فشار چیست و انواع واحدهای اندازه گیری آن کدامند؟

تاکنون دقت کرده‌اید که وقتی پونزی را روی دیوار گچی فشار می‌دهید پونز در دیوار فرو می‌رود ولی وقتی با انگشت روی دیوار فشار می‌آورید انگشتتان در دیوار فرو نمی‌رود؟ و اینکه چرا وقتی با کفش‌های خود روی برف راه می‌روید، کفش‌هایتان در برف فرو می‌روند ولی اگر چوب‌های اسکی بپوشید کمتر در برف فرو می‌روید! علت این موضوع را می‌بایست در کلمه‌ای به نام فشار جستجو کرد.

در جملات عامیانه وقتی کسی کلمه فشار را بیان می‌کند در حقیقت از نیرو صحبت می‌کند. از لحاظ علمی، فشار و نیرو یکی نیستند بلکه هر دو از مفاهیم مهم فیزیکی محسوب می‌شوند. یادگیری این مفاهیم برای انسان امروزی ضروری است به‌ویژه اینکه در بسیاری از صنایع مانند تهویه مطبوع، اندازه گیری فشار یک امر مهم تلقی شده و هر مهندس و تکنسین مشغول در صنعت باید با آن آشنا باشد. در ضمن در برخی از کارهای روزانه از فشارسنج استفاده می‌شود که این موضوع اهمیت یادگیری آن را بیشتر مشخص می‌سازد. در این مقاله در تهویه آسمان سعی داریم در شناخت این مفهوم و نحوه سنجش آن گامی برداریم، پس با ما همراه باشید.

فشار چیست؟

فشار (Pressure) مفهومی فیزیکی است که ارتباط با نیرو و سطحی دارد که نیرو به آن وارد می‌شود. در تعریف فیزیکی، فشار مقدار نیرویی است که بر سطح وارد می‌شود. پس اگر نیروی F بر سطح A وارد شود فشار وارد بر این سطح عبارت خواهد بود از:

P = F / A

اگر این نیرو به طور عمودی بر سطح وارد شود مقدار فشار بیشتر بوده و نیز اگر این نیرو به سطح کوچکتری وارد شود، فشار بیشتری ایجاد خواهد کرد. از آنجائی‌که واحد نیرو در دستگاه اندازه‌گیری بین‌المللی SI برحسب نیوتن (N) و واحد سطح برحسب مترمربع (m²) است؛ پس فشار برحسب نیوتن بر مترمربع خواهد شد.

مقدار فشار، که کمیتی عددی (اسکالر) است عبارت خواهد بود از مقدار نیرویی است که به‌طور عمودی بر واحد سطح وارد می گردد و با علامت اختصاری P نشان داده می‌شود. واحد فشار در تعریف SI نیوتن بر مترمربع خواهد بود. همچنین به افتخار دانشمندی فرانسوی «بلز پاسکال» (Blaise Pascal) که مطالعات بسیاری روی فشار هوا و گازها و نیز مایعات انجام داد، واحد فشار را برحسب پاسکال (Pa)‌ می‌سنجند. در معنای فیزیکی داریم:

1Pa=1 N/1 m²

فشار حاصل از نیرو بر روی یک سطح به این بستگی دارد که نیرو چگونه اعمال شود. شخصی که کفش ورزشی میخ‌دار پوشیده، میخ کفش‌هایش در زمین فرو می‌رود، درحالی‌که کفش معمولی بر روی سطح زمین تغییر چندانی نمی‌دهد. با این‌که در هر دو مورد نیرویی که بر سطح وارد می گردد یکسان بوده و همان نیروی وزن فرد می باشد، ولی اختلاف فشار آنها متفاوت است؛ زیرا کفش ورزشی نیرو را بر سطح کوچکتری وارد می‌سازد.

علاوه بر اینکه اجسام با نیرو دادن بر همدیگر، فشار وارد می کنند سیالات (مایعات و گازها) بر محیط اطراف خود (مانند ظرفی که در آن قرار دارند) فشار وارد می‌سازند. مثلاً آب درون ظرف آکواریوم بر دیواره های اطراف و بر کف آکواریوم فشار می‌آورد. فشاری که بر کف آکواریوم وارد می‌شود بیشتر از فشاری است که به اطراف وارد می‌شود. فشار درون مایعات به ارتفاع آنها بستگی دارد؛ زیرا هرچه ارتفاع ستون مایع بیشتر باشد، نیروی وزن مایع بر سطح زیرین خود بیشتر خواهد بود و در نتیجه فشار در آن ناحیه از مایع بیشتر خواهد شد. یک نکته‌ی جالب درباره فشار مایعات و گازها آن است که آنها فشار را به طور یکنواخت در همه‌ی جهات منتقل می‌کنند. از این خاصیت انتقال فشار مایعات، در ترمز اتومبیل‌ها استفاده شده و فشار پای وارد بر پدال ترمز، از طریق روغن به لنت منتقل می‌شود.

هوای اطراف ما نیز یک شاره است که به اجسام زیر خود فشار وارد می‌کند. در واقع هوای موجود در اتمسفر بالای سر ما، به عنوان یک گاز به بدن ما فشاری وارد می‌آورد که به آن فشار هوا می‌گوئیم. بدن ما به‌طور طبیعی به این فشار هوا عادت کرده و فشار درون سلول‌های پوست بدن ما با فشار هوای بیرون برابر است.

چون فشار هوای بالای سر ما به مقدار آن هوا بستگی دارد، هر چه از سطح زمین بالاتر برویم، می بایست فشار هوا کاهش یابد. هرچه با ازدیاد ارتفاع از زمین فاصله بگیریم، به دلیل کاهش جاذبه، هوا رقیق‌تر شده و در نتیجه فشار نیز کمتر خواهد بود. این پدیده در قله کوه‌های مرتفع یا در چتربازی و پرش از هواپیما در ارتفاع زیاد کاملاً محسوس است.

واحدهای سنجش فشار

اگر بخواهیم فشار هوای وارد بر بدن را بسنجیم یا فشار آبی که یک شلنگ خارج می شود می‌بایست واحدی برای آن در نظر بگیریم. چون فشار هوا با ارتفاع فرد از سطح دریا بستگی دارد، پس این سنجش مقدار فشار میزان متفاوتی خواهد داشت. برای رفع اختلاف ارتفاع، سنجش فشار در سطح دریای آزاد مبداء قرار گرفته و این مقدار فشار که از طرف جو یا اتمسفر (Atmosphere) بر سطح دریا وارد می‌شود را یک اتمسفر (atm) گویند. هر اتمسفر 101325 پاسکال است:

1 atm ≡ 101325 Pa

اکنون ظرفی را در نظر بگیرید که با جیوه پر شده است. لوله‌ آزمایشگاهی بلندی را از جیوه پر کرده و آن را به صورت وارونه درون ظرف حاوی جیوه فرو می‌کنیم. سطح جیوه درون لوله آزمایشگاهی طی چند ثانیه پائین آمده و مقداری از بالای لوله خلاء باقی می‌ماند. اگر آزمایش را در محیطی هم‌سطح دریا انجام دهیم، ارتفاع جیوه‌ای که درون لوله باقی خواهد ماند 76 سانتیمتر خواهد بود.

در این آزمایش می‌بینیم که فشار هوای وارد بر سطح جیوه، از طریق خود جیوه به ستون درون لوله منتقل شده و آن را در حال تعادل نگه خواهد داشت. این مقدار بالارفتن جیوه در لوله به عنوان استانداردی برای فشار در نظر گرفته شده و آن را میلی‌متر جیوه (mmHg) نامند؛ پس فشار هوا در سطح دریا 76 سانتیمترجیوه یا 760 میلیمتر جیوه می‌باشد. از آنجا که یک میلی‌متر جیوه حدوداً برابر ۱۳۳ پاسکال است، فشار یک اتمسفر نیز در حدود ۷۶۰ میلی‌متر جیوه خواهد بود.

درک و یادگیری واحدهای سنجش فشار، برای جلوگیری از خطا و محاسبات اشتباه در کاربردهای مختلف مهندسی، فیزیک و شیمی بسیار مهم و ضروری است. اگرچه واحد فشار در سیستم SI پاسکال است ولی واحدهای به کار رفته در سراسر جهان و در کشورهای مختلف بسیار متنوع‌اند و واحدهای مختلفی برای بیان فشار استفاده می‌شود. رایج‌ترین واحدهای فشار عبارتند از پاسکال، بار، پوند بر اینچ مربع و اتمسفر.

یکاهای مهم در فشار

واحد اصلی (N/m²):

بنا بر تعریف اولیه، فشار وارده از نسبت یک واحد نیرو تقسیم بر یک واحد از مساحت به‌دست می‌آید. چنین واحدی یک نیوتن بر متر مربع (N/m²) است. در سیستم mks این واحد معادل (kg/m.s²) است و در سیستم cgs این واحد با نام باری Ba برحسب (gr/cm.s²) خواهد بود. حالات مشابهی را مانند پوند بر اینچ مربع (psi) نیز کاربردهایی دارد که در کانادا و ایالات متحده رایج‌ترین واحد فشار محسوب می‌شود.

پاسکال (Pa):

از واحدهای SI فشار در دستگاه بین‌المللی، یکای اندازه گیری پاسکال است. یک پاسکال برابر با یک نیوتن بر هر مترمربع است. فشار اتمسفر نزدیک به 100000 پاسکال است. هر psi برابر 6894.75729 پاسکال یا نیوتن بر متر مربع است. مضرب های رایج پاسکال عبارتند از هکتوپاسکال (1 hPa = 100 Pa)، کیلوپاسکال (1 kPa = 1000 Pa) و مگاپاسکال (1 MPa = 1000000 Pa).

اجسام سطح زمین می توانند فشار 100 کیلو پاسکال را تحمل کنند. الماس از سخت‌ترین اجسام زمین است که قادر است 442 گیگاپاسکال را تحمل نماید، زیرا در ساختمان اتمی آن، هر اتم کربن با چهار پیوند کووالانسی به چهار اتم کربن دیگر متصل است. البته سخت‌تر از الماس نیز وجود دارد.

میلیمترجیوه (mmHg):

میلیمترجیوه از واحدهای بسیار مهم فیزیک و شیمی و یکی از واحدهای اندازه‌گیری فشار در واحد مانومتریک (manometric) است. این یکا نشان‌دهندهٔ فشار ناشی از ستون جیوه به ارتفاع یک میلی‌متر است. یک میلی‌متر جیوه برابر 133.322368 پاسکال می‌باشد. برای سنجش فشار به جای جیوه می توان سیالات دیگری نیز به کار برد.

تفاوت به‌کاربردن سیالات دیگر در ارتفاع ستون سیال است. اگر بخواهیم برای سنجش فشار جو در کنار دریا، به جای جیوه آب به کار ببریم ارتفاع ستون آب در لوله به ده و نیم می رسد (و البته به طور دقیق 1033.6 سانتیمتر). به‌علاوه از اینچ جیوه نیز استفاده شده و برای استفاده از آب این واحد سانتی‌متر آب خوانده می‌شود. خوب است بدانیم که در نشان دادن فشار خون از واحد میلی‌متر (یا سانتی‌متر) جیوه استفاده می‌شود.

اتمسفر :(atm)

اتمسفر استاندارد یکایی است که معمولاً جهت اندازه‌گیری فشار هوا و سیالات به‌ کار گرفته می‌شود و اندازه‌ی یک اتمسفر برابر با فشار ناشی از ستون آبی به ارتفاع ده متر است. این واحد تقریباً برابر با فشار هوای معمولی در سطح متوسط زمین بوده و برابر ۱۰1325 پاسکال می باشد. به علاوه هر ۷۶۰ میلی‌متر جیوه برابر یک اتمسفر است.

بار (bar):

از واحدها و یکاهای فشار، بار است که معادل 100 کیلوپاسکال و تقریباً معادل فشار یک اتمسفر است. این یکای اندازه‌گیری متریک است ولی یکایی مورد تأیید دستگاه بین‌المللی یکاها نیست. هر بار دقیقاً برابر با ۱۰۰۰۰۰ پاسکال است. بار در کشورهای اروپایی کاربرد زیادی دارد و علت آن اختلاف حدود یک ‌درصدی آن با فشار اتمسفر زمین است.

واحد بار نخستین مرتبه به‌‌وسیله هواشناس انگلیسی، ویلیام نایپرشاو در 1909 میلادی معرفی و میلی‌بار توسط ویلهلم بجرکنس مطرح گردید. هواشناسان از واحد میلی‌بار استفاده می‌کنند که برابر یک دهم پاسکال است. اندازه‌گیری فشار بارومتری (Barometric) که همان تغییر در فشار اتمسفری با تغییر شرایط آب و هوایی یا تغییرات ارتفاع است، در ایستگاه‌های هواشناسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته برخی از هواشناسان نیز هکتوپاسکال (hPa) را برای فشار هوای اتمسفر به‌کار می‌گیرند. اقیانوس شناسان معمولاً فشار زیر آب را بر حسب دسی‌بار (dbar) اندازه گیری می‌کنند زیرا فشار در اقیانوس تقریباً یک دسی‌بار در هر متر عمق افزایش می یابد.

سایر یکاها:

تور (Torr):

یکی از یکاهای غیر SI برای اندازه‌گیری فشار تور است. این یکا به‌گونه‌ای گزینش شده که با تقریب اندکی، برابر فشار حاصل از یک میلی‌متر جیوه باشد. بنابراین فشار یک تور تقریباً برابر با فشار حاصل از یک میلی‌متر جیوه شده و یک اتمسفر استاندارد برابر 760 تور است. این یکا به یاد اوانجلیستا توریچلی (Evangelista Torricelli) فیزیک‌دان و ریاضی‌دان ایتالیایی نام‌گذاری شده که اصول عملکرد فشارسنج را در 1644 میلادی کشف کرد.

متر آب:
یک متر آب، فشاری معادل با یک ستون آب به ارتفاع یک متر است.

پیز (Pieze):

پیز که واحد فشار در دستگاه M.T.S. است معادل 100 کیلو پاسکال است. از اضعاف پیز که خود به‌عنوان واحدهای جداگانه‌ای به‌کار می‌روند عبارتست از هکتوپیز (hpz) که برابر صد پیز است.

دین بر سانتی‌متر مربع (dyn/cm²):

دین بر مجذور سانتی‌متر از یکاهای قدیمی اندازه گیری فشار در سیستم CGS است. دین معادل نیرو است و معادل 10 میکرونیوتن است.

اتمسفر فنی (at):

از واحدهای غیر SI است که برای اندازه گیری فشار استفاده می‌شود. یک اتمسفر فنی برابر است با یک کیلوگرم نیرو بر سانتی‌مترمربع(cm²)به عبارتی برابرست با Kgf/cm² .

باری (Ba) :

واحد فشار پایه cgs باری است و آن فشاری است که نیروئی برابر یک دین (Dyne) بر سطحی معادل یک سانتی‌متر مربع وارد می‌آورد که برابر با 1 دین در هر سانتی‌مترمربع است. می‌توان گفت یک باری برابر 0.1 پاسکال است.

علاوه بر خود واحدها، اجزاء و اضعاف و مضارب آنها و نیز تبدیل آنها به همدیگر اهمیت دارد. مانند:

• 1 Ba = 0.1 Pa= 10⁻⁶ bar = 10⁻⁴ pieze = 0.1 N/m² = 1 gr.cm⁻¹.s⁻²
• 1 pieze = 1 kPa = 10 mbar = 9.869×10⁻³ atm ≈501 torr ≈ 0.1450 lb/inch² ≈ 0.2953 inchHg
• 1 bar = 1,000,000 Ba ≈98692327 atm ≈ 14.503774 psi ≈ 29.529983 inHg ≈ 750.06158 mmHg ≈ 750.06168 Torr ≈ 1019.716 cmH₂O
• 1 mmHg = 133.322 Pa
• 1 Torr = 1.000002763… mmHg
• 1 mmHg = 0.999997236… Torr
• 1 mbar = 1×10⁻³ bar
• 1 mbar = 1 hPa = 100 Pa
• 1 Torr = 0.999999857533699… mmHg
• 1 mmHg = 1.000000142466321… Torr
• 1 atm = 101,325 Pa = 1.01325 bar = 14.696 psi
• 1 Pa = 0.00001 bar = 0.000145 psi
• 1 bar = 100,000 Pa = 14.504 psi
• 1 psi = 0.06895 bar = 6,895 Pa

تبدیل واحدهای مهم فشار چنین است:

ابزار اندازه‌گیری فشار

از روش‌های گوناگونی برای اندازه‌گیری فشار، چه برای سنجش فشار وارد بر جامدات و چه سیالات استفاده می‌شود. از فشارسنجهای جیوه‌ای گرفته که با اندازه‌گیری ارتفاع ستون جیوه کار می‌کنند تا فشارسنج‌های مکانیکی (فاقد سیال) و حسگرهای الکترونیکی امروزی نیز برای اندازه‌گیری فشار مورد استفاده هستند. قبل از آن می‌بایست انواع فشار را بشناسیم:

فشار نسبی و مطلق چیست؟

فشار نسبی و فشار مطلق دو نوع فشار هستند که در مهندسی و علوم کاربرد دارند. فشار نسبی فشاری است که نسبت به فشار مرجعی اندازه گیری می شود. فشار مرجع معمولاً فشار اتمسفر است. به عنوان مثال، فشار هوا در داخل یک اتاق را می توان با استفاده از یک فشارسنج نسبت به فشار اتمسفر اندازه گیری کرد. فشار نسبی هوا در داخل اتاق معمولاً کمتر از فشار اتمسفر است.

فشار مطلق فشاری است که نسبت به خلأ مطلق اندازه گیری می شود. خلأ مطلق شرایطی است که در آن هیچ فشاری وجود ندارد. فشار مطلق هوا در سطح دریا تقریباً برابر با 101325 پاسکال است.

تفاوت بین فشار نسبی و فشار مطلق در این است که فشار نسبی می تواند منفی باشد، در حالی که فشار مطلق همیشه مثبت است. به عنوان مثال، فشار نسبی هوا در داخل یک اتاق بسته که از طریق یک لوله به بیرون متصل است، می تواند منفی باشد. این به این دلیل است که فشار هوا در داخل اتاق از فشار اتمسفر کمتر است.

در مجموع، فشار نسبی و فشار مطلق دو مفهوم مهم در مهندسی و علوم هستند. انتخاب نوع فشار مناسب برای یک کاربرد خاص به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله مرجع فشار مورد استفاده و کاربرد مورد نظر.

فشار مطلق  (Absolute):

فشاری است که نسبت به خلاء مطلق اندازه گیری می شود.

فشار نسبی (Gage):

فشار نسبی (گیج) یا فشار مانومتریک فشاری است که نسبت به فشار محیط سنجیده می‌شود. به عبارتی فشار نسبی (فشار گیج) برابر است با فشار مطلق منهای فشار اتمسفر.

فشار تفاضلی (Differential):

در این معنا اختلاف فشار بین دو محیط P₁ و P₂ مورد نظر است. در نظر بگیرید که مخزن گازی از طریق لوله‌ای رابط به لوله‌ای U شکل وصل است.

فشار گاز درون یک شاخه از لوله‌ی  U شکل موجب پایین رفتن مایع در لوله شده و موجب بالا رفتن آن در شاخه دیگر می‌شود چنان‌که فشار مایع با فشار گاز به حالت تعادل برسد. در این حالت فشار گاز را با اندازه‌گیری اختلاف ارتفاع مایع در دو ستون تعیین می‌کنند.

برای قرنها قبل، اندازه گیری فشار در ابتدا موضوعی برای فیلسوفانی بود که سعی می‌کردند جهان اطراف خود را درک کنند. حدود 300 سال قبل از میلاد ارسطو شواهد فشار زیر جو را در عبارت «طبیعت از خلاء بیزار است» رد کرد. هیرو (200 قبل از میلاد) و فیلو (حدود 50 قبل از میلاد) نشان دادند که آب نمی‌تواند ظرفی را ترک کند مگر اینکه هوا بتواند فضای خالی را اشغال کند. قرن ها بعد، گالیله در قرن شانزدهم میلادی با کشیدن یک پیستون از پایه یک استوانه، هوابند خلاء ایجاد کرد. در سال 1643، ویویانی از شاگردان گالیله، با بالا و پایین بردن یک قطعه شیشه‌ای از سطح زمین به بالای برج در پیزا، تغییر فشار جو را اندازه‌گیری کرد.

در همان سال توریچلی نشان داد که وقتی یک لوله شیشه‌ای، با یک سر بسته و انتهای باز، که با جیوه پر شده و در یک ظرف باز جیوه وارونه می‌شود، ارتفاعی که جیوه در لوله به دست می‌آورد حدود یک چهاردهم حداکثر است. این آزمایش توریچلی اساساً اولین فشارسنج (بارومتر) ثبت شده را نشان می‌دهد. بارومترهای کنونی که فشار جو را اندازه می‌گیرند، از یک قوطی فلزی نازک و در بسته که هوای درون آن تخلیه شده درست شده است. با بالارفتن فشار هوا، قسمت بالا و پایین قوطی اندکی به طرف داخل فرو رفته و اهرم متصل به آن موجب حرکت عقربه می‌شود. هنگامی که فشار هوا کم می‌شود قوطی توسط فنری محکم به حالت اولیه خود بر می‌گردد.

فشارسنج‌های عقربه‌ای تقریباً از یک تکنولوژی برای اندازه گیری فشار استفاده می‌کنند. از زمان ساخت اولین فشارسنج‌ها تاکنون، تغییرات بسیاری در اینگونه وسایل انجام شده است. انواع مختلفی از فشارسنج‌ها در صنایع مختلف و به‌خصوص صنایع تولیدی مورد استفاده می‌باشد. عمومی‌ترین کاربرد یک فشارسنج را می‌توان در اندازه‌گیری باد تایر اتومبیل‌ها یافت. استفاده از فشارسنج تایر بسیار آسان است و تکنولوژی کنونی آنها قادر بوده تا با دقت خیلی زیاد این اندازه‌گیری باد لاستیک اتومبیل شما را نشان دهد.

فشار صحیح در تایر یک اتومبیل تضمین می‌کند که وسیله نقلیه عملکرد مطلوبی داشته باشد. اکنون فشارسنج‌های دیجیتالی با دقت بسیار بالا فشار هوا را اندازه می‌گیرند.

فشار در تهویه مطبوع