فشار چیست؟
پونز را با فشارِ شستِ دست به‌راحتی در تخته‌ی چوبیِ کلاس فرو می‌کنید. اما اگر سعی کنید با همان شست یک مداد را از سرِ پهنش در چوب فرو کنید، هیچ اتفاقی نمی‌افتد. نیروی شستِ شما در هر دو بار یکی بود. پس فرقِ آن‌ها در چیست؟
نیرو یکی، اثر دوتا
در گفت‌وگوی روزمره «نیرو» و «فشار» را به جای هم به کار می‌بریم، اما در علوم معنای جدا دارند. پونز نیروی شستِ شما را روی نوکِ بسیار ریزش جمع می‌کند؛ مداد همان نیرو را روی سرِ پهنش پخش می‌کند. اثرِ نیرو فقط به اندازه‌اش بستگی ندارد، به سطحی هم که روی آن پخش شده بستگی دارد. فشار همین را می‌سنجد:
فشار = نیرو ÷ مساحت با نمادها: P = F ÷ A
اگر نیرو برحسبِ نیوتون و مساحت برحسبِ متر مربع باشد، فشار برحسبِ پاسکال است: یک پاسکال یعنی یک نیوتون روی هر متر مربع. نامِ این یکا از بلز پاسکال، دانشمندِ فرانسوی، گرفته شده که حدودِ ۳۷۰ سال پیش فشارِ مایع‌ها و هوا را بررسی کرد.
حساب کنیم
مثال فیلی ۵۰٬۰۰۰ نیوتون وزن دارد و روی چهار پای پهن ایستاده که روی هم ۰٫۵ متر مربع از زمین را می‌پوشانند. فشارِ پاهای فیل بر زمین ۵۰٬۰۰۰ ÷ ۰٫۵ = ۱۰۰٬۰۰۰ پاسکال است. حالا خانمی با وزنِ ۶۰۰ نیوتون را در نظر بگیرید که لحظه‌ای همه‌ی وزنش روی پاشنه‌ی باریکِ یک کفش است، با مساحتِ یک سانتی‌متر مربع، یعنی ۰٫۰۰۰۱ متر مربع. فشارِ این پاشنه ۶۰۰ ÷ ۰٫۰۰۰۱ = ۶٬۰۰۰٬۰۰۰ پاسکال است، شصت برابرِ فشارِ پای فیل! برای همین است که پاشنه‌ی باریک روی کفِ چوبی جا می‌اندازد و فیل نه.
یک جسم هم بسته به این‌که روی کدام وجهش بنشیند فشارِ متفاوتی می‌آورد. وزنش عوض نمی‌شود؛ فقط روی سطحِ بزرگ‌تر یا کوچک‌تری می‌افتد. هر چه مساحت کمتر، فشار بیشتر.
فشار در کارهای روزمره
حالا می‌شود چیزهای زیادی را توضیح داد:
- چاقو و قیچیِ تیز بهتر می‌بُرند، چون لبه‌ی نازکشان نیرو را روی سطحی بسیار باریک جمع می‌کند.
- میخ و سوزن نوکِ تیز دارند تا با نیرویی کم فشاری زیاد بسازند و در چوب یا پارچه فرو بروند.
- کفش‌های فوتبال زیرِ زیره‌شان گُل‌میخ دارند؛ وزنِ بازیکن روی چند نقطه‌ی کوچک جمع می‌شود و گُل‌میخ‌ها در چمن فرو می‌روند و جلوی لیز خوردن را می‌گیرند.
- کیسه‌ی سنگینِ خرید با دسته‌ی نازک کفِ دست را می‌بُرد؛ اگر دستمالی دورِ دسته بپیچید، نیرو روی سطحِ بیشتری پخش می‌شود و درد کمتر است.
در خانه امتحان کنید
یک سینی را از آرد یا ماسه‌ی نرم پر کنید و رویش را صاف کنید. یک بطریِ پر از آب را یک بار روی تهِ پهنش و یک بار وارونه روی درِ کوچکش، آرام روی آرد بگذارید و بردارید. وزنِ بطری در هر دو بار یکی بود؛ کدام جای عمیق‌تری گذاشت و چرا؟
واژه‌های این درس
- فشار - نیرو تقسیم بر مساحتی که نیرو به آن وارد می‌شود.
- پاسکال - یکای فشار؛ یک نیوتون بر متر مربع.
ایده‌ی اصلی
فشار نشان می‌دهد نیرو چقدر متمرکز است: فشار = نیرو ÷ مساحت. یک نیروی معین روی سطحِ کوچک فشارِ زیاد و روی سطحِ بزرگ فشارِ کم می‌سازد.