فيديو الدرس: الضغط الجوي الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الدرس، سوف نتعلم كيف نعبر عن الضغط الجوي باستخدام عدة وحدات قياس تتضمن ارتفاع عمود الزئبق. قبل أن نتعرف على هذه العملية، دعونا نتذكر أولًا كيفية إيجاد قيمة الضغط في سائل. علينا أن نتذكر هنا أنه عند إيجاد قيمة الضغط في سائل عند ارتفاعات مختلفة، يمكننا استخدام الصيغة: ‪𝑃‬‏، وهو الضغط في المائع، يساوي ‪𝜌‬‏، وهي كثافة المائع، في ‪𝑔‬‏، وهي عجلة الجاذبية، في ‪ℎ‬‏، وهو ارتفاع المائع أعلى النقطة التي نقيس عندها الضغط.

إن الوصول إلى عمق أكبر في السائل يعني أن ارتفاع السائل فوق النقطة التي نقيس عندها يزيد، ما يعني أن الضغط في السائل يزيد بدوره. ويمكننا ربط ذلك بحقيقة أن الضغط في قاع حمام السباحة أكبر من الضغط الموجود في أعلى الحمام. وذلك لأن ارتفاع الماء فوقنا عندما نكون في قاع حمام السباحة أكبر بكثير من ارتفاعه فوقنا عندما نكون في الأعلى. هيا نطبق ما ذكرناه توًا حول الضغط الموجود في سائل على تجربة أجراها «تورشيللي» عام ‪1646‬‏، والتي نطلق عليها اليوم اسم البارومتر.

أثناء التجربة، وضع «تورشيللي» أنبوبًا بارتفاع متر تقريبًا مملوءًا بالزئبق في طبق يحتوي على الزئبق أيضًا. كان الطبق مفتوحًا بحيث يؤثر الضغط الجوي على الزئبق السائل. ذكر «تورشيللي» أن بعض الزئبق يزاح من الأنبوب إلى الطبق حتى يصبح ضغط عمود الزئبق في الأنبوب مساويًا للضغط الجوي الذي يؤثر على الزئبق في الطبق. ويكون ارتفاع عمود الزئبق ‪0.760‬‏ متر، أو ‪760‬‏ ملليمترًا عند قياسه من سطح الزئبق وليس من قاع الأنبوب.

إذا كان الضغط داخل عمود الزئبق يساوي الضغط الجوي، يمكننا استخدام الارتفاع الذي يساوي ‪0.760‬‏ متر والمعادلة التي ذكرناها سابقًا المتعلقة بالضغط داخل المائع لتحديد الضغط الجوي. وللتعويض بالقيم التي لدينا، علينا أولًا معرفة كثافة الزئبق. في هذا المثال، ‪𝜌‬‏ أو كثافة الزئبق تساوي ‪13595‬‏ كيلوجرامًا لكل متر مكعب. بعد ذلك، علينا التعويض بقيمة عجلة الجاذبية.

بافتراض أن التجربة على كوكب الأرض، يمكننا استخدام ‪9.81‬‏ أمتار لكل ثانية تربيع قيمة لعجلة الجاذبية. وأخيرًا، علينا التعويض بقيمة الارتفاع. في هذه الحالة، وجدنا أن الارتفاع يساوي ‪0.760‬‏ متر. عندما نضرب ‪13595‬‏ كيلوجرامًا لكل متر مكعب في ‪9.81‬‏ أمتار لكل ثانية تربيع في ‪0.760‬‏ متر، نحصل على ضغط يساوي ‪101358.88‬‏ باسكال. قيمتا عجلة الجاذبية والارتفاع مقربتان لأقرب ثلاثة أرقام معنوية. لذا يجب علينا تقريب قيمة الضغط التي توصلنا إليها لأقرب ثلاثة أرقام معنوية، فنحصل على ‪101000‬‏ باسكال.

عادة عندما نتعامل مع مثل هذه الأعداد الكبيرة، نستخدم بادئة لتسهيل التعامل معها. البادئة «كيلو» تمثل ‪1000‬‏. ومن ثم، فإن الكيلو‪ ‬‏باسكال يساوي ‪1000‬‏ باسكال، ما يعني أن ‪101000‬‏ باسكال يساوي ‪101‬‏ كيلو‪ ‬‏باسكال. والآن بعد أن عرفنا كيفية قياس الضغط الجوي، لنلق نظرة على وحدات القياس المختلفة التي يمكن تسجيل الضغط بها. نعلم أن الضغط الجوي يساوي ‪101‬‏ كيلو‪ ‬‏باسكال تقريبًا. لذا يجب أن نتذكر أن وحدة الضغط الجوي الواحدة تساوي ‪101‬‏ كيلو‪ ‬‏باسكال. وبذلك، فإن الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر يساوي وحدة ضغط جوي واحدة، أو ‪101‬‏ كيلو‪ ‬‏باسكال.

أما الملليمتر زئبق، فهو في الأساس الارتفاع الذي يصل إليه عمود الزئبق عند ضغط معين. ومعامل التحويل بين الكيلو‪ ‬‏باسكال والملليمتر زئبق يتمثل في أن الكيلو‪ ‬‏باسكال الواحد يساوي ‪7.50‬‏ ملليمترات زئبق. في هذا المثال، حصلنا على ضغط يساوي ‪101‬‏ كيلو‪ ‬‏باسكال تقريبًا. وتحويل هذه القيمة إلى ملليمتر زئبق يعطينا حوالي ‪758‬‏ ملليمتر زئبق. وارتفاع الزئبق في هذا المثال يساوي ‪0.760‬‏ متر أو ‪760‬‏ ملليمترًا. لكن نظرًا لتقريبنا الإجابة النهائية هنا لأقرب ثلاثة أرقام معنوية؛ حيث قربنا قيمة الضغط المقيس بالكيلو‪ ‬‏باسكال، فإن قيمة ‪758‬‏ ملليمتر زئبق بعد التقريب أقل قليلًا من قيمة ‪760‬‏ ملليمتر زئبق التي حصلنا عليها في التجربة.

توجد وحدة قياس ضغط أخرى، وهي البار. البار الواحد يساوي ‪100‬‏ كيلو‪ ‬‏باسكال. وبذلك، ‪101‬‏ كيلو‪ ‬‏باسكال يساوي ‪1.01‬‏ بار. وحدة قياس الضغط الأخيرة التي سنتناولها هي التور، التي أطلق عليها هذا الاسم نسبة إلى «تورشيللي»، ولها نفس معامل تحويل الملليمتر زئبق إلى الكيلو‪ ‬‏باسكال، ما يعني أن الكيلو‪ ‬‏باسكال الواحد يساوي ‪7.50‬‏ تور. وعندما يبلغ الضغط ‪101‬‏ كيلو‪ ‬‏باسكال، سيساوي ‪758‬‏ بوحدة التور. والآن بعد أن تعلمنا كيفية قياس الضغط الجوي من ارتفاع عمود الزئبق السائل، وكذلك كيفية التحويل بين وحدات الكيلو‪ ‬‏باسكال والملليمتر زئبق، والكيلو‪ ‬‏باسكال والبار، والكيلو‪ ‬‏باسكال والتور كذلك، دعونا نطبق ما فهمناه على بعض نماذج الأسئلة.

الجهاز الموضح بالشكل يستخدم لقياس الضغط الجوي. أي من الآتي يشغل المنطقة ‪A‬‏ من أنبوب الاختبار؟ (أ) الهواء، (ب) بخار الزئبق، (ج) الزجاج، (د) الفراغ.

الجهاز الموجود في الشكل هو المستخدم في تجربة «تورشيللي»، وهو ما نطلق عليه اليوم اسم البارومتر. يحتوي هذا الجهاز على طبق في الأسفل مملوء بالزئبق ومفتوح بحيث يؤثر الضغط الجوي على الزئبق، بالإضافة إلى أنبوب اختبار موضوع في الوسط ومملوء أيضًا بالزئبق. عند وضع أنبوب الاختبار في الطبق في البداية، يمتلئ بالزئبق حتى آخره. وبعد ذلك يتدفق الزئبق من الأنبوب إلى الطبق الموجود بالأسفل، تاركًا الفراغ الذي نراه في الشكل بين قمة عمود الزئبق وأنبوب الاختبار. نظرًا لأن أنبوب الاختبار كان ممتلئًا من قبل والآن لم يعد كذلك، فهذا يعني أن هناك فراغًا متبقيًا في هذه المساحة، ما يقودنا إلى اختيار الإجابة (د). الفراغ هو ما يشغل المنطقة ‪A‬‏ من أنبوب الاختبار.

يستخدم الجهاز الموضح في الشكل لقياس الضغط الجوي. في أي حالة يكون الجهاز عند أعلى ارتفاع فوق مستوى سطح البحر؟ (أ) واحد، (ب) اثنان، (ج) ثلاثة، (د) لا يوجد فرق في ارتفاع الجهاز فوق مستوى سطح البحر في الحالات الثلاث.

في هذا الشكل لدينا جهاز في ثلاث حالات نشير إليها بالأعداد واحد واثنين وثلاثة، وهو في كل حالة مملوء بالزئبق السائل. وفي كل حالة، يوجد طبق في الأسفل مملوء بالزئبق، وأنبوب اختبار مملوء بالزئبق أيضًا ومقلوب داخل الطبق. لتحديد أي الحالات يقع فيها الجهاز عند أعلى ارتفاع فوق مستوى سطح البحر، دعونا نناقش كيفية عمل هذا الجهاز. في كل حالة من الحالات الثلاث، يضغط الغلاف الجوي على الزئبق السائل في الطبق، كما هو موضح بالأسهم الزرقاء في الشكل. وبناء على مقدار ارتفاع الضغط الجوي، سنحدد مقدار ارتفاع الزئبق في العمود.

الضغط الجوي يساوي ضغط عمود الزئبق السائل، ‪𝑃‬‏. وضغط عمود الزئبق السائل ‪𝑃‬‏ يساوي ‪𝜌‬‏، وهي كثافة الزئبق السائل، في ‪𝑔‬‏، وهي عجلة الجاذبية، في ‪ℎ‬‏، وهو ارتفاع عمود الزئبق السائل في الأنبوب. توضح هذه المعادلة أنه في حالة زيادة الضغط الجوي أو زيادة ضغط عمود الزئبق السائل، سيزيد أيضًا ارتفاع عمود الزئبق السائل. لكن كيف يساعدنا ذلك في تحديد أي من الحالات يقع فيها الجهاز عند أعلى ارتفاع فوق مستوى سطح البحر؟

حسنًا، كلما ارتفعنا عن مستوى سطح البحر، ينخفض الضغط الناتج عن الغلاف الجوي. وذلك لأن كمية الهواء في الغلاف الجوي التي تضغطنا لأسفل ستكون أقل. لذا إذا كنا عند أعلى ارتفاع فوق مستوى سطح البحر، فهذا يعني أن الضغط الجوي الذي يؤثر على الجهاز سيكون أقل ما يمكن. ما نبحث عنه إذن هو الحالة التي تتضمن أقل ارتفاع للزئبق داخل أنبوب الاختبار. وعند مقارنة ارتفاع الزئبق السائل في كل أنبوب، نرى أنه في الحالة رقم ثلاثة يصل الزئبق إلى أقل ارتفاع. وهذا يعني أن الحالة التي يكون فيها الجهاز عند أعلى ارتفاع فوق مستوى سطح البحر هي الخيار (ج)، أي الحالة رقم ثلاثة.

يستخدم الجهاز الموضح في الشكل لقياس الضغط الجوي. أوجد الضغط المؤثر لأعلى على عمود الزئبق. استخدم القيمة ‪13595‬‏ كيلوجرامًا لكل متر مكعب لكثافة الزئبق.

في هذا الشكل، لدينا جهاز مملوء بالزئبق السائل. ويحتوي هذا الجهاز على أنبوب اختبار مملوء بالزئبق، وكذلك على طبق مملوء بالزئبق. الطبق مفتوح بحيث يؤثر الضغط الجوي على الزئبق السائل كما هو موضح بالأسهم الزرقاء. وهذا الضغط الجوي هو مصدر الضغط المؤثر لأعلى على عمود الزئبق داخل أنبوب الاختبار.

كيف نوجد قيمة هذا الضغط؟ حسنًا، نعلم أن الضغط الجوي يساوي ضغط عمود الزئبق السائل الموجود داخل أنبوب الاختبار. ونعرف كذلك أن الضغط في أي مائع ‪𝑃‬‏ يساوي كثافة المائع ‪𝜌‬‏ في عجلة الجاذبية ‪𝑔‬‏ في ارتفاع المائع ‪ℎ‬‏. لذا إذا حسبنا ضغط عمود الزئبق السائل بناء على كثافة الزئبق وعجلة الجاذبية وارتفاع العمود، فسنعرف قيمة الضغط الجوي.

ضغط عمود الزئبق السائل يساوي كثافة الزئبق، وهي ‪13595‬‏ كيلوجرامًا لكل متر مكعب، مضروبة في عجلة الجاذبية، وهي ‪9.81‬‏ أمتار لكل ثانية تربيع، مضروبة في ارتفاع الزئبق السائل، وهو ‪0.760‬‏ متر. عندما نضرب هذه القيم الثلاث، نحصل على ضغط يساوي ‪101358.88‬‏ باسكال.

وبالنظر إلى القيم التي لدينا، يمكننا أن نرى أن عجلة الجاذبية وارتفاع عمود السائل مقربان لأقرب ثلاثة أرقام معنوية. ومن ثم علينا تقريب إجابتنا لأقرب ثلاثة أرقام معنوية، وهو ما يعني تقريب الضغط إلى ‪101000‬‏ باسكال. عند التعامل مع مثل هذه الأعداد الكبيرة، نستخدم عادة بادئة لتسهيل التعامل معها. في هذه الحالة، يمكننا استخدام البادئة «كيلو» التي تعني ‪1000‬‏. فالكيلو‪ ‬‏باسكال يساوي ‪1000‬‏ باسكال. إذن ‪101000‬‏ باسكال يساوي ‪101‬‏ كيلو‪ ‬‏باسكال. وبذلك فإن إجابتنا النهائية بخصوص الضغط المؤثر لأعلى على عمود الزئبق هي ‪101‬‏ كيلو‪ ‬‏باسكال.

النقاط الرئيسية

يمكن استخدام عمود من الزئبق لقياس الضغط الجوي. وحدة الضغط الجوي تساوي ‪101‬‏ كيلو‪ ‬‏باسكال. ‏‏‪7.50‬‏ ملليمترات زئبق يساوي كيلو‪ ‬‏باسكال واحدًا. البار يساوي ‪100‬‏ كيلو‪ ‬‏باسكال. ‏‏‪7.50‬‏ تور يساوي كيلو‪ ‬‏باسكال واحدًا.