گام به گام علوم تجربی نهم | فصل 8: فشار و آثار

برای تحمل وزن یک ساختمان، دیوارهای آن را روی پایه‌های بتونی، می‌سازند. در شکل زیر، دو نوع پایهٔ متفاوت که معماران در این مورد به کار می‌برند، نشان داده شده است.

الف) اگر سطح کل پایهٔ نواری، نصف سطح پایهٔ یک پارچه باشد، در این صورت فشاری را که از طرف دیوارهای ساختمان به هریک از دو پایه وارد می‌شود با هم مقایسه کنید.

$p=\frac{F}{A}=\frac{mg}{A}$

$p=\frac{F}{\frac{A}{2}}=\frac{2F}{A}=\frac{2mg}{A}$

ب) برای ساختن ساختمان روی زمین نرم، کدام یک از پایه‌های نشان داده شده، مناسب‌تر است؟ علت انتخاب خود را توضیح دهید.

مساحت سطح یکپارچه را A فرض کنید. جرم ساختمان‌ها با هم برابر هستند و جرم را m در نظر بگیرید.

در نتیجه فشار روی پایه نواری، 2 برابر فشار روی پایۀ یکپارچه است.

روی زمین نرم برای پیشگیری از رانش زمین، باید فشار کمتری به آن وارد شود، پس پایۀ نواری مناسب‌تر است.

۱- یکی از توصیه‌هایی که همواره باید جدی بگیریم، این است که روی سطح یک استخر یخ زده یا دریاچهٔ یخ زده راه نرویم زیرا فشاری که وزن ما ایجاد می‌کند، ممکن است برای شکستن یخ کافی باشد. با توجه به تعریف فشار توضیح دهید چرا امدادگر از یک نردبان بزرگ برای حرکت روی سطح یک دریاچهٔ یخ زده، استفاده کرده است.

هر چه سطح تماس نیرو با سطح کمتر باشد، فشار وارد شده به سطح بیشتر می‌شود. استفاده از نردبان باعث می‌شود سطح تماس افزایش یابد و نیروی وزن امدادگر روی کل سطح توزیع شود و در نتیجه فشار کم شود و احتمال شکستن یخ کاهش یابد.

۲- چرا گرفتن پونز بین دو انگشت و فشردن آن می‌تواند سبب آسیب رساندن به یکی از انگشت‌ها شود؟

نوک پونز تیز است و این یعنی آنکه سطح تماس خیلی کوچک است. فشردن پونز باعث می‌شود که نیروی فشردن روی نوک تیز پونز توزیع شود و فشار زیادی به این نقطه وارد و باعث سوراخ شدن پوست شود.

ابتدا جرم خود را به کمک ترازو اندازه بگیرید و وزن خود را حساب کنید. سپس سطح تماس کفشی که پوشیده‌اید را با زمین اندازه بگیرید. سرانجام به کمک رابطهٔ (۱) (الف) مقدار فشاری که پاهای شما به زمین وارد می‌کنند را به دست آورید.

فرض کنید جرم شما برابر 58 کیلو گرم باشد. آنگاه وزن شما برابر است با؛

$w=mg=50\times 10=500$

برای محاسبۀ سطح تماس کفش خود با زمین، کف کفش را روی کاغذ شطرنجی قرار دهید و دور آن با یک مداد خط بکشید. با شمارش تعداد مربع های داخل خط بسته (ردپای شما) مساحت کف کفش به سانتی متر مربع به دست می آید. عدد به دست آمده را به 10000 تقسیم کنید تا مساحت برحسب مترمربع به دست آید. نتیجه را در 2 ضرب کنید تا مساحت دو کفش به دست آید. اکنون با استفاده از فرمول زیر فشار به دست می آید.

نیوتن بر مترمربع $p=\frac{F}{A}=\frac{W}{A}=\frac{500N}{0/02{{m}^{2}}}=2500$

ب) اگر روی یک پای خود بایستید چه فشاری به زمین وارد می‌کنید؟

نیوتن بر مترمربع $p=\frac{F}{A}=\frac{W}{A}=\frac{500N}{0/01{{m}^{2}}}=5000$

وسایل و مواد لازم: بطری آب (۱/۵ و ۲ لیتری)، پایه (مثلاً یک یا دو قطعه آجر)، یک ظرف نسبتاً بزرگ، نوار چسب کاغذی
روش اجرا:
1- مطابق شکل سه سوراخ کوچک در بطری ۱/۵ لیتری ایجاد کنید و سوراخ‌ها را با نوارچسب کاغذی بپوشانید.

۲- بطری را از آب پر کنید و ظرف خالی را زیر آن قرار دهید.
۳- مسیری را که پیش‌بینی می‌کنید فوران‌های آب از سوراخ‌های ایجاد شده روی بطری طی می‌کنند روی شکل (ب) رسم و استدلال خود را بیان کنید.

در نقاط پایین‌تر داخل بطری فشار بیشتری وجود دارد زیرا، هر چه عمق یک نقطه بیشتر باشد، ارتفاع بیشتری از مایع روی آن قرار دارد و بنابراین نیروی وزن مایع بیشتر می‌شود. در نتیجه آب با فشار بیشتری از سوراخ پرتاب می‌شود.

۴- درپوش بطری را باز کنید و نوارچسب کاغذی را به آرامی از آن جدا کنید. نتیجهٔ مشاهدهٔ خود را با آنچه روی شکل (ب) رسم کردید مقایسه کنید.

نتیجۀ آزمایش هم شبیه این شکل خواهد بود.

۵- مطابق شکل (پ) آزمایش را با دو بطری ۱/۵ و ۲ لیتری انجام دهید. توجه کنید که سوراخ‌ها را به طور مشابه و در ارتفاع یکسان روی هر دو بطری ایجاد کنید. همچنین سطح آب در هر دو بطری مساوی باشد.

در این حالت شکل خروج آب از سوراخ‌های هر دو بطری شبیه هم است.

۶- با توجه به نتایج آزمایش‌های شکل (الف) و (پ) توضیح دهید فشار درون مایع چگونه با افزایش عمق تغییر می‌کند.

فشار درون مایع با افزایش عمق، زیادتر می‌شود. فشار مایع در همۀ نقاط ظرف که دارای عمق یکسانی هستند، برابر است. فشار درون ظرف مایع به شکل ظرف بستگی ندارد.

شکل کتاب طرحی از سامانهٔ آب رسانی یک منطقهٔ مسکونی را نشان می‌دهد. با توجه به آنچه تاکنون در این فصل فراگرفته‌اید، نقش تلمبه (پمپ) را در ساختمان چندین طبقه توضیح دهید.

سطح آزاد مایعات دارای فشار یکسانی هستند. فشار در سطح آزاد مایعات، برابر فشار اتمسفر است و فشاراتمسفر باعث می‌شود که سطح آزاد مایعات ارتفاع یکسانی باشند. اولین کار پمپ عبارت است از تخلیه هوا از درون لوله مکش، این عمل باعث می‌شود که فشار اتمسفر بتواند به مایعات فشار وارد نموده و آن‌ها را به قسمت چرخنده پمپ و یا پیستون هدایت نماید و تا ارتفاع مورد نظر انتقال یابد. کار دوم پمپ عبارت است از دادن انرژی به مواد سیال وهدایت آن‌ها از محفظه پمپ (محل قرار گرفتن قسمت چرخنده) به مقصد نهائی.

شکل ۶ طرحی ساده از یک بالابر هیدرولیکی را نشان می‌دهد که معمولاً در تعمیرگاه‌های خودرو از آن استفاده می‌کنند. این بالابرها براساس اصل پاسکال کار می‌کنند و رابطهٔ زیر در محل پیستون‌های آن برقرار است:
$\frac{{{F}_{1}}}{{{A}_{1}}}=\frac{{{F}_{2}}}{{{A}_{2}}}$

بر اساس اصل پاسکال، اعمال فشار به نقطه‌ای از مایع محصور در محفظۀ بسته بدون ضعیف شدن به سایر نقاط محفظه منتقل می‌شود. پس اگر نیروی F1 به پیستون 1 وارد شود، فشاری برابر p ایجاد می‌شود.

$p=\frac{{{F}_{1}}}{{{A}_{1}}}$

این فشار به پیستون 2 منتقل می‌شود، پس در پیستون 2 رابطۀ فشار و نیرو به صورت زیر است.

$p=\frac{{{F}_{2}}}{{{A}_{2}}}=\frac{{{F}_{1}}}{{{A}_{1}}}\Rightarrow {{F}_{2}}=\frac{{{A}_{2}}}{{{A}_{1}}}{{F}_{1}}$

چون سطح مقطع پیستون 2 از پیستون 1 بیشتر است، بنابراین نیروی F2 قوی‌تر از نیروی F1 است و می‌تواند خودرو را جابجا کند.

روش اجرا:
۱- کمی آب درون قوطی بریزید و آن را روی منبع گرما قرار دهید.
۲- مدتی (حدود ۲ الی ۳ دقیقه) صبر کنید تا مقداری بخار آب از سر قوطی خارج شود.
۳- قوطی را از روی منبع گرما بردارید. سر قوطی را با درب مخصوص آن محکم ببندید (مراقب انگشت‌های خود باشید!).
۴- پیش‌بینی کنید چه اتفاقی می‌افتد. استدلال خود را برای این پیش‌بینی بیان کنید.

هنگامی که قوطی بر روی شعله قرار داده می‌شود، آب درون آن شروع به جوشیدن می‌کند و هوای درون آن توسط فشار بخار آب به سمت خارج ظرف حرکت می‌کند. بنابراین هوای درون قوطی با بخار جایگزین می‌شود. و در نتیجه درون قوطی پر از بخار آب است. هنگامی که در قوطی را می‌بندیم، پس از سرد شدن قوطی، بخار سرد می‌شود و دوباره تبدیل به قطره‌های آب می‌شود.

۵- چند دقیقه صبر کنید تا قوطی خنک شود. نتیجهٔ مشاهدهٔ خود را توضیح دهید. آیا نتیجهٔ آزمایش با پیش‌بینی شما سازگار بود؟

و در نتیجه یک محیط خلا درون آن ایجاد می‌شود و فشار درون قوطی بسیار کاهش می‌یابد. این اختلاف فشار درون بطری و خارج بطری باعث می‌شود که دیواره‌های قوطی به سمت داخل فشرده شوند و قوطی مچاله شود.

یک نی را داخل یک بطری محتوی آب قرار دهید. درحالی که نی درون بطری قرار دارد دهانهٔ بطری را با لب‌های خود به طور کامل بگیرید و درون بطری بدمید. آنچه را مشاهده می‌کنید، با توجه به آثار فشار هوا و همچنین اصل پاسکال توضیح دهید.

طبق اصل پاسکال، فشاری که در اثر دمیدن هوا به داخل بطری ایجاد می‌شود به همۀ نقاط داخل ظرف منتقل می‌شود. بنابراین فشار در سر داخلی نی (سری از نی که داخل آب قرار دارد) از فشار سر خارجی نی بیشتر می‌شود و به دلیل اختلاف فشار، آب از نی به بیرون جریان پیدا می‌کند.

وسایل و مواد لازم: بطری شیشه‌ای، درپوش تک سوراخه و درپوش دو سوراخه، قیف و ظرف محتوی آب
روش اجرا:
۱- پیش‌بینی کنید با ریختن آب درون قیف شکل الف چه اتفاقی می‌افتد. استدلال خود را بیان کنید.
۲- اکنون آزمایش کنید. به آرامی آب را درون قیف بریزید. چه اتفاقی می‌افتد؟ به دقت مشاهده کنید و سعی کنید آنچه را که اتفاق می‌افتد توضیح دهید.

برای وارد شدن آب به داخل بطری شیشه‌ای باید هوای داخل آن خارج گردد و آب داخل بطری جایگزین گردد. در حالتی که از درپوش تک سوراخه استفاده می‌شود، هوا راهی برای خروج از دهانۀ بطری را ندارد و فقط می‌تواند به سختی از سوراخ قیف خارج شود. بنابراین آب به سختی وارد بطری می‌شود.

۳- اگر به جای درپوش تک سوراخه، از درپوش دوسوراخه استفاده کنیم (شکل ب)، پیش‌بینی کنید چه اتفاقی می‌افتد.

در حالتی که از درپوش دو سوراخه استفاده می‌شود، هوا به راحتی می‌تواند از سوراخ دوم خارج شود و آب جایگزین آن شود.

۴- آزمایش را به کمک درپوش دوسوراخه انجام دهید و سعی کنید آنچه را که اتفاق می‌افتد توضیح دهید.

فشار هوای موجود در بطری در حالت اول مانع از ورود آب به داخل بطری می‌شود. در حالت دوم با خروج هوا از داخل بطری، فشار داخل آن کاهش می‌یابد و آب وارد بطری می‌شود.

با توجه به شکل‌های زیر سریع‌ترین راه برای خالی کردن یک بطری پلاستیکی که تا نیمه از آب پر شده، کدام است؟

الف) سر و ته کردن

ب) کج کردن

پ) فشردن

دانش آموزی می‌گوید سریع‌ترین راه برای خالی کردن بطری محتوی آب، ایجاد سوراخی ریز در ته آن است. شما چه فکر می‌کنید؟ برای بررسی درستی پاسخ‌های خود، تمامی حالت‌های ذکر شده را آزمایش کنید.

فشار بیرون بطری ها برابر فشار اتمسفر (فشار هوا) است. برای خالی کردن بطری باید فشار ایجاد شده در سر بطری‌ها از فشار بیرون (فشار اتمسفر) بیشتر شود. در حالتی که سوراخ ریزی در ته بطری ایجاد می‌شود، بیشترین اختلاف فشار به وجود می‌آید و بطری سریع‌تر خالی می‌شود.

الف) در این حالت، تنها فشار ناشی از ارتفاع آب در داخل بطری باید به فشار هوای بیرون بطری غلبه کند تا آب تخلیه شود. فشار ارتفاع آب نسبت به فشار هوا خیلی کمتر است و خالی کردن بطری به این روش سخت است.

ب) در این حالت، مجموع فشار هوا و فشار ناشی از ارتفاع آب در داخل بطری باید به فشار هوای بیرون بطری غلبه کند تا آب تخلیه شود. چون بطری کج است ارتفاع آب کمتر نسبت به حالت سرو ته کمتر است و فشار ناشی از آن کم است.

پ) در این حالت، مجموع فشار ناشی از فشردن بطری و فشار ناشی از ارتفاع آب در داخل بطری باید به فشار هوای بیرون بطری غلبه کند تا آب تخلیه شود. چون فشار هوا در برابر این فشارها زیاد است، بنابراین تخلیه آب به راحتی صورت نمی‌گیرد.

سوراخ ریز) در این حالت، مجموع فشار هوا و فشار ناشی از ارتفاع آب در داخل بطری باید به فشار هوای بیرون بطری غلبه کند تا آب تخلیه شود. پس اختلاف فشار در این وضعیت همان فشار ناشی از ارتفاع آب است.

در علوم سال هفتم با نحوهٔ کار شش‌ها آشنا شدید. همانطور که دیدید آنها شبیه بادکنک، داخل حفرهٔ سینهٔ ما پر و خالی می‌شوند. اما چه چیزی باعث پر و خالی شدن آنها می‌شود؟ نقش فشار هوا در این خصوص چیست؟ شما می‌توانید پاسخ این پرسش‌ها را با ساختن مدلی از شش، مورد بررسی قرار دهید.

در پایین قفسۀ سینه، پرده دیافراگم قرار دارد که با تغییر شکل خود باعث دم و بازدم می‌شود. ورود هوا از محیط بیرون به درون شش‌ها را دم و خروج آن از شش‌ها را بازدم گویند. در حالت عادی پرده دیافراگم گنبدی است که تحدب آن به طرف شش‌ها می‌باشد. در مدل بادکنک پایینی در نقش دیافراگم، یعنی ماهیچه اصلی تنفس است. آن را به سمت پایین بکشید؛ آنگونه که انگار عمل دم را انجام می‌دهید. این کار سبب کاهش فشار هوا در بطری می‌شود. هوا از خارج به سرعت وارد شده و باعث انبساط دو بادکنک می‌شود (درست مانند ریه‌های واقعی در قفسه سینه شما)