வாயுக்களின் அழுத்தம்
ஒரு கூர்மையான ஊசி தோலை எளிதாக துளைக்கிறது. ஆனால் அதே விசையில் ஒரு மழுங்கிய பொருளை அழுத்தினால் துளைக்காது. ஏன்? விசை ஒன்றே — ஆனால் பரப்பு வேறு. சிறிய பரப்பில் விசை குவிகிறது → அழுத்தம் (Pressure) அதிகம். இந்த ஒரு கோட்பாடே உறைந்த ஏரியில் நடக்கும் பனிக்கால் காலணிகள் முதல் இரத்த அழுத்தம் வரை அனைத்தையும் விளக்குகிறது.
15.1 அழுத்தம் (Pressure)
ஒரு பரப்பில் குத்துசமாக (perpendicularly) செலுத்தப்படும் விசையின் அளவை அப்பரப்பின் பரப்பளவால் வகுத்தால் அழுத்தம் கிடைக்கிறது.
ஒரு குறிப்பிட்ட பரப்பளவில் குத்துசமாக செயல்படும் விசையே அழுத்தம் எனப்படும்.
P = F / A
P = அழுத்தம் (Pressure) — அலகு: Pa (Pascal = N/m²)
F = விசை (Force) — அலகு: N (Newton)
A = பரப்பளவு (Area) — அலகு: m²
அலகு (Unit): 1 Pa = 1 N/m². இது SI அலகு மண்டலத்தில் அழுத்தத்தின் அலகு ஆகும். இதை பாஸ்கல் என்று அழைக்கிறோம்.
பரப்பளவும் அழுத்தமும்
ஒரே விசை (F) நிலையாக இருக்கும்போது:
- பரப்பளவு அதிகம் → அழுத்தம் குறைவு (P = F/A)
- பரப்பளவு குறைவு → அழுத்தம் அதிகம்
| நிகழ்வு | பரப்பளவு | விளைவு | நோக்கம் |
|---|---|---|---|
| ஒட்டக வடிவிலான காலடி (Camel's foot) | அதிகம் (பரந்தது) | அழுத்தம் குறைவு | மணல் மீது மூழ்காமல் நடக்க |
| உறைபனி காலணி (Snowshoe) | அதிகம் | அழுத்தம் குறைவு | பனியில் மூழ்காமல் நடக்க |
| கூர்மையான கத்தி (Sharp knife) | மிகவும் குறைவு | அழுத்தம் மிக அதிகம் | எளிதாக வெட்டுவதற்கு |
| உயரடி குதிகால் (High heel) | குறைவு | அழுத்தம் அதிகம் | நிலம் பள்ளமாகும் / ஆபத்து |
| ரேல்வே இரும்பு தண்டவாளம் | அதிகம் | அழுத்தம் குறைவு | தரையில் அழுந்தாமல் இருக்க |
| கத்தரிக்கோல் கூர்மையான வாய் | குறைவு | அழுத்தம் அதிகம் | எளிதாக வெட்டுவதற்கு |
ஒரு பெட்டி 100 N விசையை 0.5 m² பரப்பளவு தரையில் செலுத்துகிறது. அழுத்தம் என்ன?
தரப்பட்டவை: F = 100 N, A = 0.5 m²
P = F / A = 100 / 0.5 = 200 Pa
விடை: 200 Pa (200 N/m²)
15.2 திரவ அழுத்தம் (Liquid Pressure)
திரவத்தில் ஆழத்துக்கு ஆழம் அழுத்தம் அதிகரிக்கிறது. இதற்கு காரணம் — ஆழம் அதிகமாக இருக்கும்போது மேலே உள்ள திரவத்தின் எடை அதிகம்.
P = hρg
h = ஆழம் (depth) — அலகு: m
ρ (rho) = திரவ அடர்த்தி (density) — அலகு: kg/m³
g = புவிஈர்ப்பு முடுக்கம் (gravitational acceleration) = 10 m/s²
P = அழுத்தம் — அலகு: Pa
திரவ அழுத்தத்தின் சிறப்பு இயல்புகள்
- எல்லா திசைகளிலும் செயல்படுகிறது — மேல், கீழ், பக்கவாட்டில்
- ஆழத்துடன் கூடவே அதிகரிக்கிறது (h அதிகம் → P அதிகம்)
- திரவ அடர்த்தியைப் பொறுத்தது (ρ அதிகம் → P அதிகம்)
- பாத்திரத்தின் வடிவத்தைப் பொறுத்தது இல்லை — ஒரே ஆழத்தில் அழுத்தம் சமம்
ஒரு நீர்த்தொட்டியில் 3 m ஆழத்தில் அழுத்தம் என்ன? (நீர் அடர்த்தி ρ = 1000 kg/m³, g = 10 m/s²)
தரப்பட்டவை: h = 3 m, ρ = 1000 kg/m³, g = 10 m/s²
P = hρg = 3 × 1000 × 10 = 30,000 Pa
விடை: 30,000 Pa (30 kPa)
U-குழல் மானோமீட்டர் (U-tube Manometer)
ஒரு U-குழலில் ஒரே திரவம் நிரப்பப்படும்போது, ஒரே ஆழத்தில் இரு புறத்திலும் அழுத்தம் சமம். இந்தக் கோட்பாட்டை பயன்படுத்தி வாயு அழுத்தங்களை அளவிட மானோமீட்டர் பயன்படுகிறது.
அணை வடிவமைப்பு (Dam Design)
அணையில் (Dam) கீழ் பகுதி மிகவும் தடிமனாக இருக்கும் — ஏனென்றால் ஆழம் அதிகமாக இருக்கும் கீழ் பகுதியில் நீர் அழுத்தம் மிகவும் அதிகம். P = hρg என்பதில் h அதிகமாகும்போது P அதிகரிக்கிறது.
15.3 வளிமண்டல அழுத்தம் (Atmospheric Pressure)
பூமியை சுற்றி உள்ள வளிமண்டலம் (Atmosphere) என்பது காற்றின் தடிமனான படை ஆகும். இந்தக் காற்றுப் படையின் எடை பூமியின் மேற்பரப்பில் அழுத்தத்தை ஏற்படுத்துகிறது — இதுவே வளிமண்டல அழுத்தம் (Atmospheric pressure).
கடல் மட்டத்தில் சராசரி வளிமண்டல அழுத்தம்:
1 atm = 101,325 Pa ≈ 101.3 kPa = 760 mmHg
பாதரச மானோமீட்டர் (Mercury Barometer)
டோரிசெல்லி சோதனை (Torricelli's Experiment): ஒரு நீண்ட கண்ணாடிக் குழலை பாதரசத்தில் நிரப்பி தலைகீழாக வைக்கும்போது, வளிமண்டல அழுத்தம் பாதரசத்தை குழலில் 760 mm உயரம் வரை தாங்குகிறது. இவ்வாறு வளிமண்டல அழுத்தத்தை அளவிடுவதே பாதரச மானோமீட்டர் (Barometer).
உயரத்துடன் அழுத்தம்
உயரம் அதிகரிக்கும்போது வளிமண்டல அழுத்தம் குறைகிறது — ஏனென்றால் மேலே உள்ள காற்றின் அளவு குறைகிறது. மலை உச்சியில் வளிமண்டல அழுத்தம் கடல் மட்டத்தைவிட குறைவாக இருக்கும்.
வளிமண்டல அழுத்தத்தின் பயன்பாடுகள்
| பயன்பாடு | கொள்கை |
|---|---|
| குடிக்கும் குழல் (Drinking straw) | உறிஞ்சும்போது வாயில் அழுத்தம் குறைகிறது → வெளியே வளிமண்டல அழுத்தம் திரவத்தை தள்ளி மேலே ஏற்றுகிறது |
| உறிஞ்சு குழிகை (Suction cup) | ஒட்டிக்கொள்ளும்போது உள்ளே காற்று வெளியேறுகிறது → வளிமண்டல அழுத்தம் குழிகையை அழுத்தி வைக்கிறது |
| ஊசி (Syringe) | உறிஞ்சும்போது உள்ளே அழுத்தம் குறைகிறது → வளிமண்டல அழுத்தம் திரவத்தை உள்ளே தள்ளுகிறது |
15.4 அர்க்கிமீடிஸ் கோட்பாடு (Archimedes' Principle)
ஒரு பொருள் திரவத்தில் (அல்லது வாயுவில்) இடப்படும்போது, அது அந்தத் திரவம் (வாயு) மேல்நோக்கி ஒரு விசையை அனுபவிக்கிறது. இதுவே மிதவை விசை (Upthrust / Buoyant force) எனப்படும்.
ஒரு திரவத்தில் முழுவதும் அல்லது பகுதியளவு அமிழ்த்தப்பட்ட பொருளுக்கு, அந்தப் பொருள் இடப்பெயர்த்த திரவத்தின் எடைக்கு சமமான மிதவை விசை மேல்நோக்கி செயல்படுகிறது.
மிதவை விசை (U) = ρ_திரவம் × V_அமிழ்ந்த பகுதி × g
ρ = திரவ அடர்த்தி (kg/m³), V = அமிழ்ந்த கன அளவு (m³), g = 10 m/s²
மிதவை (Flotation) நிலைகள்
| நிலை | நிபந்தனை | விளைவு |
|---|---|---|
| மிதத்தல் (Floats) | மிதவை விசை = பொருளின் எடை (அல்லது பொருள் அடர்த்தி < திரவ அடர்த்தி) | பொருள் மிதக்கிறது |
| தங்கல் (Suspended) | மிதவை விசை = பொருளின் எடை (முழுவதும் அமிழ்ந்த நிலையில்) | நீரில் நடுவில் தொங்குகிறது |
| மூழ்கல் (Sinks) | பொருள் அடர்த்தி > திரவ அடர்த்தி | கீழே மூழ்குகிறது |
இரும்புக் கப்பல் மிதப்பது ஏன்?
இரும்பின் அடர்த்தி (7874 kg/m³) நீரின் அடர்த்தியை (1000 kg/m³) விட அதிகம். ஆனால் இரும்புக் கப்பல் நீரில் மிதக்கிறது! காரணம் — கப்பல் உள்ளே காற்றுடன் (hollow) கட்டப்படுகிறது. கப்பலின் சராசரி அடர்த்தி (இரும்பு + காற்று சேர்ந்தது) நீரின் அடர்த்தியைவிட குறைவாக இருக்கிறது → கப்பல் மிதக்கிறது.
ஒரு கட்டி நீரில் முழுவதும் அமிழ்கிறது. கட்டியின் கன அளவு 0.5 m³. மிதவை விசை என்ன?
தரப்பட்டவை: ρ_நீர் = 1000 kg/m³, V = 0.5 m³, g = 10 m/s²
U = ρ × V × g = 1000 × 0.5 × 10 = 5000 N
விடை: மிதவை விசை = 5000 N
15.5 பாஸ்கல் கொள்கை (Pascal's Principle)
மூடிய திரவத்திற்கு (enclosed fluid) வெளிப்பிறவில் செலுத்தப்படும் அழுத்தம், திரவத்தின் அனைத்து புள்ளிகளிலும் மாற்றமின்றி சமச்சீராக கடத்தப்படுகிறது.
நீரழுத்த அச்சு (Hydraulic Press)
பாஸ்கல் கொள்கையின் அடிப்படையில் செயல்படும் நீரழுத்த அச்சு (Hydraulic press) சிறிய விசையால் பெரிய விசையை உருவாக்க முடிகிறது.
சிறிய உருளை பரப்பளவு A₁ = 0.01 m², பெரிய உருளை பரப்பளவு A₂ = 0.1 m²
சிறிய உருளையில் விசை F₁ = 50 N. பெரிய உருளையில் விசை F₂ = ?
F₁/A₁ = F₂/A₂ (அழுத்தம் சமம்)
F₂ = F₁ × A₂/A₁ = 50 × (0.1/0.01) = 50 × 10 = 500 N
விடை: F₂ = 500 N — சிறிய விசையால் 10 மடங்கு பெரிய விசை!
பாஸ்கல் கொள்கையின் பயன்பாடுகள்
| பயன்பாடு | செயல்பாடு |
|---|---|
| நீரழுத்த அச்சு (Hydraulic press) | சிறிய விசை → பெரிய விசை (தகட்டு உருவாக்கம்) |
| நீரழுத்த தடை (Hydraulic brakes) | கால் அழுத்தம் → அனைத்து சக்கரங்களிலும் சம தடை விசை |
| கார் உயர்த்தி (Car lift) | சிறிய விசையால் கனரக வாகனங்களை உயர்த்துதல் |
| நீரழுத்த ஜாக் (Hydraulic jack) | சிறிய அழுத்தத்தால் பெரும் சுமைகளை தூக்குதல் |
கலைச்சொற்கள்
- அழுத்தம் (Pressure) = P = F/A, அலகு Pa
- பாஸ்கல் (Pascal) = N/m² — அழுத்தத்தின் SI அலகு
- திரவ அழுத்தம் (Liquid Pressure) = P = hρg
- வளிமண்டல அழுத்தம் (Atmospheric Pressure) = 101,325 Pa = 760 mmHg
- மிதவை விசை (Upthrust/Buoyant force) = ρVg
- அர்க்கிமீடிஸ் கோட்பாடு (Archimedes' Principle) = இடப்பெயர்ந்த திரவத்தின் எடை
- பாஸ்கல் கொள்கை (Pascal's Principle) = அழுத்தம் சமச்சீராக கடத்தப்படுகிறது
- நீரழுத்த அச்சு (Hydraulic press) = F₁/A₁ = F₂/A₂