לחצים בנוזלים ובאוויר: עקרון פסקל ומערכות הידראוליות

לחץ בנוזלים ולחץ אוויר: כלים שלובים ועקרון פסקל

שיעור עמ״ט | חטיבת גוונים

חיבור לידע קודם: כוח עילוי וארכימדס

<ul><li>גוף שקוע בנוזל חווה כוח כלפי מעלה (כוח עילוי)</li><li>הכוח תלוי בנפח הנוזל שהגוף דחה</li><li>יחסי צפיפות קובעים ציפה או שקיעה</li></ul>

ההקשר ההיסטורי: פחד מהריק

<p>לפני שנת 1640 שלטה התפיסה כי <strong>״הטבע שונא ריק״</strong>.</p><p>האמונה הרווחת: מים עולים בצינורות כי הריק ״מושך״ אותם למעלה למלא את החלל כביכול.</p>

ניסוי טוריצ’לי (1643)

<ul><li><strong>אוונג'ליסטה טוריצ'לי:</strong> פיזיקאי איטלקי.</li><li>לקח צינור ארוך מלא בכספית והפך אותו לתוך קערה.</li><li>עמוד הכספית לא התרוקן אלא נעצר בגובה קבוע.</li><li><strong>המסקנה:</strong> המים עולים בגלל לחץ האוויר החיצוני, לא הריק.</li></ul>

ההסבר המדעי לניסוי טוריצ’לי (הורדת החשש מהריק)

<p>בלחץ האוויר מחוץ לצינור <strong>דוחף</strong> את הנוזל שבקערה כלפי מטה.</p><p>עמוד הכספית בצינור נעצר כאשר נוצר <strong>שיווי משקל</strong> בין לחץ הנוזל ללחץ האוויר החיצוני.</p><p>הריק (ואקום) בראש הצינור אינו 'מושך', הוא פשוט חלל ריק.</p>

חוק בויל (1662): קשר בין נפח ולחץ

רוברט בויל, פיזיקאי אנגלי, גילה את הקשר ההפוך:

נפח גדול ⬆ ➡ לחץ קטן ⬇

נפח קטן ⬇ ➡ לחץ גדול ⬆

משאבה יוצרת נפח גדול בצינור ⬅ הלחץ בפנים קטן ⬅ הלחץ החיצוני דוחף את המים פנימה.

התבוננות ראשונית: כלים שלובים ומערכת בוכנות

מה יקרה אם נלחץ על הבוכנה השמאלית הקטנה?

לפנינו מערכת כלים שלובים הסגורה בשני צדדיה ע״י בוכנות בעלות שטח שונה. הנוזל מחבר בין הכלים.

עקרון פסקל (Pascal's Principle)

לחץ = כוח / שטח

P = F / A

בלז פסקל ניסח: שינוי בלחץ המופעל על נוזל סגור, מועבר ללא שינוי לכל נקודה בנוזל ולדפנות הכלי.

יישום עקרון פסקל: הכפלת כוח

מופעל כוח קטן (F1) על בוכנה עם שטח קטן (A1).

הלחץ (P) מועבר שווה בנוזל.

בבוכנה הגדולה (A2), לחץ זהה על שטח גדול יוצר כוח גדול (F2).

F = P • A ➡ שטח גדול פי 10 ייתן כוח גדול פי 10

הדגמה ויישומים בעולם האמיתי

ניסוי המזרקים: מזרק קטן מחובר לצינורית ומזרק גדול. לחיצה קלה בצד אחד מרימה משקל כבד בצד השני.

יישומים טכנולוגיים:

<ul><li>מגבה מכני (ג'ק) להרמת רכב</li><li>מערכת בלמים ברכב</li><li>ציוד מכני הנדסי (טרקטורים, מנופים)</li><li>כיסא רופא שיניים</li></ul>

סיכום השיעור

<ul><li><strong>לחץ = כוח / שטח</strong> (P=F/A).</li><li>עקרון פסקל: לחץ בנוזל סגור מועבר לכל הכיוונים באופן שווה.</li><li><strong>מערכת הידראולית:</strong> מאפשרת המרת כוח קטן לכוח גדול (רווח כוח).</li><li><strong>חוק בויל:</strong> הקטנת נפח הגז מגדילה את הלחץ.</li><li><strong>טוריצ'לי ולחץ אוויר:</strong> האוויר הוא זה שדוחף נוזלים, הריק לא שואב.</li></ul>