فشارسنج یا بارومتر چیست ؛ توضیحاتی بر چگونگی عملکرد و انواع آن
بارومتر چیست؟ فشارسنج چگونه کار می کند؟ انواع فشار سنج ها کدامند و هرکدام چه عملکرد و کارایی دارند؟ این‌ها سوالاتی است که قصد داریم در این مقاله به آن‌ها پاسخ دهیم. بنابراین یک فنجان چای برای خود بریزید و با تکراتو همراه شوید.
فشارسنج به زبان ساده
فشارسنج یا بارومتر (و یا به انگلیسی Barometer)، وسیله‌ای علمی است که از آن در علم هواشناسی برای اندازه‌گیری فشار جوی استفاده می‌شود. با توجه به گرایش فشار می‌توان تغییرات کوتاه مدت در وضعیت هوا را پیش‌بینی کرد. تعداد قابل توجهی از اندازه‌گیری‌های فشار هوا در نقشه‌های تحلیل سطح هوا به کار می‌روند تا به یافتن سطح‌هایی که فشار هوای کمی دارند، سامانه‌های پرفشار و همچنین مرزهای جبهه‌های هوا کمک کنند.
بارومترها و آلتیمترهای فشار (ابتدایی‌ترین و رایج‌ترین نوع ارتفاع‌سنج) در اصل وسیله‌هایی یکسان‌اند که برای مقاصد متفاوت به کار می‌روند. آلتیمترها معمولا از جایی به جایی برده می‌شوند تا فشار جو را با ارتفاع متناظر تطابق دهند، در حالی‌که فشارسنج‌ها جابهجا نمی‌شوند و تنها تغییرات دقیق و ریز فشار در اثر هوا را اندازه می‌گیرند. تنها استثنای موجود کشتی‌ها هستند که به دلیل ثابت ماندن ازتفاع‌شان می‌توانند از فشارسنج استفاده کنند.
تاریخچه بارومتر
در حالی که اختراع فشارسنج را در تمام نقاط جهان به اوانجلیستا توریچلی در سال ۱۶۴۳ نسبت می‌دهند، مدارک تاریخی همچنین از شخصی به نام گاسپارو برتی، ریاضی‌دان و اخترشناس ایتالیایی نام می‌برند که به شکلی غیرعمدی حین سال‌های ۱۶۴۰ تا ۱۶۴۳ نوعی فشارسنج آبی اختراع کرد. دانشمند و فیلسوف فرانسوی رنه دکارت نیز در سال ۱۶۳۱ از طراحی آزمایشی گفته بود که به کمک آن بتوان فشار هوا را سنجید، با این وجود، مدرکی دال بر این که دکارت نسخه‌ای قابل استفاده از این وسیله را ساخته یا نه در دسترس نیست.
در بیست و هفتم جولای ۱۶۳۰ جووانی باتیستا بالیانی نامه‌ای به گالیلئو گالیله نوشت و در آن آزمایش ساخته‌ی خود را شرح داد که اگر یک سیفون را به تپه‌ای با ارتفاع حدودا ۲۱ متر ببرید از کار خواهد افتاد. گالیله در پاسخ توضیحی بر این پدیده نوشت:
او چنین می‌پنداشت که قدرت خلاء آب را بالا نگه می‌دارد، و در ارتفاعی مشخص مقدار آب زیاد شده و نیروی خلاء دیگر نتوانسته آب را بالا نگه دارد، همچون سیمی که قدرت نگه‌داری از وزن مشخصی را دارد.
این پاسخ بازگویی نظریه‌ی horror vacui (طبیعت از خلاء متنفر است) بود که به زمان ارسطو بازمی‌گشت و گالیلئو آن را resistenza del vacuo نام نهاد.
کتاب Discorsi باعث شد نظرات گالیله در دسامبر ۱۶۳۸ به رم برسند. این نظرات رافائله ماژوتی و گاسپارو برتی را هیجان‌زده کردند، و آن‌ها تصمیم گرفتند به جای سیفون از راهی بهتر برای تولید خلاء استفاده کنند. ماژوتی آزمایشی طراحی کرد و برتی آن را (در حضور ماژوتی، آتاناسیوس کیرشر، نیکولو زوچینی) بین سال‌های ۱۶۳۹ تا ۱۶۴۱، انجام داد.
چهار شرح از آزمایش برتی وجود دارد، اما مدلی ساده از آزمایش وی عبارت است از پر کردن لوله‌ای بلند از آب که دو سر آن بسته باشد، سپس لوله را در تشتی فرو می‌بریم که از آب پر باشد. با این حال، تنها بخشی از آب درون لوله خارج شد و سطح آب درون لوله دقیقا همان‌جا، ۱۰.۳ متر، باقی ماند؛ همان ارتفاعی که گالیلئو و بالیانی مشاهده کرده بودند که به خاطر سیفون محدود شده بود.
مهم‌ترین مطلب در مورد این آزمایش این بود که آبی که از لوله خارج می‌شد مقداری هوا در بالای خود ایجاد می‌کرد که هیچ تماس مستقیمی با هوا ندارد که باعث پر شدن آن از هوا شود. این اتفاق این گمانه را تشدید کرد که در فضای بالای آب خلاء ایجاد می‌شود.
توریچلی، یکی از دوستان و شاگردان گالیله، نتیجه‌ی این آزمایش را به شکلی نوین تفسیر کرد. پیشنهاد وی این بود که وزن جو، و نه نیروی جذب‌کننده‌ی خلاء، آب را درون لوله نگه می‌دارد. وی در سال ۱۶۴۴ نامه‌ای پیرامون این آزمایش به میکل‌آنجلو ریچی نوشت:
بسیاری بر این باور‌اند که خلاء وجود ندارد، برخی نیز معتقد‌اند علیرغم نفرت طبیعت و سختی‌های موجود، خلاء وجود دارد؛ هیچ‌گاه از هیچ‌کس نشنیده‌ام که بگوید خلاء بدون هیچ سختی و مقاومت از جانب طبیعت وجود دارد. بنابراین من چنین بحث می‌کنم: اگر بتوانیم دلیلی آشکار پیدا کنیم که مقاومتی که هنگام ایجاد خلاء حس می‌شود از آن نشأت بگیرد، به باور من احمقانه خواهد بود که به خلاء، آن کارکردهایی را اطلاق کنیم که آشکارا دلیلی دیگر دارند. بنابراین با انجام محاسباتی ساده متوجه شدم دلیلی که من برای این اتفاق می‌بینم (وزن جو) به تنهایی مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد تا هنگامی که بخواهیم خلاء ایجاد کنیم.
باور سنتیان (به خصوص ارسطوییان) این بود که هوا هیچ وزن جانبی‌ای ندارد: یعنی، کیلومترها هوایی که بالای سطح قرار گفته است هیچ وزنی به ساکنان زمین وارد نمی‌کرد. حتی گالیله نیز بی‌وزن بودن هوا را به عنوان حقیقتی ساده پذیرفته بود. توریچلی این باور را به پرسش کشید و در عوض اعلام کرد که هوا وزن دارد و این وزن (و نه نیروی جذب‌کننده‌ی خلاء) است که ستون آب را نگه می‌دارد (یا هل می‌دهد). او فکر می‌کرد سطحی که آب در آن می‌ایستد (۱۰.۳ متر) از نیروی وزن هوا خبر می‌دهد که بر آب فشار وارد می‌کند (خصوصا، فشاری که بر آب تشت وارد می‌شود و مقدار آبی که از لوله خارج می‌شود را محدود می‌کند). به عبارت دیگر، او بارومتر را به عنوان یک تعادل می‌فهمید، وسیله‌ای برای اندازه‌گیری (برخلاف تصورر رایج که آن را وسیله‌ای برای ایجاد خلاء می‌دانست) و چون وی اولین کسی بود که از این زاویه به این اتفاق نگریسته بود، بنا بر سنت او را مخترع فشارسنج می‌دانند (فشارسنج در آن معنا که ما امروزه مراد می‌کنیم).
به دلیل شایعاتی که در ایتالیای زمان توریچلی مبنی بر این که او جادوگری و سحر می‌کند در جریان بود، توریچلی متوجه شد که برای جلوگیری از دست‌گیر شدن بهتر است نتایج آزمایش را پیش خود نگه دارد. او نیاز دید که از ماده‌ای سنگین‌تر از آب استفاده کند و بنا بر آشنایی و همکاری پیشین او با گالیله، به این نتیجه رسید که با استفاده از جیوه می‌تواند از لوله‌ای کوتاه‌تر استفاده کند. با استفاده از جیوه، که حدودا ۱۴ مرتبه از آب سنگین‌تر است، به لوله‌ای هشتاد سانتی‌متری و نه ده متری نیاز بود.
در سال ۱۶۴۶ بلز پاسکال و پیر پُتیت پس از باخبر شدن از آزمایش توریچلی به واسطه‌ی مارین مرسن، که خود توریچلی آزمایش را در اواخر سال ۱۶۴۴ به او نشان داده بود، آن را تکرار کرده و بهبود بخشیدند. پاسکال آزمایش دیگری طراحی کرد تا نظر ارسطوییان را مبنی بر اینکه ابخره‌ی مایع است که فضای بالای بارومتر را پر می‌کند، مورد آزمایش قرار دهد.
آزمایش او آب را با شراب قیاس می‌کرد و به دلیل اینکه شراب در آن زمان روحانی‌تر تلقی می‌شد، ارسطوییان انتظار داشتند که شراب پایین‌تر بایستد (چرا که ابخره‌ی بیشتر در معنای فشار بیشتر بر ستون مایع است). پاسکال این آزمایش را در ملأ عام اجرا کرد و از ارسطوییان دعوت نمود تا نتیجه‌ی آزمایش را پیشاپیش حدس بزنند. ارسطوییان پیش‌بینی کردند که شراب پایین‌تر خواهد ایستاد. این اتفاق نیفتاد.
با این حال، پاسکال حتی فراتر رفت تا نظریه‌ی مکانیکی را مورد آزمایش قرار دهد. اگر، همانطور که فلاسفه‌ی مکانیکی همچون پاسکال و توریچلی شک کرده بودند، هوا واجد وزن جانبی بود، وزن هوا بایست در ارتفاعات بیشتر، کمتر باشد. بنابراین پاسکال نامه‌ای به برادر زن خود، فلورن پریر که در نزدیکی تپه‌ای به نام پی دُ دُم می‌زیست نوشت و از او درخواست کرد تا آزمایشی حیاتی را انجام دهد. پریر باید بارومتری را به پی دُ دُم می‌برد و ارتفاع ستون جیوه را هنگام بالا رفتن از تپه اندازه می‌گرفت. سپس وی باید اندازه‌گیری‌های خود را با اندازه‌هایی که در کوهپایه گرفته شده بودند مقایسه می‌کرد تا ببیند که آیا اندازه‌هایی که در ارتفاعات بالاتر گرفته شده‌اند کوچکتر هستند یا نه. در سپتامبر ۱۶۴۸، پریر آزمایش را با دقت تمام اجرا کرد و پی برد که پیش‌بینی‌های پاسکال صحیح بودند. هرچه شخص به ارتفاعات بالاتری برود سطح جیوه پایین‌تر می‌رود.
انواع فشارسنج
به طور کلی بارومترها را می‌توان در ۴ دسته طبقه بندی کرد:
- بارومترهای آبی
- فشارسنج جیوه ای
- بارومترهای روغن پمپ خلاء
- بارومترهای آنِروید
۱. بارومترهای آبی
فشارسنج آبی از یک ظرف شیشه‌ای بسته که تا نصفه از آب پر شده باشد تشکیل می‌شود. فشارسنج های آبی این‌گونه کار می‌کنند که یک دهانه‌ی شیشه‌ای باریک از قسمت پایین سطح آب شروع می‌شود و تا بالای سطح آب ادامه پیدا می‌کند. انتهای دهانه‌ی باریک باز است. هنگامی که فشار هوا از زمانی که ظرف اصلی را بستیم کمتر شده باشد سطح آب در لوله‌ی باریک از سطح آب ظرف اصلی بیشتر می‌شود؛ هنگامی که فشار هوا بیشتر شده باشد، سطح آب لوله‌ی باریک از سطح آب ظرف اصلی کمتر می‌شود.
گونه‌های مختلف از این بارومتر را می‌توان به آسانی در خانه نیز ساخت.
۲. فشارسنج جیوه‌ای
بارومتر جیوه‌ای از یک تیوب شیشه‌ای تشکیل شده که از یک طرف بسته است و از طرف دیگر به ذخیره‌ی جیوه متصل است. وزن جیوه باعث می‌شود در بالای لوله، خلاء ایجاد شود که به خلاء توریچلی معروف است. جیوه آنقدر درون لوله جابهجا می‌شود تا اینکه وزن ستون جیوه با فشاری که بر منبع وارد می‌شود به تعادل برسد. فشار بالای جوی، وزن بیشتری به ذخیره‌ی جیوه وارد می‌کند و باعث می‌شود جیوه‌ی درون لوله بالاتر رود. فشار جوی کمتر، با نیروی کمتری که به ذخیره‌ی جیوه وارد می‌کند سطح جیوه را پایین‌تر می‌آورد. لازم به ذکر است که بارومترهای جیوه‌ای دقت بسیار بالایی دارند، با این حال، سازمان ملل در تاریخ ۱۵ خرداد ۱۳۸۶ دستور‌العملی را اجرایی کرد که به موجب آن فروش جیوه محدودتر شده و در نتیجه فشارسنج‌های جیوه‌ای نیز دیگر تولید نشدند.
۳. بارومترهای روغن پمپ خلاء
استفاده از روغن پمپ خلاء به عنوان مایع اصلی فشارسنج باعث به وجود آمدن بلندترین بارومتر جهان در فوریه‌ی سال ۲۰۱۳ شد. یک نمونه از این بارومترها در دانشگاه ایالت پورتلند موجود است.
۴. بارومترهای آنِروید
فشارسنج‌های آنِروید برای اندازه‌گیری فشار نیازی به مایع ندارند. این روش که دانشمندی فرانسوی به نام لوسین ویدی در سال ۱۸۴۴ کشف کرد، از یک جعبه‌ی فلزی کوچک و منعطف به نام سلول (کپسول) آنروید ساخته می‌شود که آلیاژی از برلیوم و مس است. یک فنر قدرتمند از متلاشی شدن کپسول (یا کپسول‌ها) جلوگیری می‌کند. تغییرات کوچک در فشار جو باعث منبسط یا منقبض شدن این سلول‌ها می‌شود. این انبساط یا انقباض باعث به حرکت درآوردن اهرم‌هایی مکانیکی می‌شود که باعث می‌شوند حرکات کپسول‌ها تقویت شده و بر اندازه‌ی فشار هوا بر صفحه‌ی فشارسنج قابل رؤیت باشد.
این نوع از بارومتر در خانه‌ها و قایق‌های تفریحی و همچنین هواپیماهای کوچک به وفور یافت می‌شود.
بیشتر بخوانید:
تهیه و گردآوری: تکراتو
مطلب فشارسنج یا بارومتر چیست ؛ توضیحاتی بر چگونگی عملکرد و انواع آن برای اولین بار در وب سایت تکراتو - اخبار روز تکنولوژی نوشته شده است.