الضغط الجوي: القيمة الطبيعية ، وكيفية قياسها ، والأمثلة - جسدي - بدني - 2025

و الضغط الجوي يسببه الوزن من الغازات التي يتألف منها الغلاف الجوي فوق الأرض. تشير التقديرات إلى أن كتلة الغلاف الجوي تبلغ حوالي 5 × 10 ¹⁸ كجم وجميع الكائنات الحية تخضع للضغط الذي تمارسه هذه الكتلة.

كان أول من قام بقياس ذلك هو العالم الإيطالي إيفانجليستا توريشيلي (1608-1647). أجرى تجربة بسيطة ولكنها بارعة للغاية في عام 1644: ملأ بالكامل أنبوبًا زجاجيًا مغلقًا من أحد طرفيه بالزئبق ، وقلبه ، وصبه في وعاء يحتوي أيضًا على الزئبق.

الشكل 1. مقياس اللاسائلية لقياس الضغط الجوي ، على عكس مقياس الزئبق ، لا يحتوي على سائل. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

لاحظ توريشيلي أن الأنبوب لم يفرغ تمامًا ، ولكنه كان مليئًا بالزئبق حتى ارتفاع 76 سم. متفاجئًا ، أجرى العديد من الاختبارات بأنابيب مختلفة الشكل ، وحصل دائمًا على نفس النتيجة.

بهذه الطريقة ، أدرك توريشيلي أن الضغط الجوي يرتفع وأبقى عمود الزئبق داخل الأنبوب على ارتفاع 760 ملم. بهذه الطريقة يتم تحديد متوسط ​​قيمة الضغط الجوي.

نظرًا لتعريف الضغط على أنه القوة لكل وحدة مساحة ، فإن وحدات الضغط الجوي في النظام الدولي هي نيوتن / متر أو باسكال ، والتي يتم اختصارها Pa. لذلك في هذا النظام ، يكون للضغط الجوي P _atm قيمة:

هذه هي القيمة الطبيعية للضغط الجوي عند 0 درجة مئوية وعند مستوى سطح البحر.

الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر وتغيرات أخرى

من الناحية النظرية ، تكون القيمة القصوى للضغط الجوي عند مستوى سطح البحر فقط. على الرغم من وجود الكثير من التباين في هذا المستوى ، يحتاج الخبراء إلى وضع نظام مرجعي لمساعدتهم على تحديد قيمته.

فيما يلي العوامل الرئيسية التي تؤثر على قيمة الضغط الجوي في مكان معين على الأرض:

- الارتفاع: لكل 10 أمتار ارتفاع ينخفض ​​الضغط بمقدار 1 ملم زئبق. ولكن يحدث أيضًا أن كثافة الغاز الذي يتكون منه الغلاف الجوي ليست ثابتة. من حيث المبدأ ، كلما زاد الارتفاع ، تقل كثافة الهواء.

الشكل 2. مقياس الارتفاع ، جهاز يقيس الارتفاع فوق مستوى سطح البحر بناءً على تغيرات الضغط. المصدر: Pixabay.

- درجة الحرارة: من الواضح أنه كلما ارتفعت درجة الحرارة تنخفض الكثافة ويقل وزن الهواء ، وبالتالي تنخفض قيمة الضغط.

- خط العرض: الضغط الجوي أقل عند خطوط العرض الاستوائية ، لأن الأرض ليست كرة مثالية. يقع الساحل عند خط الاستواء على مسافة أبعد من مركز الأرض عن القطبين وهناك كثافة الهواء أقل أيضًا.

- القارة: كلما تحركت نحو المناطق الداخلية للقارات ، زاد الضغط الجوي ، بينما في الأماكن الساحلية ، يكون الضغط أقل.

تغير الضغط الجوي مع الارتفاع

معادلة الارتفاع التي تربط الضغط الجوي P لمكان مع ارتفاعه z فوق مستوى سطح البحر ، لها هذا الشكل:

هنا P _o هو الضغط الحالي عند الارتفاع الأولي أو المرجعي ، والذي يؤخذ عادة عند مستوى سطح البحر ، _أو كثافة الهواء عند مستوى سطح البحر و g قيمة تسارع الجاذبية. في وقت لاحق في قسم التمارين التي تم حلها ، يوجد الخصم خطوة بخطوة.

كيف يتم قياس الضغط الجوي؟

يقاس الضغط الجوي بواسطة البارومتر. أبسطها مثل تلك التي بنيت توريتشيللي ، على أساس الزئبق. لا يغير ميل الأنبوب أو القطر ارتفاع عمود الزئبق ، ما لم تكن العوامل المناخية مسؤولة عن القيام بذلك.

على سبيل المثال ، تتكون السحب في مناطق الضغط المنخفض. لذلك عندما تنخفض قراءة البارومتر ، فهذه علامة على أن الطقس السيئ قادم.

في الواقع ، يمكن أيضًا استخدام سوائل أخرى بدلاً من الزئبق ، على سبيل المثال يمكن صنع مقياس ضغط المياه. المشكلة هي أن حجم العمود هو 10.33 م ، وهو أمر غير عملي للغاية ليتم نقله.

هناك أيضًا أدوات تقيس الضغط ميكانيكيًا - من خلال التشوهات في الأنابيب أو اللوالب -: مقاييس الضغط اللاسائلي ومقاييس الضغط. يمكنهم قياس فرق الضغط بين نقطتين أو قياس الضغط بأخذ الضغط الجوي كمرجع.

وحدات الضغط

تُستخدم قيمة الضغط العادي لتحديد وحدة ضغط جديدة: الغلاف الجوي ، اختصار atm. الضغط الجوي - 1 ضغط جوي. بهذه الطريقة يمكن التعبير عن ضغوط أخرى من حيث الضغط الجوي ، وهي قيمة مألوفة جدًا للجميع:

يوضح الجدول التالي الوحدات الأكثر استخدامًا في العلوم والهندسة لقياس الضغط وما يعادله بالباسكال:

وحدة	المعادلة في باسكال
N / م 2	واحد
ماكينة الصراف الآلي	101355
ملم زئبق	133.3
رطل / في 2	6894.76
حانة	1 × 10 5

الضغط الهيدروستاتيكي والمطلق والضغط المقياس

يعمل الضغط الجوي على السطح الحر للسائل في حالة توازن ثابت ومفتوح على الغلاف الجوي. لكن في النقاط الداخلية للسائل ، بالطبع يعمل وزن عمود السائل.

يعتمد وزن العمود على ارتفاعه وكثافة السائل ، والتي سنفترض أنها ثابتة ، وكذلك درجة الحرارة. في هذه الحالة يكون الضغط P هو:

هذا هو الضغط الهيدروستاتيكي في أي نقطة داخل مائع بكثافة ثابتة ويتناسب طرديًا مع عمق z للسائل.

فيما يتعلق بالضغط المطلق P _abs في سائل عند الراحة ، يتم تعريفه على أنه مجموع الضغط الجوي P _atm والضغط الهيدروستاتيكي P:

أخيرًا ، مقياس الضغط P _man في سائل عند السكون هو الفرق بين الضغط المطلق والضغط الجوي وفي هذه الحالة يعادل قياس الضغط الهيدروستاتيكي:

أمثلة

القوة التي يمارسها الغلاف الجوي على الجسم

يمكن تقدير حجم القوة الكلية التي يمارسها الغلاف الجوي على جسم الإنسان. لنفترض أن مساحة سطح الجسم 2 م ^{2 تقريبًا} ، نظرًا لأن الضغط يُعرَّف بأنه القوة لكل وحدة مساحة ، يمكننا إيجاد القوة وحسابها:

في هذا الحساب سوف نستخدم القيمة الطبيعية للضغط الجوي التي تم تحديدها في البداية:

هذه النتيجة تعادل أكثر أو أقل من 20 طنًا من القوة ، لكنها لا تمثل مشكلة للكائنات الحية التي تعيش على سطح الأرض ، والتي تتكيف مع هذا ، تمامًا مثل الأسماك في البحر.

على الرغم من أنها قوة كبيرة. كيف لا ننهار قبل ذلك؟

حسنًا ، الضغط داخل الجسم يساوي الضغط الخارجي. نحن لا ننهار لأن القوة الداخلية متوازنة بقوة خارجية أخرى. لكن بعض الناس يتأثرون بالارتفاع ويمكن أن ينزف من الأنف عند تسلق الجبال الشاهقة. هذا بسبب اختلال التوازن بين ضغط الدم والضغط الجوي.

ارتشف المشروبات باستخدام ماصة أو ماصة

يجعل الضغط الجوي من الممكن شرب الصودا بالقش أو القش. اكتشف السومريون والثقافات القديمة الأخرى أنه يمكنهم شرب البيرة باستخدام سيقان النباتات المجوفة أو القصب كقش.

بعد ذلك بوقت طويل ، في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين ، تم تسجيل براءة اختراع نماذج مختلفة من القش في الولايات المتحدة ، بما في ذلك تلك التي تحتوي على كوع على شكل أكورديون ، وتستخدم على نطاق واسع اليوم.

الشكل 3. الضغط الجوي يسمح لك بالرشفة بقشة. المصدر: Pixabay.

هذه هي طريقة عملها: عندما يتم امتصاص السائل من خلال القش ، ينخفض ​​الضغط فوق السائل في القش ، مما يتسبب في الضغط أدناه ، وهو أعلى ، لدفع السائل لأعلى لسهولة الشرب.

لهذا السبب ، بعد قلع الأسنان أو جراحة الأسنان ، لا ينصح بشرب السوائل بهذه الطريقة ، حيث أن انخفاض الضغط يمكن أن يؤدي إلى فتح الجرح وبدء النزيف.

تمارين

- التمرين 1

اشتق معادلة الارتفاع P (z):

-Po هو الضغط عند المستوى المرجعي (مستوى سطح البحر)

-z هو الارتفاع

-ρ _س هو كثافة السائل عند مستوى سطح البحر

-g هي قيمة تسارع الجاذبية

المحلول

أولاً ، دع dp ضغطًا تفاضليًا ، والذي يتم التعبير عنه وفقًا للمعادلة الأساسية للهيدروستاتيكا على النحو التالي:

تأخذ علامة الطرح في الاعتبار حقيقة أن الضغط يتناقص بزيادة z. يُفترض أيضًا أن الهواء غاز مثالي ، لذلك يرتبط الضغط والكثافة من خلال:

يتم استبدال الكثافة فورًا للحصول على:

الآن ، تفترض كتابة الضغط بهذه الطريقة أن الغلاف الجوي مقسم إلى طبقات بارتفاع dz ، شيء مثل كومة من الفطائر ، كل منها بضغط dp. بهذه الطريقة ، يتم الحصول على معادلة تفاضلية يتم حلها عن طريق فصل المتغيرين p و z:

ثم يتم دمجها على كلا الجانبين ، وهو ما يعادل إضافة مساهمات الضغط التي تحدثها كل طبقة. في التكامل الموجود على اليسار ، يتكون من ضغط P _أو ضغط أولي إلى ضغط نهائي P. بالطريقة نفسها ، يتم حساب التكامل الموجود على اليمين من z _o إلى z:

ما يلي هو إيجاد P باستخدام الأسي:

أخيرًا ، إذا تم الحفاظ على ثبات كل من T و g ، ρ _o = (M / RT) P _o ، ثم M / RT = ρ _o / P _{o ،} ويمكننا أيضًا جعل z _o = 0. وضع كل هذا معًا:

- تمرين 2

ما هي قيمة الضغط الجوي في لاباز ، بوليفيا الواقعة على ارتفاع 3640 مترًا فوق مستوى سطح البحر؟ خذ متوسط ​​كثافة الهواء على أنه 1225 كجم / م ³ عند مستوى سطح البحر.

المحلول

ببساطة استبدل القيم العددية الواردة في معادلة قياس الارتفاع:

في الختام ، إنه يمثل حوالي 66٪ من الضغط الطبيعي.

المراجع

1. فيغيروا ، د. (2005). السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. المجلد 5. السوائل والديناميكا الحرارية. حرره دوغلاس فيغيروا (USB).
2. كيركباتريك ، ل. 2007. الفيزياء: نظرة على العالم. الطبعة السادسة المختصرة. سينجاج ليرنينج.
3. الجو القياسي. تم الاسترجاع من: av8n.com
4. جامعة اشبيلية. اختلاف الضغط الجوي. تم الاسترجاع من: laplace.us.es.
5. ويكيبيديا. معادلة ضغط الدم. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.
6. ويكيبيديا. الضغط الجوي. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.