شرح درس سلوك الموائع ثاني متوسط الفصل الأول

لماذا تشعر بألم في أذنيك حين تغوص في أعماق المسبح، ولماذا تطفو السفينة الحديدية الضخمة؟ الجواب في سلوك الموائع، وهي المواد التي تجري وتنساب وتشمل السوائل والغازات.

الضغط

الضغط مقدار القوة المؤثرة عموديًا في وحدة المساحة:

«الضغط = القوة ÷ المساحة»

وحدة القوة النيوتن، وحدة المساحة المتر المربع، ووحدة الضغط الباسكال، والباسكال الواحد يساوي نيوتنًا واحدًا لكل متر مربع.

مسألة: تؤثر قدم شخص بقوة ٦٠٠ نيوتن على مساحة ٠٫٠٣ م². أوجد الضغط. الحل: الضغط = ٦٠٠ ÷ ٠٫٠٣ = ٢٠٬٠٠٠ باسكال.

ويفسر هذا لماذا تغوص القدم في الرمل أقل إذا لبسنا حذاء عريضًا، فزيادة المساحة تقلل الضغط عند القوة نفسها، ولماذا يقطع السكين الحاد بسهولة، فصغر المساحة يزيد الضغط.

الضغط الجوي

يحيط بالأرض غلاف هوائي له وزن، فيضغط على كل شيء. ويبلغ الضغط الجوي عند سطح البحر نحو ١٠١٬٣٠٠ باسكال. ويقل الضغط الجوي بالارتفاع عن سطح البحر لأن عمود الهواء فوقنا يقصر وتقل كثافته. فالضغط في جدة عند مستوى البحر أكبر منه في السودة بمرتفعات السروات التي تعلو نحو ٣٠٠٠ م. ولهذا يشعر المتسلق بصعوبة التنفس وتتمدد البالونات عند الصعود.

ضغط السوائل

ضغط السائل ناتج عن وزن عمود السائل فوق النقطة، لذلك يزيد بزيادة العمق وينتشر في كل الاتجاهات. وهذا ما يجعل غواصي الشعاب المرجانية في البحر الأحمر يشعرون بزيادة الضغط كلما نزلوا، وتبنى السدود أعرض عند القاع منها عند القمة.

الطفو وقاعدة أرخميدس

عند غمر جسم في مائع يدفعه المائع إلى أعلى بقوة تسمى قوة الطفو. وتنص قاعدة أرخميدس على أن:

«قوة الطفو تساوي وزن المائع الذي أزاحه الجسم.»

فإذا كان وزن الجسم أكبر من قوة الطفو غرق، وإذا ساواها طفا في موضعه، وإذا كان أقل طفا على السطح.

مسألة: يزن حجر في الهواء ١٠ نيوتن، وحين غُمر في الماء قرأ الميزان ٦ نيوتن. أوجد قوة الطفو. الحل: قوة الطفو = الوزن في الهواء − الوزن في الماء = ١٠ − ٦ = ٤ نيوتن، وهي وزن الماء المزاح.

وتطفو السفن الضخمة لأن شكلها المجوف يزيح كمية ماء كبيرة وزنها يساوي وزن السفينة.

مبدأ باسكال

ينص مبدأ باسكال على أن:

«الضغط المؤثر في مائع محصور ينتقل بالتساوي إلى جميع أجزاء المائع.»

ويطبق هذا في الرافعة الهيدروليكية التي ترفع السيارات في ورش الصيانة. فنؤثر بقوة صغيرة على مكبس صغير فيتولد ضغط ينتقل إلى مكبس كبير ويعطي قوة أكبر.

مسألة: مكبس صغير مساحته ٥ سم² أثرت عليه قوة ١٠٠ نيوتن، ومكبس كبير مساحته ١٠٠ سم². أوجد القوة على المكبس الكبير. الحل: الضغط = ١٠٠ ÷ ٥ = ٢٠ نيوتن لكل سم²، فالقوة على الكبير = ٢٠ × ١٠٠ = ٢٠٠٠ نيوتن.

مبدأ برنولي

ينص مبدأ برنولي على أنه عندما تزداد سرعة المائع يقل ضغطه. وفي جناح الطائرة يمر الهواء بسرعة أكبر فوق الجناح المنحني فيقل الضغط فوقه ويصبح الضغط أسفله أكبر، فتنشأ قوة رفع إلى أعلى تساعد الطائرة على الطيران.