ما هو قانون باسكال - Pascal’s Law؟

ما هو قانون باسكال؟

تمّ اكتشاف “قانون باسكال” (Pascal’s Law) أو “مبدأ باسكال” (Pascal’s principle)، العمود الفقري لميكانيكا الموائع على مدى (350) عامًا من قبل عالم الرياضيات الفرنسي “بليز باسكال” (Blaise Pascal)، ينص على ما يلي:

“تغيير الضغط الذي يحدث في أي نقطة في سائل محصور سينتقل بالتساوي في جميع الاتجاهات”.

عندما تضغط على سائل مغلق، سيتم توزيعه بشكل متساوٍ غير منقوص، أي أنّ ضغط السائل الموجود في قاع الإناء سيكون مساويًا للضغط الموجود أعلى الإناء.

شرح قانون باسكال:

في عام (1653)، نشر الفيلسوف والعالم الفرنسي “بليز باسكال” أطروحته حول توازن السوائل، والتي ناقش فيها مبادئ السوائل الساكنة، السائل الساكن هو سائل غير متحرك، عندما لا يتدفق السائل، نقول إنّ السائل في حالة توازن ثابت، إذا كان السائل عبارة عن ماء، نقول إنّه في حالة “توازن هيدروستاتيكي”، بالنسبة للسائل في حالة توازن ثابت، يجب أن تكون القوة الكلية المؤثرة على أي جزء من السائل تساوي صفراً؛ وإلا فإنّ السائل سيبدأ في التدفق.

توفر ملاحظات باسكال التي أثبتت جدارتها تجريبياً الأساس للهيدروليكا، وهي واحدة من أهم التطورات في التكنولوجيا الميكانيكية الحديثة، لاحظ باسكال أنّ التغير في الضغط المطبق على سائل مغلق ينتقل دون تناقص في جميع أنحاء السائل وإلى جدران الحاوية الخاصة به، لهذا السبب، غالبًا ما نعرف المزيد عن الضغط أكثر من الكميات الفيزيائية الأخرى في السوائل، علاوةً على ذلك، يشير “مبدأ باسكال” إلى أنّ الضغط الكلي في السائل هو مجموع الضغوط من مصادر مختلفة، وخير مثال على ذلك هو أنّ السائل المتواجد في العمق يعتمد على عمق السائل وضغط الغلاف الجوي.

ينص “مبدأ باسكال”، على أنّه عندما يتم تطبيق تغيير في الضغط على سائل مغلق، فإنّه ينتقل بشكل غير منقوص إلى جميع أجزاء السائل وإلى جدران الإناء الخاص به، في سائل مغلق، نظرًا لأنّ ذرات السائل حرة في التحرك، فإنّها تنقل الضغط إلى جميع أجزاء السائل وإلى جدران الإناء، أي تغيير في الضغط ينتقل غير منقوص.

مثال على قانون باسكال:

لاحظ أنّ هذا المبدأ لا يقول أنّ الضغط هو نفسه في جميع نقاط السائل، وهذا ليس صحيحًا، لأنّ الضغط في مائع بالقرب من الأرض يختلف باختلاف الارتفاع، بدلاً من ذلك، ينطبق هذا المبدأ على التغيير في الضغط، لنفترض أنّك وضعت بعض الماء في وعاء أسطواني بارتفاع (H) ومنطقة المقطع العرضي (A)، به مكبس متحرك كتلته (m)، تؤدي إضافة الوزن (Mg) أعلى المكبس إلى زيادة الضغط في الأعلى بمقدار (Mg / A)، حيث يعمل الوزن الإضافي أيضًا على المنطقة (A) من الغطاء:

p_top = Mg/A

p_{top new} – p_top = p_{bottom new} – p_bottom

وفقًا لمبدأ باسكال، يتغير الضغط عند جميع النقاط في الماء بنفس المقدار، (Mg / A)، وبالتالي، يزيد الضغط في القاع أيضًا بمقدار (Mg / A)، الضغط في قاع الإناء يساوي مجموع الضغط الجوي، والضغط الناتج عن السائل، والضغط الذي توفره الكتلة، التغيير في الضغط في قاع الإناء بسبب الكتلة:

p_bottom = Mg/A

نظرًا لأنّ تغيرات الضغط هي نفسها في كل مكان في السائل، لم نعد بحاجة إلى رموز منخفضة لتعيين تغيير الضغط للأعلى أو الأسفل:

p = p_top = p_bottom = p_everywhere

اشتقاق قانون باسكال:

الضغط هو القوة المطبقة على السطح، يتم حسابه على النحو التالي:

P=F/A

حيث: (F) هي القوة المطبقة و(A) هي مساحة السطح، ضع في اعتبارك أنّ هناك نوعان من المكابس على جانبي إناء اسطواني والإناء مملوء بسائل غير قابل للضغط مثل الماء أو الزيت، “وفقًا لقانون باسكال”، سيتم نقل الضغط المطبق بشكل متساوٍ وغير منقوص إلى جميع أجزاء النظام، بالنسبة للمكبس الأول، يتم تطبيق القوة (F1) على مساحة سطح (A1)، بعد ذلك، يتم حساب الضغط (P1) على النحو التالي:

P1=F1/A1

وبالمثل، فإنّ الضغط (P2) في الأسطوانة الثانية بقوة (F2) ومساحة السطح (A2) سيكون:

P2=F2/A2

عندما تقوم بتطبيق ضغط (P1) في المكبس الأول، فإنّه ينتقل بالتساوي من خلال السائل المحصور غير القابل للضغط، وبالتالي:

P1=P2

F1/A1=F2/A2

بعد ذلك، يمكن حساب القوة (F2) على المكبس الثاني على النحو التالي:

F2=(F1/A1)×A2

وهذا ما يسمّى “بمضاعفة القوى” (multiplication of forces)، هذا عندما يتم تطبيق قوة مقدارها (1N) على مساحة (10) سم، ثمّ القوة (F2) فوق مساحة (100) سم ستكون (10) نيوتن، هذا مبدأ شائع يستخدم في علم السوائل المتحركة لرفع الأحمال الثقيلة.

قانون باسكال وتطبيقاته في الحياة اليومية:

يحتوي “قانون باسكال” على مجموعة واسعة من التطبيقات في معظم الصناعات، يرتبط قانون باسكال بالسوائل والغازات، لذلك، يمكنك العثور على معظم تطبيقاتها في الصناعة الهيدروليكية والهوائية، أيضًا، يحتاج الغطّاسون إلى معرفة هذا المبدأ.

النظام الهيدروليكي (Hydraulic System): مبدأ العمل الأساسي لكل نظام هيدروليكي هو “قانون باسكال”، تُستخدم الأنظمة الهيدروليكية لرفع أو حمل أو نقل الأحمال بقوة صغيرة مطبقة، يستخدم سوائل هيدروليكية غير قابلة للضغط ويعمل بمفهوم مضاعفة القوة، يتم سرد أمثلة قليلة على الأنظمة الهيدروليكية التي تعمل باستخدام قانون باسكال أدناه.

الرافعات الهيدروليكية وقانون باسكال – Hydraulic Jack and Pascal’s Law:

تستخدم الرافعات الهيدروليكية لرفع الأحمال الثقيلة، يتم استخدامها بشكل شائع في ورش السيارات لرفع المركبات، يمكن للميكانيكيين رفع المركبات الثقيلة من خلال استخدام قوة صغيرة في أحد طرفيها، تتكون من سائل غير قابل للضغط في أنبوب على شكل حرف (U) مزود بمكبس متحرك على كل جانب، جانب واحد من الأنبوب على شكل حرف (U) أضيق من الآخر، يمكن للقوة الصغيرة المطبقة على مساحة صغيرة موازنة قوة أكبر بكثير على الجانب الآخر على مساحة أكبر.

الفرامل الهيدروليكية وقانون باسكال – Hydraulic Brake and Pascal’s Law:

أثناء تطبيق قوة صغيرة على الفرامل الهيدروليكية، يتم تمرير سائل الفرامل باتجاه العجلات عبر خطوط الفرامل، تساعد هذه القوة السيارة على التوقف أو الإبطاء على الفور.

المصاعد الهيدروليكية وقانون باسكال – Hydraulic Lifts and Pascal’s Law:

لغرض الرفع، تتوفر أنواع مختلفة من المصاعد الهيدروليكية، يستخدم هذا التطبيق مبادئ مضاعفة القوة وبقوة مطبقة صغيرة، يمكن للمرء أن يولد قوة أعلى.

الأنظمة الهوائية (Pneumatic Systems): يتعامل النظام الهوائي مع الغازات المضغوطة، هذه الأنظمة أكثر موثوقية ومرونة وفعالية من الأنظمة الأخرى، المكابس الهوائية، المثاقب الهوائية، الأدوات الآلية، الدكّاكات الهوائية، الطلاء بالرش، ضواغط الهواء، إطارات السيارات، وغيرها، هي بعض الأمثلة على النظام الهوائي.