علوم پایه، فیزیک ۳۶۱۴۰ بازدید

قانون پاسکال یکی از اصول پایه فیزیک است که بیان می‌کند تغییر فشار وارد شده بر یک سیال در محیط بسته بدون کم و کاستی به همه نقاط سیال و دیواره‌های محفظه آن منتقل می‌شود. در این آموزش با قانون پاسکال و کاربردهای آن آشنا می‌شویم.

قانون پاسکال چیست؟

همان‌طور که می‌دانیم، فشار به صورت نیروی وارد بر واحد سطح تعریف شده است. اما آیا فشار می‌تواند با فشار آوردن مستقیم روی سیال افزایش یابد؟ بله، این موضوع ممکن است، اما اینکه سیال در محفظه‌ای بسته باشد کار را راحت‌تر می‌کند. برای مثال، قلب فشار خون را از طریق وارد کردن مستقیم نیرو بر خون در یک سیستم بسته (مثل یک محفظه اتاقک با شیرهای بسته) بالا می‌برد. واضح است که اگر سعی کنیم به یک سیال در یک سیستم باز مثل رودخانه فشار وارد کنیم، سیال حرکت می‌کند و کنار می‌رود. اما در یک سیستم بسته سیال نمی‌تواند کنار برود و بنابراین فشار آسان‌تر بر آن اعمال می‌شود.

اما در یک سیستم بسته چه اتفاقی برای فشار سیال می‌افتد؟ از آنجا که اتم‌های سیال آزاد هستند که به هر سمت حرکت کنند، فشار را به تمام قسمت‌های سیال و دیواره‌های محفظه منتقل می‌کنند. نکته قابل توجه این است که فشار بدون کاهش و نقصان منتقل می‌شود. این پدیده «قانون پاسکال» (Pascal’s Principle) نام دارد. قانون پاسکال اولین بار توسط بلز پاسکال (۱۶۲۳-۱۶۶۲) فیلسوف و دانشمند فرانسوی به روشنی بیان شد:

هر تغییری در فشار وارده بر سیال در محیط بسته بدون تغییر و کاهش به تمام نقاط سیال و دیواره‌های محفظه آن منتقل می‌شود.

قانون پاسکال حقیقتی است که به تجربه ثابت شده است و اهمیت فشار در سیالات را نشان می‌دهد. از آنجا که فشار سیال داخل محفظه بدون کم و کاستی به تمام بخش‌های آن منتقل می‌شود، اطلاعات ورورد فشار سیال نسبت به دیگر کمیّت‌های فیزیکی سیالات بیشتر است. همچنین قانون پاسکال بیان می‌کند که فشار کلی سیال برابر با مجموع فشارهای وارده از منابع متفاوت به سیال است.

پاسکال زندگی بسیار جالبی داشته است. او مدرسه نرفت و در خانه توسط پدرش تعلیم دید، در شرایطی که پدرش تمام کتاب‌های ریاضی را از خانه جمع کرده و خواندن آن‌ها را تا سن ۱۵ سالگی ممنوع کرده بود. البته این کار کنجکاوی پسر جوان را برانگیخت تا جایی که او در سن ۱۲ سالگی به تنهایی شروع به یادگیری هندسه کرد. علی‌رغم این محدودیت در سال‌های آغازین، پاسکال سهم بسیار بزرگی در گسترش حوزه‌های مختلف علم ریاضیات و به ویژه نظریه احتمال، نظریه اعداد و هندسه داشت. او همچنین برای اختراع اولین ماشین حساب دیجیتال مکانیکی و تسلط و نوآوری در حوزه‌ استاتیک سیالات معروف است.

کاربردهای قانون پاسکال

یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های فناورانه اصل پاسکال در سیستم‌های هیدرولیک است که سیستم‌های بسته سیال برای اعمال نیرو هستند. یکی از متداول‌ترین نمونه‌های سیستم هیدرولیک سیستم ترمز خودرو است. ابتدا سیستم هیدرولیکی ساده‌ شکل زیر را در نظر بگیرید. در این شکل، یک سیستم هیدرولیک معمولی با دو سیلندر پر از سیال که با پیستون‌ها بسته شده و توسط یک لوله به نام خط هیدرولیک وصل می‌شود. نیروی رو به پایین $$F_1$$ روی پیستون سمت چپ فشار ایجاد می‌کند که به تمام قسمت‌های سیال محصور شده منتقل می‌شود. این فشار منجر به نیروی $$F_2$$ به سمت بالا در پیستون سمت راست می‌شود که از $$F_1$$ بزرگ‌تر است، زیرا پیستون سمت راست سطح مقطع بیشتری دارد.

سیستم هیدرولیک ترمز خودرو
شکل ۱: سیستم هیدرولیک ترمز خودرو

رابطه‌ بین نیروها در یک سیستم هیدرولیک

با اعمال اصل پاسکال می‌توانیم رابطه‌ بین نیروها در یک سیستم ساده‌ هیدرولیکی را به دست آوریم. ابتدا دقت کنید که دو پیستون در شکل ۱ در ارتفاع یکسانی هستند، بنابراین اختلاف فشاری به دلیل اختلاف ارتفاع آن‌ها وجود ندارد. اکنون فشار ناشی از نیروی $$F_1$$ که بر سطح $$A_1$$ اعمال می‌شود، به سادگی از رابطه‌ $$P = \frac FA$$ محاسبه می‌شود. با توجه به قانون پاسکال، این فشار بدون کم و کاستی از طریق سیال به تمام نقاط و دیواره‌ها منتقل می‌شود. بنابراین فشار $$P_2$$ در پیستون دیگر برابر با فشار $$P_1$$ خواهد بود.

$$ P _ 2 = P _ 1 $$

پس خواهیم داشت:

$$ \large \frac { F _ 1 }{ A _ 1 } = \frac { F _ 2 } { A _ 2 } $$

این معادله نسبت نیروها و سطح مقطع را در هر سیستم هیدرولیکی مرتبط می‌کند. این سیستم‌ها می‌توانند نیروی اعمال شده بر خود را کاهش یا افزایش دهند. برای افزایش نیرو، فشار بر سطح بیشتری اعمال می‌شود. برای مثال، اگر یک نیروی ۱۰۰ نیوتنی بر سیلندر چپ شکل بالا وارد شود و سیلندر سمت راستی مساحتی ۵ برابر بزرگ‌تر داشته باشد، نیروی خروجی از سیستم ۵۰۰ نیوتن خواهد بود. سیستم‌های هیدرولیک شبیه اهرم‌های ساده هستند.

یک سیستم هیدرولیکی ساده، مانند یک خودروی ساده، می‌تواند نیرو را افزایش دهد، اما نمی‌تواند کار بیشتری نسبت به آن کاری که روی خودش اعمال شده، انجام دهد. این مسئله از قانون پایستگی انرژی استنباط می‌شود. لازم است در مورد این اصل اضافه کنیم که کار فیزیکی در واقع از حاصل‌ضرب نیرو در مسافت جابجایی به دست می‌آید. سیستم‌های هیدرولیکی زیادی مانند سیستم ترمز خودرو چنین عملکردی دارند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

بر اساس رای ۹۲ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

سید سراج حمیدی دانش‌آموخته مهندسی برق است و به ریاضیات و زبان و ادبیات فارسی علاقه دارد. او آموزش‌های مهندسی برق، ریاضیات و ادبیات مجله فرادرس را می‌نویسد.

2 نظر در “قانون پاسکال | به زبان ساده

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.