إثبات وجود الضغط الجوّي
عندما يغوص المرء في الماء يشعر بضغط في جسمه (وبخاصة على أذنيه) ويتزايد هذا الضغط مع ازدياد عمق الغوص. ونحن في الهواء الذي يلفّ أرضنا معرضون لضغطه الهائل الذي يعادل حوالي 1.033 كيلو غرام على السنتيمتر المربع. أي إنّ ضغط الهواء على جسم الإنسان العادي الحجم يقارب 12000 كيلو غرام.- فلماذا لا يسحقنا هذا الضغط الذي يعادل وزن فِيلَيْنِ كامِلَيْ النموّ؟
* السبب هو أن الهواء بداخل الجسم يضغط بمثل ضغط الهواء الخارجي.
أما إذا صعد إنسان في المنطاد إلى أعالي الجوّ فإنه يتعرض للخطر لتعذر التنفس، كما يقلّ ضغط الهواء داخل الجسم فيطفر الدم عبر الأذنين أو ينزّ من خلايا الجسد. ولهذا فإنّ مقصورة الركاب في الطائرات التي تحلق عاليا تكون مكيّفة الضغط بحيث يتنفس فيها الركاب بصورة طبيعية ولا يتأثرون بانخفاض الضغط خارج الطائرة.
تجربة:
- اثقب قاع علبة معدنيّة بمسمار ثم أملأها بالماء (فوق حوض المغسلة).- اضغط على فوهة العلبة براحة اليد لتسدها بإحكام.
- ماذا تلاحظ؟
* لقد توقف انسياب الماء عبر الثقب.
- ارفع يدك عن الفوهة فيعود جريان السائل. لماذا؟
إنّ ضغط الهواء قويّ في الأحوال العاديّة، وهو يتزايد بانضغاط الهواء. ويمكنك ملاحظة ذلك بنفخ بالون على مراحل وضغط إصبعك في جانبه بعد كلّ مرحلة.
لاحظ كيف يرتدّ غشاء البالون بسرعة بعد انزياح إصبعك لأنّ ضغط الهواء في البالون بسرعة بعد انزياح إصبعك لأنّ ضغط الهواء في البالون يزيد على ضغط الهواء الخارجي.
تجربة:
- أملأ كوبا حتى الحافة بالماء.
- غطّ فُوهة الكوب بتزليق قطعة من الورق المقوّى المصقول (مساحتها أكبر قليلا من مساحة الفوهة) فوقها.
- اضغط عليها براحة اليدّ بملامسة الماء.
- اقلب الكوب رأسا على عقب.
- أزح يدك عن قطعة الورق برفق (فوق المغسلة) وسيبقى الماء في الكوب وتبقى قطعة الورق في مكانها! (لا تيأس إن لم تنجح التجربة من أوّل مرّة).
* إنّ ضغط الهواء على قطعة الورق يشدّها إلى فوّهة الكوب بالرغم من وزن الماء.
تجربة:
- اسلق بيضة يزيد قطرها بشكل ملحوظ على قطر فوهة قنينة لمدّة عشر دقائق.
- بردّ البيضة وقم بتقشيرها دون خدوش ثم ضعها فوق فوهة القنينة.
- أشعل عود ثقاب وارفع البيضة برفق لتسقط العود المشتعل داخل القنينة وأعدها إلى مكانها بسرعة.
- لاحظ ما يحدث مع استمرار اشتعال عود الثقاب واستهلاك أكسيجين الهواء في عملية الاحتراق.
* ينطفئ العود وتدفع البضة إلى داخل القنينة لانخفاض الضغط بداخلها عن ضغط الهواء الخارجي.
والآن عليك استخراج البيضة من القنينة دون تقطيعها، وهذا الأمر ليس سهلا ولكنّه ليس بمستحيل!
- قم بالنفخ عبر فوهة القنينة سادا إياها بقفا شفتيك حتى لا يخرج الهواء الذي نفخته.
- واصل النفخ ثمّ اقلب القنينة لإدخال البضة في عنق القنينة.
- ارفع شفتيك عن الفوهة وستندفع البيضة عبرها إلى الخارج.
* والسبب أن ضغط الهواء داخل القنينة أصبح بالنفخ أكثر منه خارجها.
- غطّ فُوهة الكوب بتزليق قطعة من الورق المقوّى المصقول (مساحتها أكبر قليلا من مساحة الفوهة) فوقها.- اضغط عليها براحة اليدّ بملامسة الماء.
- اقلب الكوب رأسا على عقب.
- أزح يدك عن قطعة الورق برفق (فوق المغسلة) وسيبقى الماء في الكوب وتبقى قطعة الورق في مكانها! (لا تيأس إن لم تنجح التجربة من أوّل مرّة).* إنّ ضغط الهواء على قطعة الورق يشدّها إلى فوّهة الكوب بالرغم من وزن الماء.
تجربة:
- اسلق بيضة يزيد قطرها بشكل ملحوظ على قطر فوهة قنينة لمدّة عشر دقائق.
- بردّ البيضة وقم بتقشيرها دون خدوش ثم ضعها فوق فوهة القنينة.
- أشعل عود ثقاب وارفع البيضة برفق لتسقط العود المشتعل داخل القنينة وأعدها إلى مكانها بسرعة.- لاحظ ما يحدث مع استمرار اشتعال عود الثقاب واستهلاك أكسيجين الهواء في عملية الاحتراق.
* ينطفئ العود وتدفع البضة إلى داخل القنينة لانخفاض الضغط بداخلها عن ضغط الهواء الخارجي.
والآن عليك استخراج البيضة من القنينة دون تقطيعها، وهذا الأمر ليس سهلا ولكنّه ليس بمستحيل!
- قم بالنفخ عبر فوهة القنينة سادا إياها بقفا شفتيك حتى لا يخرج الهواء الذي نفخته.
- واصل النفخ ثمّ اقلب القنينة لإدخال البضة في عنق القنينة.
- ارفع شفتيك عن الفوهة وستندفع البيضة عبرها إلى الخارج.
* والسبب أن ضغط الهواء داخل القنينة أصبح بالنفخ أكثر منه خارجها.
قيس الضغط الجوّي
آلات قيس الضغط الجوي
يقاس الضغط الجوّي بالبارومتر، فمراكز الأرصاد الجوية تستخدمه لمعرفة التغيرات في ضغط الهواء. وكثيرا ما تعني هذه التغيرات أن الطقس سيتغير. كما يمكن استخدام البارومتر أيضا لقياس الارتفاعات المختلفة حيث يقل الضغط الجوي كلما زاد الارتفاع.
ولقد اخترع العالم الإيطالي إيفانجليستا توريشلي البارومتر عام 1643م. وكان جهاز توريشلي يتكون من أنبوب زجاجي طويل وضعه مقلوباً وهو مملوء بالزئبق، في كوب من الزئبق فانخفض عمود الزئبق في الأنبوب، وأصبحت قمته على ارتفاع 76سم فوق سطح الزئبق الذي في الكوب. وظل الزئبق ثابتا في الأنبوب نتيجة لضغط الهواء على سطح السائل في الكوب. وبذلك أثبت توريشلي أن الضغط الجوي يعادل تقريبا وزن عمود من الزئبق طوله 76سم.
وتقيس البارومترات الحديثة الضغط الجوي بالمليمتر الزئبقي أو بوحدة تسمى البار تنقسم إلى ألف مليبار. والبار وحدة ضغط في النظام المتري، ويسجل العلماء معظم قياسات الضغط بالمليبار. فمتوسط الضغط الجوي عند مستوى سطح الأرض 1,013 مليبار، وهو يساوي 760ملم زئبقي.
ولمقارنة قياسات الضغط المأخوذة عند الارتفاعات ودرجات الحرارة المختلفة يُحوِّل العلماء هذه القياسات إلى القيمة التي تساوي الصفر المئوي عند سطح البحر.
أنواع البارومترات
يوجد نوعان رئيسيان من البارومترات: الزئبقي والمعدني.
البارومتر الزئبقي:
هو يعمل بالمبدأ نفسه الذي يعمل به بارومتر توريشلي. ويتكون من أنبوب زجاجي من الزئبق له مستودع عند القاع، وتسبب التغيرات في ضغط الهواء ارتفاع أو انخفاض الزئبق في الأنبوب. وهناك مقياس بجوار الأنبوب يبين الضغط بالمليبار أو المليمتر الزئبقي. وتبين بعض الأنواع الأقدم الضغط بالبوصة الزئبقية. ولكي نحصل على قراءة دقيقة يتعين تعديل المقياس حيث تكون نقطة الصفر في مستوى سطح الزئبق نفسه الموجود في المستودع. وهذا التعديل ضروري لأن هذا السطح يرتفع حينما ينخفض الزئبق في الأنبوب، وينخفض عندما يرتفع الزئبق في الأنبوب.
البارومتر المعدني:
هو أقلّ دقة من البارومتر الزئبقي لكنه أكثر حساسية في قياس تغيرات ضغط الهواء. ويقيس البارومتر المعدني تأثير ضغط الهواء على غرفة معدنية سُحِب منها جزء من الهواء. وتجعل التغيرات في ضغط الهواء الغرفة تتمدد أو تنكمش مؤدية إلى تحرك إبرة على قرص مقسم إلى مليبارات أو مليمترات أو بوصات. وهذه البارومترات الخفيفة التي يمكن حملها تُستخدم على نطاق واسع في المنازل والمكاتب والمدارس والسفن والطائرات.
ويستخدم العلماء نوعا من البارومترات المعدنية يسمى الباروجراف لتسجيل التغيرات في الضغط الجوي. ويشتمل الباروجراف على قلم يسجل ضغط الهواء على ورقة مركبة على أسطوانة تدور ببطء وبها رسم بياني.
استخداماته:
وظيفة البارومتر الرئيسية في عملية التنبؤ بالجو هي تسجيل الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر، وما يطرأ عليه من تغيرات. فأي تغير في الضغط الجوي يدل عادة على تغير في الطقس. ويظهر الجو الملبد بالغيوم عموما في مناطق الضغط المنخفض، والجو الصافي في مناطق الضغط المرتفع. أما الفائدة الأخرى الكبيرة للبارومترات فهي قياس الارتفاع. فالضغط الجوي يقل في الأماكن الأكثر ارتفاعا، لأن الهواء هناك يكون أخف، وأقل، وبذلك ينخفض ضغطه. وعلى سبيل المثال ينخفض متوسط ضغط الهواء من 1013 ملِّيبار عند مستوى سطح البحر إلى 700 ملِّيبار عند ارتفاع 3000م وإلى نحو 300 ملِّيبار على ارتفاع 9100 م. ويستخدم الطيارون نوعا من البارومترات يسمى مقياس الارتفاع الضغطي وذلك لبيان ارتفاعهم. ويبين المقياس الارتفاع أكثر مما يبين الضغط. وقد يستخدم الجوالة ومتسلقو الجبال البارومترات لقياس الارتفاعات.
وحدات قيس الضغط الجوّي
إنّ الوحدة العالمية للضغط الجوّي هي الباسكال، ويرمز لها بـ (Pa) .
ولكنّنا نستعمل كذلك:
يقاس الضغط الجوّي بالبارومتر، فمراكز الأرصاد الجوية تستخدمه لمعرفة التغيرات في ضغط الهواء. وكثيرا ما تعني هذه التغيرات أن الطقس سيتغير. كما يمكن استخدام البارومتر أيضا لقياس الارتفاعات المختلفة حيث يقل الضغط الجوي كلما زاد الارتفاع.
ولقد اخترع العالم الإيطالي إيفانجليستا توريشلي البارومتر عام 1643م. وكان جهاز توريشلي يتكون من أنبوب زجاجي طويل وضعه مقلوباً وهو مملوء بالزئبق، في كوب من الزئبق فانخفض عمود الزئبق في الأنبوب، وأصبحت قمته على ارتفاع 76سم فوق سطح الزئبق الذي في الكوب. وظل الزئبق ثابتا في الأنبوب نتيجة لضغط الهواء على سطح السائل في الكوب. وبذلك أثبت توريشلي أن الضغط الجوي يعادل تقريبا وزن عمود من الزئبق طوله 76سم.
وتقيس البارومترات الحديثة الضغط الجوي بالمليمتر الزئبقي أو بوحدة تسمى البار تنقسم إلى ألف مليبار. والبار وحدة ضغط في النظام المتري، ويسجل العلماء معظم قياسات الضغط بالمليبار. فمتوسط الضغط الجوي عند مستوى سطح الأرض 1,013 مليبار، وهو يساوي 760ملم زئبقي.
ولمقارنة قياسات الضغط المأخوذة عند الارتفاعات ودرجات الحرارة المختلفة يُحوِّل العلماء هذه القياسات إلى القيمة التي تساوي الصفر المئوي عند سطح البحر.
أنواع البارومترات
يوجد نوعان رئيسيان من البارومترات: الزئبقي والمعدني.
البارومتر الزئبقي:
هو يعمل بالمبدأ نفسه الذي يعمل به بارومتر توريشلي. ويتكون من أنبوب زجاجي من الزئبق له مستودع عند القاع، وتسبب التغيرات في ضغط الهواء ارتفاع أو انخفاض الزئبق في الأنبوب. وهناك مقياس بجوار الأنبوب يبين الضغط بالمليبار أو المليمتر الزئبقي. وتبين بعض الأنواع الأقدم الضغط بالبوصة الزئبقية. ولكي نحصل على قراءة دقيقة يتعين تعديل المقياس حيث تكون نقطة الصفر في مستوى سطح الزئبق نفسه الموجود في المستودع. وهذا التعديل ضروري لأن هذا السطح يرتفع حينما ينخفض الزئبق في الأنبوب، وينخفض عندما يرتفع الزئبق في الأنبوب.البارومتر المعدني:
هو أقلّ دقة من البارومتر الزئبقي لكنه أكثر حساسية في قياس تغيرات ضغط الهواء. ويقيس البارومتر المعدني تأثير ضغط الهواء على غرفة معدنية سُحِب منها جزء من الهواء. وتجعل التغيرات في ضغط الهواء الغرفة تتمدد أو تنكمش مؤدية إلى تحرك إبرة على قرص مقسم إلى مليبارات أو مليمترات أو بوصات. وهذه البارومترات الخفيفة التي يمكن حملها تُستخدم على نطاق واسع في المنازل والمكاتب والمدارس والسفن والطائرات.ويستخدم العلماء نوعا من البارومترات المعدنية يسمى الباروجراف لتسجيل التغيرات في الضغط الجوي. ويشتمل الباروجراف على قلم يسجل ضغط الهواء على ورقة مركبة على أسطوانة تدور ببطء وبها رسم بياني.
استخداماته:
وظيفة البارومتر الرئيسية في عملية التنبؤ بالجو هي تسجيل الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر، وما يطرأ عليه من تغيرات. فأي تغير في الضغط الجوي يدل عادة على تغير في الطقس. ويظهر الجو الملبد بالغيوم عموما في مناطق الضغط المنخفض، والجو الصافي في مناطق الضغط المرتفع. أما الفائدة الأخرى الكبيرة للبارومترات فهي قياس الارتفاع. فالضغط الجوي يقل في الأماكن الأكثر ارتفاعا، لأن الهواء هناك يكون أخف، وأقل، وبذلك ينخفض ضغطه. وعلى سبيل المثال ينخفض متوسط ضغط الهواء من 1013 ملِّيبار عند مستوى سطح البحر إلى 700 ملِّيبار عند ارتفاع 3000م وإلى نحو 300 ملِّيبار على ارتفاع 9100 م. ويستخدم الطيارون نوعا من البارومترات يسمى مقياس الارتفاع الضغطي وذلك لبيان ارتفاعهم. ويبين المقياس الارتفاع أكثر مما يبين الضغط. وقد يستخدم الجوالة ومتسلقو الجبال البارومترات لقياس الارتفاعات.
وحدات قيس الضغط الجوّي
إنّ الوحدة العالمية للضغط الجوّي هي الباسكال، ويرمز لها بـ (Pa) .
ولكنّنا نستعمل كذلك:
- الهيكتوباسكال (hPa) حيث أن: 1hPa = 100 Pa 1
- البار (bar) حيث أن: 1bar = 100000 Pa = 1000 hPa 1
- الميليبار (mbar) حيث أن: 1mbar = 100 Pa = 1 hPa 1
كيفية صنع بارومتر بسيط
- أملأ قنينة حتى ثلاثة أرباعها بالماء ثمّ نكسها في طبق ماء.- ألصق شريحة ورق مدرّجة على ظاهر القنينة لتسجيل تغيّرات الضغط الجوّي.
- عيّن الدرجة حين الطقس جيّد، وحينما الطقس ماطر عاصف، وبيّن عليهما ذلك.
* إنّ ارتفاع الماء في القنينة دليل على ارتفاع ضغط الجوّ وتحسّن الطقس، أمّا انخفاضه فقد يكون نذير مطر أو عواصف.
إن هذا البارومتر يبيّن تغيّر الضغط الجوّي مع ملاحظة أنّه يتأثر بتغير درجة الحرارة أيضا. ويدلّ اتجاه البارومتر المستمرّ نحو الصعود إلى تحسن الأحوال الجوّية، بينما يشير البارومتر الهابط إجمالا إلى تغيّر الطقس نحو الأسوأ.
