الأهداف
الأهداف
- تعرف الضغط والعوامل المؤثرة عليه.
- تفسر طفو بعض الأجسام وانغمار بعضها الآخر.
- تصف انتقال الضغط عبر الموائع.
الأهمية
يمكنك الضغط من إخراج معجون الأسنان من الأنبوب، وتساعدك قوة الدفع على الطفو فوق الماء.
مراجعة المفردات
- القوة: سحب أو دفع.
- المائع: مواد تتدفق وليس لها شكل محدد.
المفردات الجديدة
- الضغط
- قوة الطفو
- مبدأ أرخميدس
- الكثافة
- مبدأ باسكال
سلوك الموائع
الضغط
لعلّك نفخت يومًا بالونًا أو كرة حتى انتفخت تمامًا؛ إن هذا الانتفاخ ناتج عن حركة جسيمات الهواء داخل الكرة، كما في الشكل 14. وهذه الجسيمات تتحرك، فيصطدم بعضها مع بعض ومع الجدران الداخلية للكرة، وكلما اصطدم جسيم مع الجدار الداخلي للكرة أثر فيه بقوة دفع نحو الخارج، والقوة تكون دفعًا أو سحبًا.
كما درست من قبل، ومجموع القوى التي تؤثر بها الجسيمات في جدار الكرة تسمى ضغط الهواء.
الضغط Pressure: يساوي القوة المؤثرة في سطح مقسومة على المساحة الكلية التي تؤثر فيها.
قانون الضغط
| القانون |
| ----------------------- |
| الضغط = القوة ÷ المساحة |
وعند قياس القوة بوحدة النيوتن، والمساحة بالمتر المربع، تكون وحدة قياس الضغط نيوتن لكل متر مربع، وتعرف هذه الوحدة باسم باسكال Pascal.
وعند مناقشة الضغط الجوي نتعامل مع وحدة الكيلو باسكال التي تساوي 1000 باسكال.
الصورة المرتبطة:
`ضغط_الهواء_داخل_الكرة.png`
الشكل 14
تولد ضغط الهواء المحصور داخل هذه الكرة المنكمشة.
القوة والمساحة
لاحظ من المعادلة السابقة أن الضغط يعتمد على مقدار القوة، والمساحة التي تؤثر فيها هذه القوة.
ففي زيادة القوة المؤثرة في مساحة معينة يزداد الضغط، ويتضمن علاقة عكسية مع المساحة.
إذا أثرت القوة نفسها في مساحة أصغر، فإن الضغط يزداد.
وإذا أثرت القوة نفسها في مساحة أكبر، فإن الضغط يقل.
الصورة المرتبطة:
`تأثير_مساحة_القدم_في_الضغط.png`
الشكل 15
الضغط الذي يسببه وزن هذا الولد على رؤوس أصابع قدميه أكبر من الضغط الذي يسببه على كامل قدميه.
مثال الشكل
- الحالة الأولى:
- القوة = 530 نيوتن
- المساحة = 37 سم²
- الضغط = 14 نيوتن / سم²
- الحالة الثانية:
- القوة = 530 نيوتن
- المساحة = 325 سم²
- الضغط = 1.6 نيوتن / سم²
فسر
لماذا يكون الضغط أكبر في الحالة الأولى؟
ماذا قرأت؟
ما العوامل التي يعتمد عليها الضغط؟
الإجابة:
يعتمد الضغط على مقدار القوة المؤثرة، وعلى مساحة السطح الذي تؤثر فيه القوة.
الضغط الجوي
الضغط الجوي هو ضغط الهواء.
يضغط الهواء الجوي علينا بقوة كبيرة، وبالرغم من ذلك فنحن لا نحس به ولا نراه.
ويعرف ضغط الهواء بالضغط الجوي؛ لأن الهواء يشكل غلافًا جويًا يحيط بالأرض.
وقيمة الضغط الجوي هي تقريبًا 101.3 كيلو باسكال عند مستوى سطح البحر.
وهذا يعني أن الهواء الجوي يؤثر بقوة مقدارها 101300 نيوتن على كل متر مربع.
وهذا يساوي وزن شاحنة كبيرة.
ويساعد الضغط الجوي في شرب العصير باستخدام ماصة العصير. فعندما تمتص العصير بالماصة فإنك تسحب الهواء الذي فيها، فيؤدي الضغط الجوي المؤثر على سطح الشراب إلى دفعه إلى أسفل، مما يجعله يرتفع في الماصة.
الصورة المرتبطة:
`الضغط_الجوي_يدفع_العصير_في_الماصة.png`
الشكل 16
الضغط الجوي المؤثر في سطح العصير يدفع العصير إلى أعلى عبر الماصة.
توازن الضغط
إذا كان للهواء هذه القوة الكبيرة فلماذا لا نشعر بها؟
السبب هو أن الضغط الناتج عن السوائل داخل الجسم يعادل الضغط الجوي الواقع عليه.
انظر إلى اللاعب في الشكل 17. إن السوائل داخل جسمه تضغط إلى الخارج بمقدار يكافئ التوازن مع الضغط الجوي المؤثر فيه، فيتوازن الضغط، ولا يتحطم جسمه.
وهذا من بديع خلق الله تعالى الذي أحسن كل شيء خلقه.
الصورة المرتبطة:
`توازن_ضغط_الجسم_مع_الضغط_الجوي.png`
الشكل 17
يؤثر الضغط الجوي بقوة في جميع سطوح جسم هذا الولد.
فسر
لماذا لا يشعر الولد بهذا الضغط؟
تغيرات الضغط الجوي
يتغير الضغط الجوي بتغير الارتفاع عن مستوى سطح البحر.
فكلما زاد الارتفاع عن سطح البحر قل الضغط الجوي؛ بسبب وجود عدد أقل من جسيمات الهواء.
فكلما قل عدد الجسيمات في حجم ما قل عدد التصادمات؛ لذا يقل الضغط.
وقد استخدم هذه الفكرة الفيزيائي الفرنسي باسكال عندما استعمل بالونًا مملوءًا جزئيًا بالهواء وربطه إلى قمة جبل كما في الشكل 18.
أخذ حجم البالون في الازدياد رغم أن كمية الهواء في البالون لم تتغير.
وقد فسر باسكال ذلك بأن الضغط الجوي المؤثر في البالون من الخارج تناقص عندما ارتفع عن سطح البحر، فأصبحت الجسيمات داخل البالون قادرة على الانتشار أكثر، وأخذ حجمه يكبر.
الصورة المرتبطة:
`تغير_حجم_البالون_مع_الارتفاع.png`
الشكل 18
يتمدد البالون بزيادة الارتفاع عن سطح البحر؛ لأن الضغط الجوي المؤثر في البالون من الخارج يقل، فيصبح لجسيمات الهواء حرية أكبر في الانتشار.
الانتقال في الهواء
لماذا تشعر بانسداد في أذنيك عندما تصعد جبلًا عاليًا أو تكون مسافرًا في طائرة؟
لأن الضغط الجوي يقل، ويصبح ضغط الهواء داخل أذنيك أكبر من الضغط خارجها، مما يؤدي إلى احتجاز بعض الهواء داخل أذنيك ثم يتمدد فتسمع صوت طقطقة.
وقد تؤدي تغيرات الضغط الجوي عند السفر في الجو إلى عدم راحة في الأذن.
فالطائرات مجهزة للمحافظة على الضغط داخلها، فلا يتغير الضغط بصورة مفاجئة خلال الرحلات.
التغير في ضغط الغاز
كما يتغير الضغط الجوي بتغير الظروف فإن ضغط الهواء أو أي غاز محصور يتغير أيضًا.
فضغط الهواء المحصور داخل إناء مغلق يتغير بتغير كل من:
- حجم الإناء.
- درجة حرارته.
الضغط والحجم
عندما تضغط بيدك على جزء من بالون مملوء بالهواء ينتفخ الجزء الآخر من البالون أكثر؛ لأنك دفعت عدد الجسيمات داخله لتشغل حيزًا أصغر.
إذًا علاقة الضغط بالحجم علاقة عكسية.
فعند زيادة عدد تصادمات الجسيمات بالجدران الداخلية، ينتج ضغط أكبر عليها.
بسبب طاقة حركة الغاز، لا يلاحظ هذا التغير في حركة الجسيمات في الشكل 19.
ماذا يحدث إذا زاد حجم الوعاء الذي يحتوي الغاز دون تغير درجة الحرارة؟
إذا زاد حجم الإناء، فإن عدد التصادمات بالجدران الداخلية يقل، فيقل الضغط الذي ينتجه الغاز.
الصورة المرتبطة:
`العلاقة_بين_ضغط_الغاز_وحجمه.png`
الشكل 19
بنقصان حجم الغاز المحصور يزداد الضغط.
في الجزء الذي تضغطه للأسفل تتحرك جسيمات الغاز إلى أسفل، فيزداد عدد تصادماتها، لذا يزداد الضغط.
الضغط ودرجة الحرارة
بتثبيت حجم الغاز المحصور، يتغير ضغطه بتغير درجة حرارته.
إذ تؤدي الزيادة في درجة حرارة الغاز إلى زيادة الطاقة الحركية للجسيمات، فتزداد سرعتها، ويزيد عدد التصادمات، فيزداد الضغط.
إذًا علاقة الضغط بدرجة الحرارة علاقة طردية.
أي أنه بزيادة درجة حرارة غاز محصور يزداد ضغطه عند ثبات حجمه.
الصورة المرتبطة:
`زيادة_ضغط_الغاز_عند_تسخينه.png`
الشكل 20
يزداد ضغط الغاز المحصور عند تسخين الإناء مع بقاء الحجم ثابتًا.
توقع
ماذا يحدث لو استمر تسخين الإناء تسخينًا شديدًا؟
ماذا قرأت؟
لماذا ينكمش أو ينكسر إناء محكم الإغلاق به هواء بعد تجميده؟
الطفو أو الانغمار
من المؤكد أنك تشعر أنك أخف وزنًا عندما تكون في الماء.
فعندما تكون في الماء يؤثر فيك ضغط الماء ويدفعك في جميع الاتجاهات.
ويسبب اختلاف الضغط كما في الشكل 21 قوة إلى أعلى تؤثر في الماء.
لأن ضغط الماء عليك من أسفل، أي الضغط المائي أسفل الجسم، أكبر من الضغط المؤثر في السطح العلوي إلى أسفل؛ لأن السطح السفلي للجسم يكون على عمق أكبر من السطح العلوي للجسم.
ينتج عن فرق الضغط قوة تؤثر إلى أعلى في الجسم المغمور في مائع، كما في الشكل 21، وتسمى قوة الطفو Buoyant Force.
يطفو الجسم إذا ساوت قوة الطفو وزن الجسم، وينغمر إذا كانت قوة الطفو أقل من وزنه.
الصورة المرتبطة:
`قوة_الطفو_على_جسم_في_الماء.png`
`توازن_الوزن_وقوة_الطفو.png`
الشكل 21
الضغط الذي يدفع جسمًا مغمورًا إلى أعلى هو ضغط أكبر من ذلك الذي يدفعه إلى أسفل.
والفرق بين الضغطين يولد قوة الطفو.
مبدأ أرخميدس
مبدأ أرخميدس Archimedes’ Principle:
ينص على أن قوة الطفو المؤثرة في جسم داخل مائع تساوي وزن المائع الذي يزيحه هذا الجسم.
فإذا وضعت جسمًا في إناء مملوء إلى حافته بالماء، كما في الشكل 22، فسوف ينسكب بعض الماء.
وزن هذا الماء المنسكب أو المزاح هو مقدار قوة الطفو المؤثرة في الجسم.
الصورة المرتبطة:
`مبدأ_أرخميدس_الماء_المزاح.png`
الشكل 22
عندما سقطت الكرة في الإناء الكبير المملوء بالماء، أزاحت بعضه، ويقاس حجم الماء المزاح في الإناء الأصغر.
تواصل
ماذا تعلم عن وزن الماء المزاح وحجمه؟
الكثافة
تساعدك معرفة الكثافة على توقع طفو الجسم أو انغماره.
الكثافة Density: مقدار كتلة الجسم مقسومة على حجمه.
قانون الكثافة
| القانون |
| ------------------------ |
| الكثافة = الكتلة ÷ الحجم |
إذا كانت كثافة الجسم أكبر من كثافة المائع فإن الجسم ينغمر.
أما إذا كانت كثافة المائع أكبر من كثافة الجسم فإن الجسم يطفو.
فإذا تساوت الكثافتان بقي الجسم عائمًا عند مستوى في المائع، فلا ينغمر ولا يطفو.
تطبيق الرياضيات: أوجد المجهول
حساب الكثافة
أعطيت عينة من مادة صلبة كتلتها 100 جم وحجمها 46.0 سم³.
هل تطفو في الماء الذي كثافته 1.00 جم/سم³؟
الحل
1. المعطيات
- الكتلة = 100 جم
- الحجم = 46.0 سم³
- كثافة الماء = 1.00 جم/سم³
2. المطلوب
كثافة العينة.
3. طريقة الحل
الكثافة = الكتلة ÷ الحجم
الكثافة = 100 ÷ 46.0 = 2.17 جم/سم³
4. التحقق من الحل
كثافة العينة أكبر من كثافة الماء؛ لذا تنغمر العينة.
أو جد كتلة العينة بضرب الكثافة في الحجم.
مسائل تدريبية
- عينة من الزيت كتلتها 102 جم وحجمها 70.4 سم³. هل تطفو فوق الماء؟
- أسطوانة مصمتة من الألومنيوم كتلتها 13.5 جم وحجمها 5.0 سم³. هل تطفو فوق الماء؟
مبدأ باسكال
ماذا يحدث عندما تضغط كفك على علبة بلاستيكية مملوءة بالماء مغلقة بإحكام؟
يتوزع الضغط الإضافي بالتساوي على الماء الموجود في العلبة؛ بسبب عدم وجود منفذ للماء.
ويوضح مبدأ باسكال Pascal’s Principle أن الزيادة في الضغط على سائل محصور، والناتجة عن قوة خارجية، تنتقل بالتساوي إلى جميع أجزاء السائل.
الأنظمة الهيدروليكية
تعمل مكابس السوائل الهيدروليكية طبقًا لمبدأ باسكال.
وتستخدم في رافعة السيارات وكرسي طبيب الأسنان.
إذا أثرت قوة على المكبس الأيسر، فإنها تولد ضغطًا إضافيًا على السائل المحصور، فينتقل هذا الضغط الإضافي إلى المكبس الأيمن.
ولأن الضغط يساوي القوة المؤثرة مقسومة على المساحة التي تؤثر فيها القوة، فإن هذا الضغط يولد قوة كبيرة حسب العلاقة:
| العلاقة |
| --------------------------- |
| الضغط = القوة ÷ المساحة |
| أو: القوة = الضغط × المساحة |
الصورة المرتبطة:
`الانظمة_الهيدروليكية_رافعة_السيارة_وكرسي_الاسنان.png`
الشكل 23
يساعد هذا المكبس على رفع السيارة اعتمادًا على مبدأ باسكال، وكذلك كرسي طبيب الأسنان.
زيادة القوة في المكبس الهيدروليكي
إذا كانت مساحة المكبسين متساويتين فإن القوتين تكونان متساويتين أيضًا.
أما إذا كانت مساحة مقطع المكبس الأيمن كبيرة نسبيًا مقارنة بمساحة مقطع المكبس الأيسر، فإنه تتولد قوة أكبر على المكبس الأكبر مساحة، أي الأيمن.
وتساعدنا مكابس السوائل على رفع أجسام ثقيلة باستعمال قوة صغيرة نسبيًا.
الصورة المرتبطة:
`مبدأ_باسكال_في_المكبس_الهيدروليكي.png`
الشكل 24
بزيادة مساحة مقطع المكبس الأيمن تزداد القوة المؤثرة فيه.
ويسبب الشكل أن القوة الصغيرة المؤثرة في المكبس الصغير تنتج قوة كبيرة عند المكبس الكبير، فتكون القوة كافية لرفع السيارة.
بيانات الشكل
- القوة إلى أسفل = 500 نيوتن.
- المساحة = 1 م².
- الضغط في الأنبوب = 500 نيوتن / م².
- المساحة = 20 م².
- القوة إلى أعلى = 10000 نيوتن.
مضخات القوة
إذا كان هناك وعاء مرن يحتوي على ماء داخله، فإن هذا المائع يندفع خارجًا من الفتحة أو الثقب عند وقوع ضغط عليه، وهذا ما يعرف بمضخة القوة.
ومن تطبيقاتها:
- علبة معجون الأسنان.
- علبة الخردل.
- بعض علب معجون الطماطم.
القلب كمضخة
القلب مضخة قوية؛ إحداهما تدفع الدم من القلب إلى الرئتين ليحصل على الأكسجين، والأخرى تدفع الدم الغني بالأكسجين من القلب إلى باقي أعضاء الجسم، كما في الشكل 25.
الصورة المرتبطة:
`القلب_كمضخة_للدم.png`
الشكل 25
القلب مسؤول عن حركة الدم في الجسم.
تعمل مضخة القلب على تحريك الدم من الرئتين وإليهما، وإلى بقية أنحاء الجسم.
العلوم عبر المواقع الإلكترونية
ضغط الدم
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت للحصول على المزيد من المعلومات عن ضغط الدم.
بحث
حدد ما يعنيه هذا التعبير، ولماذا يشكل ارتفاع ضغط الدم خطورة على الصحة؟
نشاط
اكتب فقرة في دفتر العلوم توضح سبب خطورة ارتفاع ضغط الدم.
مراجعة الدرس 3
الخلاصة
الضغط
- يعتمد الضغط على القوة والمساحة.
- يسبب الهواء الجوي المحيط بك ضغطًا.
- الضغط داخل الجسم يساوي الضغط الجوي المؤثر فيه.
تغيرات ضغط الغاز
- يعتمد الضغط الناشئ عن الغاز على حجمه ودرجة حرارته.
الطفو والانغمار
- يعتمد طفو أو انغمار جسم في مائع على كثافته مقارنة بكثافة المائع.
- يعتمد طفو أو انغمار جسم في مائع على قوة الطفو.
مبدأ باسكال
- يربط هذا المبدأ كلًا من الضغط والمساحة مع القوة.
اختبر نفسك
- صف ما يحدث للضغط عند زيادة القوة المؤثرة في مساحة معينة.
- صف كيف يتغير الضغط الجوي بتغير الارتفاع.
- اكتب عن مبدأ باسكال بأسلوبك الخاص.
- استنتج: جسم يطفو على سطح ماء، ماذا تستنتج عن قوة الطفو المؤثرة في هذا الجسم؟
- التفكير الناقد: بعد سحب الهواء من علبة معدنية فارغة وإغلاقها بإحكام، لاحظ أن العلبة تهشمت تمامًا. لماذا؟
تطبيق الرياضيات
معادلات بسيطة
ما الضغط الذي ينشأ عن تأثير قوة 50 نيوتن في مساحة مقدارها 2.0 م²؟
وكيف يتغير الضغط إذا ازدادت القوة إلى 100 نيوتن؟
وماذا يحدث إذا تغيرت المساحة لتصبح 10 م²؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.