شرح مبدأ باسكال
مبدأ باسكال، المعروف أيضا باسم قانون باسكال، ينطبق على الموائع للغازات أو السوائل، حيث يتحرك تغيير الضغط في قسم واحد من الموائع بدون فقدان لأي جزء من الموائع في جدران الحاوية، ووضع هذا القانون لأول مرة من قبل عالم الميكانيكا الفرنسي بليز باسكال، لذلك يطلق عليه اسمه.
الضغط يعادل القوة المقسومة على المساحة التي يتحرك فيها. ووفقا لمبدأ باسكال في النظام الهيدروليكي، يؤدي الضغط المفروض على المكبس إلى زيادة الضغط على مكبس آخر في النظام. عندما تكون مساحة المكبس الثاني 10 أضعاف مساحة المكبس الأول، فإن القوة المؤثرة على المكبس الثاني تكون 10 مرات أكبر. وعلى الرغم من أن الضغط هو نفسه على المكبس الأول، يتم تمثيل هذا التأثير عن طريق المكبس الهيدروليكي وفقا لمبدأ باسكال. يتم استخدام هذا المبدأ في تطبيقات مثل الفرامل الهيدروليكية.
أدرك باسكال أيضًا أن الضغط في نقطة ما داخل السائل عند الاستقرار هو نفسه في جميع الاتجاهات، وسيكون الضغط متساويًا على جميع الأجسام التي تمر عبر نفس النقطة، ويُعرف هذا الحقيقة أيضًا باسم مبدأ باسكال أو قانون باسكال.
قانون باسكال في الرياضيات
تم صدور هذا القانون في عام 1684 من قبل عالم رياضيات وفيزيائي وفيلسوف فرنسي مشهور يدعى بليز باسكال. صيغ هذا القانون لأول مرة في عام 1647، ويفسر أن الضغط الموجود في سائل ثابت يكون متساويا في جميع الاتجاهات عند تطبيق ضغط خارجي على أي جزء من السائل الموجود في وعاء. ينتقل الضغط بشكل متساو ومتوازن في جميع الاتجاهات. تعتمد آلات الطاقة الهيدروليكية على هذا القانون، حيث تمثل P الضغط و F القوة و A منطقة السطح.
تنص قاعدة باسكال على أنه عندما يتم ضغط السوائل في حاوية مرنة تكون مقاومة للتسرب بحيث لا تتسرب إلى الخارج، فإن السوائل ستنقل بنفس الضغط في جميع الاتجاهات داخل الحاوية بنفس المعدل. تستخدم الأنظمة الهيدروليكية سائلا غير قابل للضغط، مثل الزيت أو الماء، لنقل القوة المطبقة بالسائل من موقع إلى آخر. تستخدم معظم طائرات مكونات هيدروليكية في أنظمة الكبح ومعدات الهبوط، بينما تستخدم الأنظمة الهوائية سوائل قابلة للانضغاط مثل الهواء لتشغيلها. كما تستخدم بعض الطائرات أنظمة تعمل بالهواء المضغوط للمكابح ومعدات الهبوط، بالإضافة إلى حركة رفرف الجناح.
لماذا لا ينطبق مبدأ باسكال على الغازات
انتقال القوة مباشرة فيما بين جزيئات السوائل كما هو معروف عليه في قانون باسكال، إلا أن هذا لا يتم على الغازات، إذ تساعد كثافة الغاز والتسارع في الخارج للجزيئاته في حدوث تغييرات في الضغط داخل النظام، وهذا لأنها مؤثرة على تصادم الجزيئات مع جدران الإناء الذي يشتمل على الغاز وليس نتيجة حدوث القوة بين جزيئاته، لهذا لا يطبق قانون باسكال على حالة الغازات بدقة.
تطبيقات قانون باسكال
التطبيقات والأمثلة التالية لا تتبع مبدأ باسكال وهي تستخدم في الحياة اليومية بشكل متكرر دون معرفة حقيقة عملها وأساس تشغيلها
- المصعد الهيدروليكي: قانون باسكال هو المبدأ الأساسي لعمل المصعد الهيدروليكي، حيث يستند إلى مبدأ انتقال الضغط المتساوي عبر السائل وفقا لقانون باسكال. في هذا النظام، يكون هناك اسطوانة ضيقة تتصل بأسطوانة أوسع، وتزود الأسطوانة الأوسع بالسوائل التي لا يمكن ضغطها من الجانبين بواسطة مكابس محكمة الإغلاق. ينتقل الضغط المطبق على المكبس الأول بالتساوي إلى المكبس الثاني دون خفض استخدام السائل غير القابل للضغط. وبالتالي، يعمل المكبس الثاني بشكل فعال كأداة لرفع الأشياء الثقيلة مثل الآلات الكبيرة أو المركبات. بعض التطبيقات الأخرى لهذا المبدأ تشمل الرافعة الهيدروليكية والمكبس الهيدروليكي، ويتم استخدام التضخيم القسري في نظام الكبح في معظم السيارات .
- الرافعة الهيدروليكية: الرافعات الهيدروليكية، التي تأتي تحت فئة الحاوية المقفلة، تعتمد على مبدأ قانون باسكال لرفع الأجسام الثقيلة، وتتكون من اسطوانتين، واحدة كبيرة والأخرى صغيرة، ويتم ربط الاسطوانتين معا، وعند الضغط على المقبض لأسفل، يتم إغلاق الصمام ويتم دفع المكبس الصغير السائل من خلال الصمام الآخر إلى الأسطوانة الأكبر، وبعد ذلك ينتج عنه قوة شديدة تنتقل إلى الحمولة، وبالتالي، يمكن القول إنه عند تطبيق القوة يتم عمل ضغط في كل أنحاء حجم الأسطوانة وسطحها.
- الفرامل الهيدروليكية: من أكثر الأمثلة شهرة لقانون باسكال هو نظام الكبح الهيدروليكي في السيارات، حيث يدخل مبدأ قانون باسكال حيز العمل في كل مرة يتوقف فيها السيارة. يتألف نظام الفرامل في السيارات من عدة مكونات، وعند ضغط دواسة الفرامل يتحرك المكبس والقضيب في الأسطوانة الأساسية ويتم استخدام سائل الفرامل أو السائل الهيدروليكي الذي يتم حفظه في الحاوية. ينتقل الضغط من دواسة الفرامل إلى عجلات السيارة لمقابلة أقراص الفرامل أو براميل الفرامل، وتؤدي القوة المتولدة بين مكونات القوة إلى وقف السيارة. تستخدم الفرامل الهيدروليكية في السيارات والدراجات النارية والشاحنات.
- المضخات الهيدروليكية: يتم تبسيط حركة السوائل عن طريق المضخات الهيدروليكية التي تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة هيدروليكية، ويساهم قانون باسكال للمرة الثانية في دور المضخات الهيدروليكية في صرف السوائل. وتتألف المضخات من أسطوانة صغيرة متصلة بأسطوانة كبيرة، وكلاهما يحتوي على زيت، ويتم الضغط على الزيت من خلال الهواء المضغوط الذي يدخل الأسطوانة الصغيرة، ويتحرك الضغط عبر الزيت إلى الأسطوانة الكبيرة، ويستخدم هذا الضغط لضخ السوائل ورفع السيارات، ويستخدم المضخات الهيدروليكية بشكل واسع في تصنيع السيارات.
- النظام الهيدروليكي للطائرات: يسهم نظام الطاقة الهيدروليكي في إدارة اللوحات والمعدات الخاصة بالهبوط والتحكم في الطائرات، بالإضافة إلى تقليل سرعة الطائرات على المدرجات. يتألف النظام الهيدروليكي للطائرة من ثلاثة مكونات رئيسية ميكانيكية وسوائل هيدروليكية، والتي تنقل كميات كبيرة من القوة بكميات صغيرة من السائل الهيدروليكي. يمكن للسائل الهيدروليكي الذي يلامس الأسطوانات أو المكابس عند ضغط متنوع القوة، ضخ الزيت الذي يكون عند ضغط أعلى نسبيا إلى جانبي رأس المكبس. يساهم الصمام المحدد في التحكم في اتجاه حركة السائل.
كيفية تجربة قانون باسكال بالمنزل
المواد المطلوبة:
- أعواد الثقاب.
- زجاجة.
- بالون مطاطي.
- خيط مجدول.
الإجراء خطوة بخطوة
- يمكن تجهيز أعواد الثقاب بقطع رؤوسها وإزالة نهايات الذيل، وهي الأجزاء التي لا تحتوي على رأس قابل للاشتعال.
- تملأ الزجاجة حتى النهاية بالماء.
- يسقط رؤوس عود الثقاب داخل الزجاجة.
- يتم تغطية فم الزجاجة بإحكام باستخدام بالون فوق الفتحة.
- يتم الضغط بالإصبع على غشاء البالون الذي يغطي فم الزجاجة.
ملحوظة: يجب التأكد من ملائمة البالون المستخدم لإحكام فم الزجاجة المستخدمة في التجربة، ويمكن استخدام الخيوط لتثبيت البالون في فم الزجاجة إذا لزم الأمر.
النتيجة:
تتحرك رؤوس أعواد الثقاب لأسفل نتيجة للضغط الذي ينقل عبر الماء، عندما يتم الضغط بالإصبع لأسفل على البالون، تتغلغل كمية صغيرة من الماء في كل رأس مطابقة، مما يعطي وزنًا كافيًا يؤد لغرقها، عند رفع الإصبع، يتوفر ضغط هواء وافر في رؤوس أعواد الثقاب لإخراج الماء وجعل رؤوس أعواد الثقاب ترتفع مرة أخرى، ومن هنا تم إثبات قانون باسكال.