الفرق بين الضغط والإجهاد في علم الفيزياء - Pressure vs Stress

ما هي القوة في الفيزياء – Force؟

بدايةً يرتبط كل من الضغط والإجهاد بالقوة، تُعرَّف القوة في الفيزياء بأنّها فعل يؤدي إلى تغيير أو الحفاظ على الحركة التي يمتلكها الجسم أو الشيء، القوة الكمية هي متجه في الطبيعة نظرًا لوجود كل من المقدار والاتجاه، يمكن قول ذلك لأنّه عندما يتم تطبيق قوة على جسم ما، جنبًا إلى جنب مع حجم القوة، يصبح الاتجاه المعني الذي يتم تطبيق القوة فيه مهمًا أيضًا، القوى الأساسية المختلفة في الطبيعة هي القوة الدافعة الكهربائية، القوة النووية، قوة الجاذبية، وغيرها.

تعريف الضغط – Pressure:

عندما نطبق قدرًا من القوة على جسم ما، فإنّ الإجراء الذي سيحدث لا يعتمد فقط على مقدار القوة ولكن الضغط الذي يتم توفير القوة به له نفس الأهمية، الآن يجب أن تفكر لماذا يتم إعطاء الضغط أهمية كبيرة؟ وذلك لأنّ الضغط يتعلق بمساحة السطح عند تطبيق القوة المتعامدة عليه.

لنفترض أنّ لدينا قضيبًا معدنيًا ومسمارًا حديديًا، وكلاهما بحاجة إلى طرقهما على جدار مجاور لبعضهما البعض، ما الذي تعتقد أنّه سيتم إدراجه بسهولة داخل الحائط؟ من الواضح أنّه مسمار، هذا لأنّه على الرغم من أنّ حجم القوة المطبقة هو معلمة حاسمة، إلا أنّ المنطقة التي يجب أن تتركز فيها القوة لا تقل أهمية.

عندما يتم النظر في القضيب المعدني، سيتم توزيع القوة المطبقة على مساحة سطح كبيرة نسبيًا مقارنة بنفس حجم القوة المطبقة عند النظر في المسمار هذا لأنّه في حالة المسمار، تتركز القوة المطبقة على منطقة أصغر نسبيًا، وبالتالي، يُعطى الضغط بنسبة القوة المطبقة إلى وحدة مساحة السطح بالمعادلة كالتالي:

P = F/A

ووحدتها “باسكال” (Pascal).

تعريف الإجهاد – Stress:

عندما يتم تطبيق قدر من القوة على جسم ما، فمن المؤكد أنّه بسبب القوة المطبقة عليه، سيواجه الجسم تشوهًا، يمكن أن يكون هذا التشوه طفيفًا أو كبيرًا اعتمادًا على خصائص المادة وحجم القوة المطبقة عليه، يقال أنّ هذه القوة هي قوة مشوهة (deforming force)، ولكن عندما يتم تطبيق هذه القوة المشوهة على جسم ما، فإن الجسم يمتلك أيضًا نوعًا من قوة الاستعادة للتعامل مع القوة المشوهة.

تُعرف قوة الاستعادة المتولدة في منطقة الوحدة استجابةً لقوة التشوه المطبقة باسم “الإجهاد” (stress)، قوة الاستعادة هذه لها نفس حجم قوة التشوه ولكن في الاتجاه المعاكس، وبالتالي، يتم التعبير عن الإجهاد أيضًا من خلال نسبة القوة والمساحة، ومن ثمّ فإنّ وحدة القياس هي “باسكال” (Pascal).

الفرق بين الضغط والإجهاد:

يرتبط كل من الضغط والإجهاد بالقوة كما ذكرنا سابقًا، يتمثل الاختلاف الجوهري بين الضغط والإجهاد في أنّ الضغط مرتبط بالقوة الخاضعة خارجيًا لجسم أو جسم لكل وحدة مساحة، في مقابل ذلك، يُعنى الإجهاد بقوة استعادة لكل وحدة مساحة ضد التشوه الذي ينتج داخل الجسم عند تطبيق قوة خارجية عليه.

جدول المقارنة بين الضغط والإجهاد:

الاختلافات الرئيسية بين الضغط والإجهاد:

• العامل الرئيسي للتمييز بين الضغط والإجهاد موجود في المنطقة التي يحدث فيها عمل القوة، يتعلق الضغط بتطبيق قوة خارجية على منطقة وحدة من الجسم، على العكس من ذلك، يتم إنشاء الإجهاد داخليًا كقوة استعادة بسبب القوة الخارجية المطبقة.

• يتم تمثيل الضغط والإجهاد رمزياً بواسطة (p) و (σ) على التوالي.

• في حالة الضغط، يُلاحظ أنّ حجمه عند نقطة يتم فيها تطبيق القوة هو نفسه بالنسبة لجميع الاتجاهات، وبالتالي يُقال إنّه عدد قياسي في الطبيعة، بينما بالنسبة للإجهاد، يختلف الحجم باختلاف الاتجاهات عند نقطة التطبيق وبالتالي يكون متجهًا.

• يتم تطبيق الضغط بشكل طبيعي على السطح وبالتالي يكون ضغطًا بطبيعته، في حين أنّ الإجهاد هو كمية تعمل إمّا بشكل طبيعي أو موازي للسطح، وبالتالي فهي تمتلك سلوكًا يمثل شدًا وضغطًا.

• يعتبر الضغط خاصية أساسية للفيزياء ولكن الضغط هو خاصية للمادة التي ينتج فيها.

• توجد أجهزة قياس ضغط يمكن بواسطتها قياس القوة المطبقة على وحدة مساحة مثل مقياس الضغط (pressure gauge)، في مقابل ذلك، لا يوجد مثل هذا الجهاز الذي يمكن من خلاله قياس الإجهاد.