مساحت A باشد، فشار برابر است با نیرو تقسیم بر مساحت سطح:  

95 6 pressure 3

  • فشار در جامدات:فشاري كه يك جسم جامد بر سطح آن وارد مي كند ناشي از نيروي وزنش است و همچنين به سطح مقطع جسم مورد نظر بستگي دارد که آن نیز به شكل هندسي جسم بستگی دارد.
  • 95 6 pressure 5

 

95 6 pressure 6

شكل(3)a) ) اگر قسمتی از سیال در حال تعادل، نیروی‌های F1 و F2 در حال تعادل باشند، (b) نیروی خالص بر روی حجم مایع در قسمت تیره تر باید صفر باشد.

تغییر فشار با عمق:

وقتی سیالی ساکن است همه‌ی سیال باید در تعادل ایستا باشد. در این حالت همه‌ی نقاط در یک عمق یکسان فشار یکسانی دارند. اگر این طور نبود سیال از نقاطی با فشار بیشتر به نقاطی که فشار کمتر باشد جریان می‌یافت. فشار در مايعات فقط وابسطه به عمق مايع است واز رابطه‌ي 95 6 pressure 7به دست مي‌آيد.

 

95 6 pressure 895 6 pressure 9

شكل(4) دو وسیله برای اندازه گیری فشار: a) یک فشار سنج، که ارتفاع مایع در لوله سمت راست مقدار فشار را مشخص می‌کند. b) یک هواسنج جیوه‌ای که ارتفاع جیوه در لوله معیاری از فشار هوای اطراف آن است.

طبیعت غیر برداری فشار

دریک گاز ساکن، همه‌ی گاز هیچ حرکتی را نشان نمی دهد. با این حال ملکولهای منفرد گاز در حال حرکت کاتوره‌ای (اتفاقی) دائم هستند. در حقیقت ما درباره‌ی تعداد فوق العاده زیادی ملکول صحبت می‌کنیم بنابراین حرکت فردی ملکولها در هر جهتی کاملا کاتورهای است. ما نمی‌توانیم هیچ حرکت یک ملکول منفردی را آشکار سازی کنیم. اگر ما یک گاز را در ظرف سر بسته ای در نظر بگیریم، فشاری در اثر برخورد ملکولهای گاز به دیواره‌ی ظرف را می‌توان اندازه گیری کرد. دیواره های ظرف ما هر طرف یا هر جا در داخل گاز قرار گیرد، نیرو بر واحد سطح ( فشار) یکسان است. اگر اندازه‌ی این ظرف را آنقدر کوچک بگیریم تا حد یک نقطه‌ی کوچک در این صورت فشار در این نقطه یک مقدار بیشتر نخواهد داشت بنابراین فشار یک کمیت عددی یا اسکالر است. فشار یک گاز در یک نقطه، در تمام جهات یکسان است. در سطح گاز فشار، به صورت نیرویی عمود بر سطح عمل می‌کند.

اما در مورد جامدات چطور؟ آیا در جامدات نیز فشار یک کمیت عددی است؟ مشکلی که در جامدات پیش می‌آید امکان تنش برشی است و از ناهمسانگردی احتمالی آن ناشی می‌شود. در سیالات (گازها و مایع‌ها) در حال تعادل، به دلیل امکان جاری شدن نمی توانند دارای تنش برشی باشد. اگر بخواهیم فشار را درون جسمی جامد تعریف کنیم، می ‌توانیم به صورت میانگین تنش‌های تراکمی در سه راستا عمود بر هم را در نظر بگیریم. به عبارت دیگر تنش تراکمی را در صورتی که همسانگرد باشد را می‌توان فشار نامید. بنابراین کمیت وابسته و نزدیک به فشار، تانسور[4] تنش σ است. که بردار نیروی F را به بردار سطح A با رابطه‌ی زیر مربوط می‌کند. [4]

 

95 6 pressure 10

این تانسور را می‌توان به دو قسمت عددی ( فشار) و یک تانسور بدون رد[5]، تنش برشی (shear stress) تقسیم کرد. تانسور تنش برشی، نیرو در جهتهای موازی با سطح، معمولا بر اثر نیروهای اصطکاک و گرانروی (viscous) را می‌دهد. البته تانسور تنش گاهی تانسور فشار نیز نامیده می‌شود ولی در اینجا فقط منظور همان فشار عددی است.

فشار منفی

فشار منفی را گاهی به مفهوم فشاری پایین تر از فشار جو تعبیر میشود. وقتی که در مورد فشار نسبی (پیمانه‌ای) صحبت می کنیم، مثلا فشار مطلق kPa 80 را می‌توان به صورت kPa21(یعنی kPa21 کمتر فشار اتمسفر) توصیف کنیم.

فشارهای بالا

یکی از کاربردهای اولیه فشارهای بالا ، مایع کردن گازها بود. در ادامه به نظر رسید که در زیر فشار های زیاد میتوان اطلاعات تازه‌ای از خواص ماده و همچنین درباره‌ی درون زمین به دست آورد. مثلا در عمق 11 کیلومتری زمین فشار برابر 1000 جو است؛ ودر عمق 600 کیلومتری 200000 جو، در 3000 کیلومتری زیر سطح زمین فشار معادل 1400000 جو است ودر مرکز زمین ، یعنی در عمق 6400 کیلومتری به 3 میلیون جو می‌رسد.[1]

بالاترین فشاری که آزمایشگاههای فیزیک در قرن نوزدهم توانستند به دست بیاورند3000 جو بود که در سال 1880 به دست آمد. در سال 1905 فیزیکدان آمریکایی پرسی ویلیامز بریجمن[6] با روشهایی جدید به فشار 200000 جو رسید و در نهایت با استفاده از مواد مناسبتر توانست به فشارهایی بالای یک میلیون جو برسد و برای این کار در سال 1945 جایزه نوبل گرفت. او توانست زیر فشار هایی فوق العاده زیاد اتمهای یک ماده را مجبور کن که آرایش فشرده تری به خود بگیرند؛ او پی برد که گاه پس از برداشته شده فشار آرایش تازه محفوظ می‌ماند. مثلا گوگرد معمولی زرد، را که هادی برق نبود، به صورت گوگرد سیاه، که هادی برق بود درآورد. حتی در آب هم موجب تغییرهای حیرت انگیزی شد. معمولا یخ از آب کمتر چگال است. بریجمن در زیر فشار یک رشته یخ ( یخ دوم، یخ سوم ......) بوجود آورد که نه تنها چگالتر از مایع آب بودند بلکه در دمائی خیلی بالاتر از نقطه انجماد معمولی آب به صورت یخ باقی می‌ماتدند. یخ هفتم در دمایی بالاتر از نقطه جوش آب، جامد است. [1]

یکی دیگر از کابردهای فشارهای بالا تولید الماس مصنوعی است. دانشمندان فهمیدند که الماس چیزی جز کربن خالص نیست در حقیقت در دمای نچندان بالای 900 درجه می‌سوزد. امروزه مقدار زیادی الماس برای کابردهای صنعتی و تزئینی به طور مصنوعی در فشار های بسیار بالا (حدود 200000جو) ساخته می‌شود.[1]

فشار خون

قلب يكي از مهمترين عضوهاي بدن ما، بدون وقفه خون را به تمام بدن از طريق رگها پمپ ميكند. اندازه‌ي فشاري كه در خون با فعاليت قلب ايجاد مي‌شود يكي از معيارهاي سلامت بدن است. اين فشار با استفاده از فشار سنج خون يا اسفيگومانومتر[7] اندازه گيري مي‌شود. دستگاه فشار سنج خون به از سه جزء ساخته شده است: 1- پمپ هوا یا یک حباب لاستیکی توخالی که به لوله‌ای متصل است و آن را با دست فشار می‌دهیم 2- یک نوار مسطتیلی شکل که روکشی پارچه‌ای با یک چسب دوطرفه برای ثابت شدن روی دست دارد که به ان کاف می‌گویند 3- یک فشار سنج جیوه‌ای برای نشان دادن فشار به میلیمتر جیوه.

 

95 6 pressure 11

برای اندازه گیری فشار خون باید کاف را به محلی بالاتر از آرنج دست بست و گوشی پزشکی را بروی سطح درونی آرنج قرار داده، سپس پیچ بالای پمپ هوا را سفت کرده و شروع به تلمبه نمودن هوا به درون کاف می‌نماییم. با باد شدن كاف، بازو فشرده شده و به طور موقت جريان خون قطع مي‌شود. به تدریج صدای نبض آهسته تر می‌شنویم و همچنان پمپ کردن را ادامه داده تا صدای نبض قطع شود. در ايجا تقريبا فشار درون كاف و فشار خون در رگها با هم برابر است. در این هنگام عقربه یا ستون جیوه را نگاه کرده و فشاری را که نشان می‌دهد میخوانیم. این فشار برابر فشار سیستولی[8] است و مقدار آن تقریبا برای یک شخص سالم برابر 120 میلیمتر جیوه است. بعد پیچ بالای پمپ لاستیکی را آرام باز کرده تا جایی که صدای اولین ضربه نبض را در گوشی پزشکی بشنویم در این هنگام عدد نشان داده شده توسط عقربه یا ستون جیوه برابر با فشار دیاستولی[9] و تقریبا برای یک شخص سالم برابر 80 میلمتر جیوه است. فشار خون هرگز به صفر نمی‌رسد مگر هنگام مرگ! معمولا پزشکان فشار خون را به صورت 120 بروی 80 میگویند که البته اکثرا آن را تقسیم بر 10 کرده راحتتر میگویند12روی 8.

فشار خون متوسط در چند سن متفاوت[10]

سن (سال)

فشار سیستولی

(mmHg)

فشار دیاسیستولی

(mmHg)

     
نوزاد 80 46
10 103 70
20 120 80
40 126 84
60 135 89

 

95 6 pressure 12

شکل موج تغییرات فشار خون در رگهای اصلی قلب در حالت استراحت[11]

محمد سياري زاده

منبع:

1-       رهبر علم، ایزاک آسیموف، ترجمه‌ی احمد بیرشک، انتشارات خوارزمی1361 صفحه هاي 208-209-210 و 345-346-347

2-       College Physics page 281

3-       http://greenfield.fortunecity.com/rattler/46/bvintro.htm

4-       http://en.wikipedia.org/wiki/Pressure#Scalar_nature_of_pressure



[1]Evangelista Torricelli

[2]Vincenzo Viviani

[3]Robert Hooke

[4] در ریاضی، تانسور آرایه‌ای از اعداد است یعنی یک سری اعداد که به طور خاصی مرتب شده‌اند یعنی در یک جدول چیده شده‌اند. در واقع تانسور تعمیمی است از مفاهیم اسکالر، بردار و ماتریس. تانسور در ساده ترین حالت می‌تواند یک عضو داشته باشد که به آن اسکالر گوییم. در حالت کمی پیشرفته‌تر تانسور می‌تواند به صورت بردار باشد. یعنی وقتی شما بردار A را به صورت(x,y,z) نشان می‌دهید در حقیقت یک تانسور دارید. در حالتی باز هم پیشرفته تر تانسور می‌تواند دو بعدی باشد(به صورت ماتریسی) یعنی مثلاً جدول ما ۲x۲ باشد یعنی دو سطر و دو ستون داشته باشد. چنین تانسوری دارای ۴ عضو است. به طور کلی تانسورهای دو بعدی و بالاتر از دو بعد را با نام ماتریس هم می‌شناسند. ماتریس ها از آن جهت مورد استفاده قرار می‌گیرند که باعث ایجاد نظم بین داده های یک مسئله و دسته بندی اطلاعات آن می‌شوند. تانسور ها دو کاربرد عمده در فیزیک دارند: 1) تانسورهای سه بعدی مانند تانسور لختی و تانسور تنش که تانسور تنش یک تانسور سه بعدی با 9 عضو است. عناصر روی قطر اصلی فشار در راستاهای مختلف هستند. 2) تانسورهای با ابعاد مختلف که در نسبیت خاص و نسبیت عام به کار می‌روند.

[5] رد یک تانسور جمع اعضای روی قطر اصلی است. یک تانسور بدون رد عناص قطر اصلیش صفر هستند.

[6]Percy Williams Bridgman

[7]sphygmomanometer

[8]وقتی که ماهیچه‌ی قلب در حال انقباض است، خون به داخل رگ پمپ می‌شود، فشاری که در این زمان به رگ وارد می شود فشار خون انقباضی یاسیستولی (systolic pressure) می‌گویند.

[9]وقتی که ماهیچه‌ی قلب استراحت می‌کند، اجازه می دهد تا با خون پر شده، فشاری که در این زمان به رگ وارد می شود فشار خون انبساطی یا دیاسیستولی (diastolic pressure) می‌گویند.

[10]http://greenfield.fortunecity.com/rattler/46/bvintro.htm

[11]http://greenfield.fortunecity.com/rattler/46/bvintro.htm