☰ خطة العام · العلوم (بالعربية)

الضغط في الماء والتوازن البيئي

الأسبوع 8 · الموضوع ١-٩ «تأثير الضغط المائي على الكائنات الحية»، والموضوع ١-١٠ «التوازن البيئي ودور الإنسان في استدامة الحياة المائية» · 3 دروس
1

الضغط داخل الماء: العمق والكثافة

Integrated Science Sec 1 Term 1, Unit 1: pp. 56–66
الهدفأفسّر كيف يزداد ضغط الماء بزيادة العمق والكثافة، وأستخدم P = Pa + Pwater وF = P × A.
كلمات جديدة
المائع · سائل أو غاز، أي مادة تستطيع الجريانالضغط · القوة المؤثرة على كل وحدة مساحة، وتُقاس بـ N/m²الضغط الجوي (atm) · الضغط الجوي القياسي عند مستوى البحر: ١ atm = ١٫٠١٣ × ١٠⁵ N/m²الضغط الكلي · ضغط الهواء مضافًا إليه ضغط الماء عند نقطة تحت الماء: P = Pa + Pwater
الشرح

السوائل والغازات موائع لأنها تستطيع الجريان. والغازات تنضغط بسهولة، أما السوائل فيكاد لا يتغير حجمها. وعند نقطة داخل سائل ساكن يساوي الضغط وزن عمود السائل فوقها مؤثرًا في كل وحدة مساحة، وتؤثر القوة على سطح مغمور بزاوية قائمة عليه. والقوة F = P × A، حيث P بـ N/m² وA بـ m². ويزداد ضغط الماء مع العمق لأن كمية الماء فوقه أكبر، ومع الكثافة، فهو في الماء المالح أكبر منه في بحيرة عذبة عند العمق نفسه. وعند السطح يكون الضغط هو الضغط الجوي Pa، حيث ١ atm = ١٫٠١٣ × ١٠⁵ N/m². ويضيف الماء نحو ١ atm لكل ١٠ m من العمق، فالضغط الكلي P = Pa + Pwater. وعند عمق ١٠٠ m يضيف الماء نحو ١٠ atm ويكون الضغط الكلي نحو ١١ atm. ومضاعفة العمق تضاعف ضغط الماء لكن لا تضاعف الضغط الكلي. وللتحقق إضافيًا: ρgh = ١٠٠٠ × ٩٫٨ × ١٠ ≈ ٩٫٨ × ١٠⁴ N/m² لعمق ١٠ m، وهي قريبة من ١ atm.

العمقيضيف الماءالضغط الكلي
0 m0 atm1 atm
10 m1 atm2 atm
20 m2 atm3 atm
30 m3 atm4 atm
100 m10 atm11 atm
أمثلة محلولة
غواص على عمق ٥٠ m. يضيف الماء ٥٠ ÷ ١٠ = ٥ atm، فالضغط الكلي ١ + ٥ = ٦ atm. بوحدة N/m²: ٦ × ١٫٠١٣ × ١٠⁵ ≈ ٦٫٠٨ × ١٠⁵ N/m².
نافذة مستوية مساحتها ٠٫٥ m² على عمق ٢٠ m. يضيف الماء ٢ atm فالضغط الكلي ٣ atm = ٣ × ١٫٠١٣ × ١٠⁵ ≈ ٣٫٠٤ × ١٠⁵ N/m². والقوة F = P × A = ٣٫٠٤ × ١٠⁵ × ٠٫٥ ≈ ١٫٥ × ١٠⁵ N (نحو ١٥٢ ٠٠٠ N).
هل الضغط عند ٦٠ m ضعف الضغط عند ٣٠ m؟ ضغط الماء وحده ٦ atm مقابل ٣ atm، فنعم، الضعف. لكن الضغط الكلي ٧ atm مقابل ٤ atm وهو ليس الضعف. تأكد أي ضغط يسأل عنه السؤال.
نشاط الفصل

عمود الكتب والنوافير. (١) كدّس عشرة كتب متساوية وفكّر: الكتاب السفلي يحمل وزن التسعة التي فوقه. قارنه بالكتاب العلوي وقل كيف يشبه ذلك ضغط الماء مع العمق. (٢) بمساعدة أحد الكبار: يثقب الكبير مسبقًا ثلاثة ثقوب صغيرة في ارتفاعات مختلفة في زجاجة بلاستيكية ويغلقها بشريط لاصق. فوق حوض املأ الزجاجة وانزع الشريط. صف أي النوافير يندفع أبعد وفسّر ذلك.

تدرّب
1
ما الضغط الكلي على عمق ٣٥ m تحت الماء؟
2
عند أي عمق يكون ضغط الماء وحده ٧ atm؟
3
سطح مستوٍ مساحته ٠٫٤ m² يتعرض لضغط ١ atm (١٫٠١٣ × ١٠⁵ N/m²). أوجد القوة.
4
يهبط غواص من عمق ١٠ m إلى ٤٠ m. بكم يزداد ضغط الماء وحده؟