در فصل هشتم علوم نهم با عنوان«فشار و آثار آن» با مفهوم فشار، رابطه نیرو و سطح تماس، فشار در مایعها، اصل پاسکال، فشار در گازها و فشار هوا آشنا میشویم. همچنین کاربرد این مفاهیم را در موضوعاتی مانند سدها، پایه ساختمان، بالابر و ترمز هیدرولیکی، سامانه آبرسانی و تنفس بررسی میکنیم.
در ادامه پاسخ کامل سؤالهای داخل متن، خود را بیازماییدها، فکر کنیدها، فعالیتها و آزمایش کنیدهای صفحات ۸۳ تا ۹۳ علوم نهم را به ترتیب کتاب میخوانید.
جواب سوال صفحه ۸۳ علوم نهم
آب جمع شده در پشت سد، فشار زیادی به آن وارد میکند. آیا میدانید چرا هرچه از تاج سد به پایهٔ آن نزدیک میشویم، ضخامت دیوارهٔ آن افزایش مییابد؟
پاسخ: هرچه از سطح آب به سمت پایین میرویم،
عمق آب بیشتر و فشار واردشده از طرف آب نیز بیشتر میشود. بنابراین بخشهای نزدیک پایه سد باید فشار بسیار بیشتری را تحمل کنند.
به همین دلیل دیواره سد را در قسمتهای پایین ضخیمتر و مقاومتر میسازند و هرچه به تاج سد نزدیک میشویم، ضخامت آن کمتر میشود.
جواب سوالات صفحه ۸۴ علوم نهم
چرا وقتی با کفشهای معمولی روی برف راه میروید، کفشهایتان در آن فرو میروند، اما اگر چوب اسکی (برف سُره) به پا داشته باشید، کمتر در برف، فرو میروید (شکل ۱ــ الف)؟
پاسخ: وزن شخص در هر دو حالت تقریباً یکسان است؛ اما چوب اسکی سطح تماس بسیار بیشتری با برف ایجاد میکند. چون:
P = F / A
با افزایش سطح تماس، فشار وارد بر برف کاهش پیدا میکند؛ بنابراین فرد کمتر در برف فرو میرود.
چرا ابعاد پنجرهٔ هواپیما کوچکتر از پنجرهٔ اتوبوس است (شکل ۱ــ ب)؟
پاسخ: در ارتفاع زیاد، فشار هوای بیرون هواپیما از فشار هوای داخل کابین کمتر است و بین دو طرف پنجره اختلاف فشار وجود دارد.
هرچه مساحت پنجره کوچکتر باشد، نیروی ناشی از این اختلاف فشار که به پنجره وارد میشود کمتر خواهد بود؛ بنابراین ساخت پنجرههای کوچکتر، تحمل این نیرو را آسانتر و ایمنی سازه را بیشتر میکند.
چرا اندازهٔ بادکنک پر از هوا، وقتی از ته استخر آب به بالا میآید بزرگتر میشود (شکل ۱ــ پ)؟
پاسخ: هرچه بادکنک به سطح آب نزدیکتر میشود، عمق آن کمتر و در نتیجه فشار آب اطراف بادکنک کاهش پیدا میکند. با کاهش فشار خارجی، هوای داخل بادکنک بیشتر منبسط میشود و حجم بادکنک افزایش مییابد.
چرا در ته کفش بازیکنان فوتبال، تعدادی گُل میخ وجود دارد (شکل ۱ــ ت)؟
پاسخ: سطح تماس گُلمیخها با زمین کم است؛ بنابراین نیروی وزن بازیکن روی سطح کوچکتری وارد و فشار بیشتری ایجاد میشود. در نتیجه میخها بهتر در چمن و خاک فرو میروند و باعث افزایش گیرایی کفش و کاهش احتمال لغزش بازیکن میشوند.
چرا برای اتصال قطعههای چوبی، افزون بر پیچ و مهره، از واشر نیز استفاده میشود (شکل ۱ــ ث)؟
پاسخ: واشر سطح تماس مهره با چوب را افزایش میدهد. در نتیجه نیروی واردشده روی سطح بزرگتری پخش میشود و فشار روی چوب کاهش مییابد؛ بنابراین احتمال فرو رفتن مهره در چوب یا آسیب دیدن سطح چوب کمتر میشود.
چرا پونز با کمی تلاش درون چوب یا دیوار فرو میرود (شکل ۱ــ ج)؟
پاسخ: نوک پونز سطح تماس بسیار کوچکی دارد. بنابراین حتی با وارد کردن نیروی نهچندان زیاد، فشار بسیار بزرگی در نوک آن ایجاد میشود و پونز در چوب یا دیوار فرو میرود.
در مقابل، سر پهن پونز سطح تماس بیشتری با انگشت دارد و فشار کمتری به انگشت وارد میکند.
جواب خود را بیازمایید صفحه ۸۶ علوم نهم
برای تحمل وزن یک ساختمان، دیوارهای آن را روی پایههای بتونی، میسازند. در شکل زیر، دو نوع پایهٔ متفاوت که معماران در این مورد بهکار میبرند، نشان داده شده است.
الف) اگر سطح کل پایهٔ نواری، نصف سطح پایهٔ یکپارچه باشد، فشار وارد به زمین زیر پایهها را در دو حالت باهم مقایسه کنید. از وزن پایهها چشمپوشی میشود.
ب) برای ساختن ساختمان روی زمین نرم، کدامیک از پایههای نشان داده شده، مناسبتر است؟ علت انتخاب خود را توضیح دهید.
پاسخ الف: وزن ساختمان و در نتیجه نیروی واردشده در هر دو حالت یکسان است؛ اما مساحت پایه نواری نصف پایه یکپارچه است.
A₁ = A₂ / 2
از رابطه فشار داریم:
P = F / A
پس فشار پایه نواری دو برابر فشار پایه یکپارچه خواهد بود:
P₁ = 2P₂
پاسخ ب: برای زمین نرم، پایه یکپارچه مناسبتر است؛ زیرا سطح تماس بیشتری با زمین دارد و وزن ساختمان را روی مساحت بزرگتری پخش میکند. بنابراین فشار وارد بر زمین کمتر میشود و احتمال فرو رفتن یا نشست ساختمان کاهش مییابد.
جواب فکر کنید صفحه ۸۶ علوم نهم
۱ــ یکی از توصیههایی که همواره باید جدی بگیریم، این است که روی سطح یک استخر یخزده یا دریاچهٔ یخزده راه نرویم زیرا فشاری که وزن ما ایجاد میکند، ممکن است برای شکستن یخ کافی باشد. با توجه به تعریف فشار توضیح دهید چرا امدادگر از یک نردبان بزرگ برای حرکت روی سطح یک دریاچهٔ یخزده، استفاده کرده است.
پاسخ: نردبان باعث میشود وزن امدادگر روی سطح بسیار بزرگتری از یخ پخش شود. با ثابت بودن نیرو و افزایش سطح تماس، فشار کاهش پیدا میکند؛ بنابراین احتمال شکستن یخ کمتر میشود.
۲ــ چرا گرفتن پونز بین دو انگشت و فشردن آن میتواند سبب آسیب رساندن به یکی از انگشتها شود (شکل روبهرو)؟
پاسخ: پونز به دو انگشت نیروهایی تقریباً یکسان وارد میکند؛ اما سطح تماس نوک پونز با یکی از انگشتها بسیار کوچکتر از سطح تماس سر پهن آن با انگشت دیگر است.
بنابراین فشار واردشده از طرف نوک پونز بسیار بیشتر است و میتواند پوست همان انگشت را سوراخ یا زخمی کند.
جواب فعالیت صفحه ۸۶ علوم نهم
ابتدا جرم خود را به کمک ترازو اندازه بگیرید و وزن خود را حساب کنید. سپس سطح تماس کفشی که پوشیدهاید را با زمین اندازه بگیرید. سرانجام به کمک رابطهٔ (۱):
الف) فشاری که پاهای شما به زمین وارد میکنند را به دست آورید.
ب) اگر روی یک پای خود بایستید چه فشاری به زمین وارد میکنید؟
پاسخ الف: ابتدا جرم خود را اندازه بگیرید و وزن را حساب کنید:
W = mg
سپس سطح تماس دو کفش با زمین را به متر مربع به دست آورید و از رابطه زیر استفاده کنید:
P = W / A
عدد نهایی برای هر دانشآموز متفاوت است.
نمونه محاسبه: اگر جرم دانشآموز ۴۶ کیلوگرم و مجموع سطح تماس دو کفش
0.03 m² باشد:
W = 46 × 10 = 460 N
P = 460 ÷ 0.03 ≈ 15333 Pa
بنابراین فشار در این نمونه حدود ۱۵۳۳۳ پاسکال است.
پاسخ ب: وقتی روی یک پا میایستیم، وزن تقریباً تغییر نمیکند؛ اما سطح تماس تقریباً نصف میشود. بنابراین فشار تقریباً
دو برابر میشود.
برای نمونه بالا:
A = 0.015 m²
P = 460 ÷ 0.015 ≈ 30667 Pa
عدد واقعی باید با جرم و سطح تماس کفش خود دانشآموز محاسبه شود.
جواب آزمایش کنید صفحه ۸۷ و ۸۸ علوم نهم
هدف: بررسی فشار در مایعها
وسایل و مواد لازم: بطری آب (۱/۵ و ۲ لیتری)، پایه (مثلاً یک یا دو قطعه آجر)، یک ظرف نسبتاً بزرگ، نوار چسب کاغذی
روش اجرا:
۱ــ مطابق شکل سه سوراخ کوچک در بطری ۱/۵ لیتری ایجاد کنید و سوراخها را با نوارچسب کاغذی بپوشانید.
۲ــ بطری را از آب پر کنید و ظرف خالی را زیر آن قرار دهید.
۳ــ مسیری را که پیشبینی میکنید فورانهای آب از سوراخهای ایجاد شده روی بطری طی میکنند روی شکل (ب) رسم و استدلال خود را بیان کنید.
۴ــ درپوش بطری را باز کنید و نوارچسب کاغذی را به آرامی از آن جدا کنید. نتیجهٔ مشاهدهٔ خود را با آنچه روی شکل (ب) رسم کردید مقایسه کنید.
۵ــ مطابق شکل (پ) آزمایش را با دو بطری ۱/۵ و ۲ لیتری انجام دهید. توجه کنید که سوراخها را بهطور مشابه و در ارتفاع یکسان روی هر دو بطری ایجاد کنید. همچنین سطح آب در هر دو بطری مساوی باشد.
۶ــ با توجه به نتایج آزمایشهای شکل (الف) و (پ) توضیح دهید فشار درون مایع چگونه با افزایش عمق تغییر میکند.
پاسخ مرحله ۳ و راهنمای رسم: سه مسیر خروج آب را روی شکل رسم کنید؛ بهطوریکه:
• آب سوراخ بالایی کمترین فاصله را طی کند.
• آب سوراخ میانی فاصله بیشتری طی کند.
• آب سوراخ پایینی بیشترین فاصله را طی کند.
علت این است که سوراخ پایینی در عمق بیشتری قرار دارد و فشار آب در آن بیشتر است؛ بنابراین آب با سرعت بیشتری از آن خارج میشود.
پاسخ مرحله ۴: در آزمایش واقعی نیز معمولاً مشاهده میشود که فوران آب از سوراخ پایینتر دورتر میرود و نتیجه با پیشبینی مرحله قبل سازگار است.
پاسخ مرحله ۵: اگر سطح آب در دو بطری یکسان و سوراخهای متناظر نیز در ارتفاع یکسان باشند، آب از سوراخهای همارتفاع دو بطری تقریباً به شکل مشابه خارج میشود.
بنابراین فشار مایع در یک عمق مشخص، به شکل و حجم ظرف وابسته نیست.
پاسخ مرحله ۶: با افزایش عمق،
فشار درون مایع افزایش مییابد.
همچنین در یک مایع ساکن، نقاطی که در یک عمق قرار دارند فشار یکسانی دارند و این فشار به شکل ظرف وابسته نیست.
جواب فکر کنید صفحه ۸۸ علوم نهم
شکل روبهرو طرحی از سامانهٔ آبرسانی یک منطقهٔ مسکونی را نشان میدهد. با توجه به آنچه تاکنون در این فصل فراگرفتهاید، نقش تلمبه (پمپ) را در ساختمان چندین طبقه توضیح دهید.
پاسخ: برای رساندن آب به طبقههای بلند باید فشار آب به اندازه کافی باشد. در ساختمانهایی که ارتفاع طبقات از سطح آزاد منبع آب زیاد است، فشار طبیعی آب برای رساندن آن به طبقات بالاتر کافی نیست.
تلمبه یا پمپ با افزایش فشار آب، آن را به ارتفاع بیشتری میرساند و سبب میشود آب با فشار مناسب در طبقات بالاتر نیز در دسترس باشد.
جواب فکر کنید صفحه ۸۹ علوم نهم
شکل ۶ طرحی ساده از یک بالابر هیدرولیکی را نشان میدهد که معمولاً در تعمیرگاههای خودرو از آن استفاده میکنند. این بالابرها براساس اصل پاسکال کار میکنند و رابطهٔ زیر در محل پیستونهای آن برقرار است:
F₁ / A₁ = F₂ / A₂
پاسخ و توضیح: وقتی نیروی
F₁ به پیستون کوچک وارد میشود، فشاری برابر با
P = F₁ / A₁
در مایع ایجاد میشود. طبق اصل پاسکال این فشار بدون کاهش به قسمتهای دیگر مایع منتقل میشود.
روی پیستون بزرگ نیز:
P = F₂ / A₂
بنابراین:
F₂ = F₁ × (A₂ / A₁)
چون سطح مقطع پیستون بزرگ A₂ از سطح مقطع پیستون کوچک A₁ بیشتر است، نیروی F₂ نیز بزرگتر میشود و میتواند خودرو را بالا ببرد.
جواب آزمایش کنید صفحه ۹۰ علوم نهم
هدف: بررسی آثار فشار هوا (۱)
وسایل و مواد لازم: قوطی حلبی، منبع گرما
روش اجرا:
۱ــ کمی آب درون قوطی بریزید و آن را روی منبع گرما قرار دهید.
۲ــ مدتی (حدود ۲ الی ۳ دقیقه) صبر کنید تا مقداری بخار آب از سر قوطی خارج شود.
۳ــ با احتیاط قوطی را از روی منبع گرما بردارید. سر قوطی را با درب مخصوص آن محکم ببندید (مراقب انگشتهای خود باشید!).
۴ــ پیشبینی کنید پس از سرد شدن قوطی، چه اتفاقی میافتد. استدلال خود را برای این پیشبینی بیان کنید.
۵ــ چند دقیقه صبر کنید تا قوطی خنک شود. مشاهدهٔ خود را بیان کنید. توضیح دهید که آیا نتیجهٔ آزمایش با پیشبینی شما سازگار است.
پاسخ مرحله ۴ ـ پیشبینی: پیشبینی میکنیم پس از سرد شدن،
قوطی به سمت داخل مچاله یا فشرده شود.
هنگام گرم شدن آب، بخار آب تولید میشود و مقدار زیادی از هوای داخل قوطی را بیرون میراند. پس از بستن در قوطی و سرد شدن آن، بخار آب داخل قوطی چگالیده و به آب مایع تبدیل میشود. در نتیجه فشار داخل قوطی به مقدار زیادی کاهش پیدا میکند.
فشار هوای بیرون که اکنون از فشار داخل قوطی بیشتر است، نیروی زیادی به دیوارهها وارد میکند و قوطی را به داخل میفشارد.
پاسخ مرحله ۵ ـ مشاهده و نتیجه: پس از سرد شدن، قوطی معمولاً
مچاله میشود. این مشاهده نشان میدهد فشار هوای بیرون میتواند نیروی قابل توجهی به اجسام وارد کند.
اگر پیشبینی مرحله قبل نیز مچاله شدن قوطی بوده باشد، نتیجه آزمایش با پیشبینی ما سازگار است.
جواب فعالیت صفحه ۹۰ علوم نهم
یک نی را مطابق شکل (الف) داخل یک بطری محتوی آب قرار دهید. درحالی که یک طرف نی درون بطری قرار دارد مطابق شکل (ب) دهانهٔ بطری را با لبهای خود بهطور کامل بگیرید و درون بطری بدمید. آنچه را مشاهده میکنید، با توجه به آثار فشار هوا و همچنین اصل پاسکال توضیح دهید.
پاسخ: با دمیدن در فضای بالای آب،
فشار هوای داخل بطری افزایش پیدا میکند. این فشار به سطح آب وارد میشود و فشار در مایع نیز منتقل میشود.
چون فشار داخل بطری از فشار هوای بیرون بیشتر شده است، آب درون نی به سمت بالا رانده میشود و از سر نی بیرون میآید.
جواب فکر کنید صفحه ۹۲ علوم نهم
با توجه به شکلهای روبهرو سریعترین راه برای خالی کردن یک بطری پلاستیکی که تا نیمه از آب پر شده، کدام است؟
الف) سر و ته کردن ب) کج کردن پ) فشردن
پاسخ: از میان سه حالت نشاندادهشده، معمولاً
حالت پ، یعنی فشردن بطری سریعتر است؛ زیرا با فشردن بطری فشار هوای بالای آب افزایش پیدا میکند و آب با نیروی بیشتری از دهانه خارج میشود.
در حالت کج کردن نیز هوا میتواند همزمان با خروج آب وارد بطری شود و جریان آب نسبت به سر و ته کردن ساده، یکنواختتر میشود.
دانشآموزی میگوید سریعترین راه برای خالی کردن بطری محتوی آب، ایجاد سوراخی ریز در ته آن است (شکل روبهرو). شما چه فکر میکنید؟
برای بررسی درستی پاسخهای خود، تمامی حالتهای ذکر شده را آزمایش کنید.
پاسخ: ایجاد سوراخ در قسمت بالایی بطریِ وارونه، راهی برای
ورود پیوسته هوا به داخل بطری فراهم میکند. در این حالت لازم نیست هوا به صورت حباب و به طور متناوب از دهانه اصلی وارد شود؛ بنابراین آب میتواند روانتر و پیوستهتر خارج شود.
اما اینکه این روش در یک آزمایش واقعی از حالت فشردن نیز سریعتر باشد، به اندازه سوراخ، اندازه دهانه بطری و مقدار فشردن بطری بستگی دارد. به همین دلیل خود کتاب از دانشآموز خواسته همه حالتها را آزمایش کند.
نتیجه مورد انتظار: وجود راه جداگانه برای ورود هوا، تخلیه آب را نسبت به حالتی که بطری فقط وارونه شده است آسانتر و یکنواختتر میکند.
جواب آزمایش کنید صفحه ۹۲ علوم نهم
هدف: بررسی آثار فشار هوا (۲)
وسایل و مواد لازم: بطری شیشهای، درپوش تک سوراخه و درپوش دو سوراخه، قیف و ظرف محتوی آب
روش اجرا:
۱ــ پیشبینی کنید با ریختن آب درون قیف شکل الف چه اتفاقی میافتد. استدلال خود را بیان کنید.
۲ــ اکنون آزمایش کنید. مطابق شکل الف به آرامی آب را درون قیف بریزید. چه اتفاقی میافتد؟ به دقت مشاهده کنید و سعی کنید آنچه را که اتفاق میافتد توضیح دهید.
۳ــ اگر بهجای درپوش تک سوراخه، از درپوش دوسوراخه استفاده کنیم (شکل ب)، پیشبینی کنید چه اتفاقی میافتد.
۴ــ آزمایش را به کمک درپوش دوسوراخه انجام دهید و سعی کنید آنچه را که اتفاق میافتد توضیح دهید.
پاسخ مرحله ۱: پیشبینی میکنیم در حالت درپوش تکسوراخه، آب به سختی وارد بطری شود یا در قیف باقی بماند؛ زیرا هوای موجود در بطری راه مناسبی برای خروج ندارد.
پاسخ مرحله ۲: با ورود مقدار کمی آب، هوای داخل بطری فشرده میشود و فشار آن افزایش پیدا میکند. این فشار با ورود آب بیشتر مخالفت میکند؛ بنابراین آب به راحتی وارد بطری نمیشود و ممکن است ورود آن کند و همراه با خروج حبابهای هوا باشد.
پاسخ مرحله ۳: پیشبینی میکنیم با استفاده از درپوش دوسوراخه، آب آسانتر و سریعتر وارد بطری شود؛ زیرا هوا میتواند از سوراخ دوم خارج شود.
پاسخ مرحله ۴: در آزمایش مشاهده میشود که همزمان با ورود آب از قیف، هوای بطری از سوراخ دوم خارج میشود. بنابراین فشار اضافی هوا در بطری ایجاد نمیشود و آب به صورت روانتری وارد بطری میشود.
جواب فعالیت صفحه ۹۳ علوم نهم
در علوم سال هفتم با نحوهٔ کار ششها آشنا شدید. همانطور که دیدید آنها شبیه بادکنک، داخل حفرهٔ سینهٔ ما پر و خالی میشوند. اما چه چیزی باعث پر و خالی شدن آنها میشود؟ نقش فشار هوا در این خصوص چیست؟ شما میتوانید پاسخ این پرسشها را با ساختن مدلی از شش، مورد بررسی قرار دهید (شکل زیر).
پاسخ بر اساس مدل کتاب: بطری در این مدل نقش
قفسه سینه، بادکنکهای داخل آن نقش
ششها و ورقه لاستیکی پایین بطری نقش تقریبی
دیافراگم را دارد.
هنگام کشیدن ورقه لاستیکی به سمت پایین: حجم فضای داخل بطری بیشتر میشود و فشار هوای داخل آن کاهش پیدا میکند. چون فشار هوای بیرون بیشتر است، هوا از راه لوله وارد بادکنکها میشود و بادکنکها باد میشوند.
هنگام فشار دادن ورقه لاستیکی به سمت بالا: حجم فضای داخل بطری کاهش و فشار هوای داخل آن افزایش پیدا میکند. در نتیجه هوا از داخل بادکنکها خارج میشود و بادکنکها کوچک و خالی میشوند.
نتیجه: ورود و خروج هوا از ششها در اثر اختلاف فشار انجام میشود. تغییر حجم قفسه سینه سبب تغییر فشار هوای داخل ششها نسبت به هوای بیرون میشود و هوا از ناحیه پرفشار به ناحیه کمفشار حرکت میکند.
نکته مهم فصل: فشار از تقسیم نیرو بر سطحی که نیرو به آن وارد میشود به دست میآید. با ثابت بودن نیرو، هرچه سطح تماس کوچکتر باشد فشار بیشتر است. در مایع ساکن نیز فشار با افزایش عمق بیشتر میشود و در نقاط همعمق یک مایع برابر است. طبق اصل پاسکال، فشار واردشده به مایع محصور بدون کاهش به تمام بخشهای مایع و دیوارههای ظرف منتقل میشود.
جمعبندی فصل هشتم علوم نهم: فشار به مقدار نیرو و مساحت سطح تماس بستگی دارد. همین مفهوم دلیل بسیاری از پدیدههای روزمره مانند کاربرد چوب اسکی، واشر، پونز و پایههای ساختمان را توضیح میدهد. فشار مایع با افزایش عمق بیشتر میشود و شکل ظرف در فشار نقاط همعمق اثری ندارد. اصل پاسکال اساس کار دستگاههایی مانند ترمز و بالابر هیدرولیکی است. گازها نیز فشار وارد میکنند و فشار هوا در بسیاری از پدیدههای زندگی مانند نوشیدن با نی، ورود و خروج مایعات از ظرفها و حتی تنفس انسان نقش اساسی دارد.
