۱ حالتهای ماده
مواد در طبیعت در چهار حالت اصلی وجود دارند: جامد، مایع، گاز و پلاسما. هر کدام از این حالتها ویژگیهای خاص خود را دارند.
ویژگیها:
- مولکولها در جای خود ثابت هستند
- فاصله مولکولی بسیار کم (حدود ۱ آنگستروم)
- نیروی بین مولکولی قوی
- شکل و حجم معین
- تراکمناپذیر
ویژگیها:
- مولکولها میلغزند و جابهجا میشوند
- فاصله مولکولی کمی بیشتر از جامد
- نیروی بین مولکولی متوسط
- شکل ظرف را میگیرد، حجم معین دارد
- تقریباً تراکمناپذیر
ویژگیها:
- مولکولها آزادانه حرکت میکنند
- فاصله مولکولی زیاد
- نیروی بین مولکولی ناچیز
- شکل و حجم معین ندارد
- تمام حجم ظرف را اشغال میکند
- تراکمپذیر
حالت چهارم ماده: پلاسما
پلاسما حالتی از ماده است که در دمای بسیار بالا تشکیل میشود. در این حالت، الکترونها از اتمها جدا شده و مجموعهای از ذرات باردار (یونهای مثبت و الکترونها) ایجاد میشود.
نمونهها: شعله آتش، درون ستارهها، گاز داخل لامپ نئون، چاقوی پلاسما
نکته مهم
مهمترین تفاوت بین حالتهای مختلف ماده در میزان فاصله بین مولکولها و نیروی بین مولکولی است. در جامدات این فاصله کم و نیرو زیاد، در مایعات متوسط و در گازها فاصله زیاد و نیرو ناچیز است.
۲ چگالی
چگالی یکی از ویژگیهای فیزیکی مهم مواد است که در تمام حالتهای ماده (جامد، مایع، گاز) تعریف میشود.
که در آن:
- ρ (رو) = چگالی ماده (کیلوگرم بر متر مکعب)
- m = جرم ماده (کیلوگرم)
- V = حجم ماده (متر مکعب)
چگالی نسبی
نسبت چگالی یک جسم به چگالی جسم دیگر را چگالی نسبی میگویند که کمیتی بدون یکا است.
قاعده شناوری
اجسامی که چگالی آنها از چگالی آب (۱۰۰۰ kg/m³) کمتر است، روی آب شناور میمانند. اگر چگالی جسم بیشتر از آب باشد، در آب غرق میشود.
جرم بتن مصرفی در یک ستون ۲.۵ مترمکعب، ۶۰۰۰ کیلوگرم است. چگالی بتن چقدر است؟
حل: ρ = m / V = ۶۰۰۰ kg / ۲.۵ m³ = ۲۴۰۰ kg/m³
۳ مفهوم فشار
فشار عبارت است از نیروی عمودی وارد بر واحد سطح. این مفهوم در زندگی روزمره کاربردهای زیادی دارد.
که در آن:
- P = فشار (پاسکال)
- F = نیروی عمودی (نیوتن)
- A = مساحت سطح (متر مربع)
فشار در مایعات
فشار در مایعات با افزایش عمق افزایش مییابد. این فشار ناشی از وزن ستون مایع بالای نقطه مورد نظر است.
که در آن:
- ρ = چگالی مایع (کیلوگرم بر متر مکعب)
- g = شتاب گرانش (۹.۸ m/s²)
- h = عمق نقطه از سطح آزاد مایع (متر)
فشار در عمق ۹ متری آب دریاچه چقدر است؟ (چگالی آب = ۱۰۰۰ kg/m³، g = ۱۰ N/kg)
حل: P = ρgh = ۱۰۰۰ × ۱۰ × ۹ = ۹۰۰۰۰ Pa = ۹۰ kPa
۴ فشار هوا
فشار هوا ناشی از وزن ستون هوای بالای سطح زمین است. این فشار در سطح دریا بیشترین مقدار را دارد و با افزایش ارتفاع کاهش مییابد.
مقادیر استاندارد فشار هوا در سطح دریا
اندازهگیری فشار هوا
فشار هوا با استفاده از بارومتر جیوهای اندازهگیری میشود. در آزمایش توریچلی، ارتفاع ستون جیوه در سطح دریا ۷۶ سانتیمتر است.
تأثیر ارتفاع بر فشار هوا
با افزایش ارتفاع از سطح دریا، فشار هوا کاهش مییابد. تقریباً به ازای هر ۱۰ متر افزایش ارتفاع، فشار هوا ۱ میلیمتر جیوه کاهش مییابد.
کاربرد در زندگی
کاهش فشار هوا در ارتفاعات بالا باعث میشود که کوهنوردان در ارتفاع بیش از ۵۰۰۰ متر نیاز به استفاده از کپسول اکسیژن داشته باشند. همچنین نفس کشیدن در ارتفاعات دشوارتر میشود.
۵ اصل پاسکال
اصل پاسکال بیان میکند که تغییر فشار در هر نقطه از شارهی محبوس، ساکن و تراکمناپذیر، بدون کاهش به تمام نقاط شاره و دیوارههای ظرف منتقل میشود.
کاربردهای اصل پاسکال
- بالابرهای هیدرولیکی: برای بلند کردن اجسام سنگین مانند خودروها
- ترمز خودروها: سیستم ترمز هیدرولیکی
- پرس هیدرولیکی: برای فشرده کردن مواد
- دستگاههای دندانپزشکی: صندلی دندانپزشکی
- جک هیدرولیکی: برای بلند کردن اجسام
در یک بالابر هیدرولیکی، نیروی ۲۰۰۰ نیوتن به پیستون کوچک با مساحت ۰.۰۱ m² وارد میشود. اگر مساحت پیستون بزرگ ۰.۱ m² باشد، نیروی تولید شده چقدر است؟
حل: F₁/A₁ = F₂/A₂ → ۲۰۰۰/۰.۰۱ = F₂/۰.۱ → F₂ = ۲۰۰۰۰ N
۶ اصل ارشمیدس
اصل ارشمیدس بیان میکند: هر جسمی که در شاره (مایع یا گاز) فرو رود، نیروی شناوری به اندازه وزن شاره جابهجا شده بر آن وارد میشود.
شرایط شناوری اجسام
وقتی نیروی شناوری برابر با وزن جسم باشد، جسم روی سطح شاره شناور میماند.
شرط: ρجسم < ρشاره
وقتی نیروی شناوری برابر با وزن جسم باشد، جسم در هر عمقی میتواند قرار گیرد.
شرط: ρجسم = ρشاره
وقتی نیروی شناوری کمتر از وزن جسم باشد، جسم در شاره غرق میشود.
شرط: ρجسم > ρشاره
جسمی به حجم ۰.۵ m³ و چگالی ۸۰۰ kg/m³ در آب (چگالی ۱۰۰۰ kg/m³) قرار دارد. نیروی شناوری چقدر است؟ آیا جسم شناور میماند؟
حل: Fشناوری = ρآب × V × g = ۱۰۰۰ × ۰.۵ × ۱۰ = ۵۰۰۰ N
وزن جسم = m × g = (ρجسم × V) × g = (۸۰۰ × ۰.۵) × ۱۰ = ۴۰۰۰ N
از آنجایی که نیروی شناوری (۵۰۰۰ N) بیشتر از وزن جسم (۴۰۰۰ N) است، جسم شناور میماند.
۷ مفاهیم کلیدی
فشار پیمانهای
اختلاف فشار با فشار محیط اطراف را فشار پیمانهای میگویند.
نانوفناوری
علم و فناوری کار با مواد در ابعاد نانومتری (۱-۱۰۰ نانومتر) که خواص فیزیکی و شیمیایی مواد در این ابعاد تغییر میکند.
جارو برقی
با ایجاد خلأ نسبی در اثر حرکت هوا توسط پرههای فن، ذرات ریز به سمت جارو کشیده میشوند.
کاربردهای عملی مفاهیم
- جاروبرقی: استفاده از اختلاف فشار برای جمعآوری ذرات
- فشارسنج: اندازهگیری فشار خون، فشار گازها
- بادکنک هلیومی: شناور شدن در هوا به دلیل چگالی کم هلیوم
- شناوری کشتیها: با طراحی مناسب، کشتیهای بزرگ روی آب شناور میمانند
۸ مثالهای مهم
شهرکرد با ارتفاع ۲۰۶۰ متری از سطح دریا، مرتفعترین مرکز استان ایران است. فشار هوا در این شهر چند سانتیمتر جیوه است؟ (فشار در سطح دریا = ۷۶ cmHg)
حل: به ازای هر ۱۰ متر افزایش ارتفاع، فشار ۱ mmHg کاهش مییابد.
۲۰۶۰ ÷ ۱۰ = ۲۰۶ mmHg کاهش = ۲۰.۶ cmHg کاهش
فشار در شهرکرد = ۷۶ - ۲۰.۶ = ۵۵.۴ cmHg
در سیستم ترمز خودرو، نیروی ۱۰۰ نیوتن توسط پای راننده به پیستون اصلی با قطر ۲ cm وارد میشود. اگر قطر پیستون چرخ ۴ cm باشد، نیروی ترمز چقدر است؟
حل:
A₁ = π(۰.۰۱)² = ۰.۰۰۰۳۱۴ m²
A₂ = π(۰.۰۲)² = ۰.۰۰۱۲۵۶ m²
F₁/A₁ = F₂/A₂ → ۱۰۰/۰.۰۰۰۳۱۴ = F₂/۰.۰۰۱۲۵۶ → F₂ ≈ ۴۰۰ N
چرا کشتیهای بزرگ فولادی با وجود چگالی زیاد فولاد (۷۹۰۰ kg/m³) روی آب شناور میمانند؟
پاسخ: کشتی به گونهای طراحی شده که حجم زیادی از آب را جابهجا میکند. نیروی شناوری ناشی از آب جابهجا شده برابر با وزن کشتی میشود. همچنین فضای خالی داخل کشتی باعث کاهش چگالی متوسط کشتی به کمتر از چگالی آب میشود.
جمعبندی پودمان
پودمان ۳ فیزیک دهم هنرستان به بررسی حالتهای ماده، چگالی و فشار میپردازد. این مفاهیم در زندگی روزمره و صنعت کاربردهای فراوانی دارند. درک این اصول برای طراحی سیستمهای هیدرولیکی، درک پدیدههای طبیعی و ساخت وسایل مختلف ضروری است.