Πώς χρησιμοποιούμε την πίεση των υγρών 🚰
Τα υγρά έχουν μια ιδιαίτερη ιδιότητα: ο όγκος τους δεν αλλάζει, όσο κι αν τα πιέσουμε, αρκεί η θερμοκρασία τους να μένει σταθερή. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μόριά τους είναι ήδη πολύ κοντά το ένα στο άλλο και δεν έχουν πού να «στριμωχτούν» παραπάνω. Πάνω σε αυτή την απλή ιδιότητα στηρίζονται πολλές χρήσιμες εφαρμογές που συναντάμε καθημερινά: από τα φρένα ενός αυτοκινήτου μέχρι το νερό που φτάνει στη βρύση του σπιτιού μας.
Η αρχή του Pascal 💥
Φαντάσου ένα πλαστικό μπουκάλι γεμάτο νερό, με μερικές μικρές τρύπες στα τοιχώματά του. Αν το κρατήσουμε ήρεμα, το νερό θα στάξει αργά από τις τρύπες. Αν όμως το πιέσουμε δυνατά με τα χέρια μας, το νερό θα εκτοξευτεί με μεγάλη ταχύτητα από όλες τις τρύπες ταυτόχρονα, όχι μόνο από αυτή που είναι πιο κοντά στα χέρια μας.
Αυτό σημαίνει ότι η πίεση που ασκήσαμε σε ένα σημείο του νερού έφτασε, αναλλοίωτη, σε κάθε άλλο σημείο του. Το φαινόμενο αυτό το μελέτησε ο Blaise Pascal και διατύπωσε την αρχή που πήρε το όνομά του:
Κάθε μεταβολή στην πίεση ενός εγκλωβισμένου υγρού μεταδίδεται χωρίς να μειωθεί σε κάθε σημείο του υγρού, καθώς και στα τοιχώματα του δοχείου που το κρατάει.
Αυτή η αρχή είναι το κλειδί για να καταλάβουμε όλες τις εφαρμογές που ακολουθούν.
Γιατί τα φράγματα είναι πιο χοντρά στη βάση τους 🏞️
Οι μεγάλες κατασκευές που συγκρατούν το νερό σε ένα φράγμα ονομάζονται υδατοφράκτες. Αν παρατηρήσουμε την κάθετη τομή ενός τέτοιου τοιχώματος, θα δούμε ότι είναι πολύ πιο χοντρό στη βάση του απ' ό,τι στην κορυφή του.
Αυτό δεν είναι τυχαίο. Θυμόμαστε ότι η υδροστατική πίεση μέσα σε ένα υγρό αυξάνεται όσο πηγαίνουμε σε μεγαλύτερο βάθος, σύμφωνα με τον τύπο:
Άρα, όσο πιο βαθιά βρίσκεται ένα σημείο του τοιχώματος, τόσο μεγαλύτερη πίεση δέχεται από το νερό. Το τοίχωμα πρέπει λοιπόν να είναι πιο ανθεκτικό —άρα πιο χοντρό— στα βαθύτερα σημεία του, κοντά στον πυθμένα, ενώ κοντά στην επιφάνεια του νερού μπορεί να είναι πιο λεπτό.
Μην μπερδεύεις το πάχος του τοιχώματος με το ύψος του νερού. Το τοίχωμα είναι χοντρό στη βάση επειδή εκεί δέχεται τη μεγαλύτερη πίεση, όχι επειδή στηρίζει «περισσότερο νερό» από πάνω του.
Πώς φτάνει το νερό στα σπίτια μας 🏙️
Στα δίκτυα ύδρευσης μιας πόλης, το νερό πρέπει να φτάσει σε κάθε σπίτι, ακόμα κι αν βρίσκεται σε ψηλό όροφο. Για να συμβαίνει αυτό χωρίς να χρειάζεται συνέχεια αντλίες σε λειτουργία, κάθε πόλη έχει έναν υδατόπυργο ή μια υπερυψωμένη δεξαμενή, τοποθετημένη ψηλότερα από όλα τα σπίτια.
Αυτό λειτουργεί χάρη σε μια αρχή που ισχύει για δοχεία που επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω σωλήνων, τα συγκοινωνούντα δοχεία. Αν δύο τέτοια δοχεία έχουν αρχικά διαφορετική στάθμη νερού, το νερό θα ρεύσει από το ψηλότερο προς το χαμηλότερο δοχείο, μέχρι οι δύο στάθμες να γίνουν ίσες.
Η ελεύθερη επιφάνεια ενός υγρού που ισορροπεί μέσα σε δοχεία που συγκοινωνούν βρίσκεται πάντα στο ίδιο ύψος, ανεξάρτητα από το σχήμα ή τη χωρητικότητα του κάθε δοχείου.
Έτσι, όσο ο υδατόπυργος είναι ψηλότερα από τις βρύσες των σπιτιών, το νερό «θέλει» να ανέβει μέχρι το ύψος της στάθμης του, γεμίζοντας τους σωλήνες και φτάνοντας μέχρι εμάς.
Πριν από χιλιάδες χρόνια, οι άνθρωποι δεν ήξεραν ότι το νερό μπορεί να ανέβει ξανά σε ύψος μέσα σε σωλήνες. Πίστευαν ότι το νερό κινείται μόνο προς τα κάτω, γι' αυτό έχτιζαν πελώριες πέτρινες κατασκευές με τοξωτά ανοίγματα, τα υδραγωγεία, ώστε το νερό να κατηφορίζει συνέχεια από την πηγή του μέχρι την πόλη. Ένα τέτοιο υδραγωγείο λειτούργησε αδιάκοπα για σχεδόν διακόσια χρόνια, μεταφέροντας νερό μέσα από δεκάδες πέτρινες καμάρες.
Πώς πολλαπλασιάζουμε μια δύναμη με υγρό 🚗
Η αρχή του Pascal δεν εξηγεί μόνο γιατί το νερό πετάγεται από παντού σε ένα σφιγμένο μπουκάλι. Μας επιτρέπει και κάτι πολύ πιο χρήσιμο: να ασκούμε μια μικρή δύναμη και να παίρνουμε πίσω μια πολύ μεγαλύτερη δύναμη.
Φαντάσου ένα κλειστό δοχείο γεμάτο υγρό, με δύο ανοίγματα που κλείνουν με κινητά πιστόνια, τα έμβολα: ένα μικρό έμβολο με εμβαδόν και ένα μεγάλο έμβολο με εμβαδόν . Επειδή το υγρό είναι εγκλωβισμένο, η αρχή του Pascal μας λέει ότι η πίεση είναι η ίδια και στα δύο έμβολα:
Λύνοντας ως προς τη δύναμη στο μεγάλο έμβολο, παίρνουμε:
Αυτό σημαίνει ότι όσο μεγαλύτερο είναι το μεγάλο έμβολο σε σχέση με το μικρό, τόσο περισσότερο πολλαπλασιάζεται η δύναμή μας. Για παράδειγμα, αν το εμβαδόν είναι πέντε φορές μεγαλύτερο από το , τότε η δύναμη θα είναι πέντε φορές μεγαλύτερη από τη δύναμη που ασκήσαμε εμείς. Αυτή η ικανότητα ονομάζεται μηχανικό πλεονέκτημα.
Το μηχανικό πλεονέκτημα δεν σημαίνει ότι «κερδίζουμε» δύναμη από το τίποτα. Για να ανέβει το μεγάλο έμβολο κατά ένα μικρό ύψος, το μικρό έμβολο πρέπει να κατέβει κατά πολύ μεγαλύτερη απόσταση. Ασκούμε μικρότερη δύναμη, αλλά κινώντας το χέρι μας πολλές φορές ή σε μεγαλύτερη διαδρομή.
Πού συναντάμε το μηχανικό πλεονέκτημα
Η δυνατότητα να πολλαπλασιάζουμε μια δύναμη μέσω υγρού χρησιμοποιείται σε πολλές συσκευές:
| Εφαρμογή | Τι πετυχαίνει |
|---|---|
| Υδραυλικός ανυψωτήρας οχημάτων | Σηκώνει ολόκληρο αυτοκίνητο με μικρή δύναμη στο πεντάλ ή τη λαβή |
| Υδραυλική πρέσα | Ασκεί τεράστια δύναμη σε βιομηχανικά υλικά |
| Υδραυλικά φρένα αυτοκινήτου | Μετατρέπουν τη μικρή δύναμη του ποδιού σε μεγάλη δύναμη στα φρένα των τροχών |
Πηγές που αναβλύζουν μόνες τους 💦
Σε ορισμένες περιοχές, το έδαφος κάτω από την επιφάνεια σχηματίζει φυσικά μια στεγανή «λεκάνη» μέσα στο υπέδαφος. Το νερό της βροχής που φτάνει εκεί δεν μπορεί να διαφύγει προς τα κάτω, οπότε συσσωρεύεται και δημιουργεί μεγάλη πίεση, ειδικά αν η πηγή τροφοδοσίας του νερού βρίσκεται ψηλότερα.
Αν σε ένα χαμηλότερο σημείο ανοίξουμε μια τρύπα ως το υπόγειο αυτό νερό, το νερό αναβλύζει μόνο του προς τα πάνω, χωρίς να χρειάζεται καμία αντλία. Αυτό συμβαίνει ακριβώς λόγω της υδροστατικής πίεσης, με τον ίδιο τρόπο που εξηγεί και τα συγκοινωνούντα δοχεία: το νερό «θέλει» να ανέβει μέχρι το ύψος της αρχικής του στάθμης.
Τέτοιες πηγές ονομάζονται αρτεσιανές. Το όνομα προέρχεται από μια περιοχή της Γαλλίας όπου, στα μεσαιωνικά χρόνια, άνοιξαν πολλές τέτοιες πηγές νερού που ανέβλυζαν μόνες τους.