فشار جو
atm — یکای بیرون از SI · کمیت: فشار · دقیقاً ۱۰۱ ۳۲۵ Pa
چاهکنان فلورانس گله داشتند که هیچ تلمبهای، هر قدر هم تلاش کنند، آب را بالاتر از ده متر و نیم نمیکشد. گالیله به شوخی گفت که گویا وحشت طبیعت از خلأ رو به پایان است. شاگردش توریچلی خواست موضوع را جدی بیازماید و بهجای آب جیوه ریخت — جیوه چهارده برابر سنگینتر است، پس ستون کوتاهتر میشود و روی میز جا میگیرد. جیوه در لولهٔ دربسته روی هفتاد و شش سانتیمتر ایستاد و بالای آن خلأیی ماند که نباید میبود. پس تلمبه چیزی نمیمکد: این هواست که آب را به درون لوله میراند، و درست با همان نیرویی میراند که این ستون میتواند تعادلش را نگه دارد. توریچلی نوشت: ما در ژرفای اقیانوسی از هوا فرورفته زندگی میکنیم.
01 · تعریف
فشار جو یکای فشاری بیرون از SI است و دقیقاً برابر ۱۰۱ ۳۲۵ پاسکال. این عدد اندازهگیری نشده بلکه مقرر شده است: فشار ستون جیوهای به ارتفاع ۷۶۰ mm در دمای صفر درجه و شتاب گرانش استاندارد، که یک بار محاسبه و از ۱۹۵۴ همچون تعریف تثبیت شد.
ببینید بر سر منطق چه آمد. نخست یکا یک شیء بود: ستون جیوه که میشد ریخت، با خطکش سنجید و با چشم دید. سپس آن شیء را از راه چگالی جیوه و نیروی گرانش حساب کردند، عددی پنجرقمی به دست آمد — و خودِ عدد را یکا اعلام کردند. از آن پس جیوه لازم نبود: اگر فردا معلوم شود چگالیاش اندکی دقیقتر دانسته میشود، فشار جو نمیلرزد، چون دیگر دربارهٔ جیوه نیست.
در این یکا تنها نیمهٔ دوم نام فریبنده است. جو «استاندارد» چیزی دربارهٔ آنچه بیرون پنجره میگذرد نمیگوید: فشار واقعی نزدیک سطح زمین از ۸۷۰ هکتوپاسکال در چشم توفند تا ۱۰۸۵ بر فراز سیبری زمستانی در نوسان است، و اینکه دقیقاً یک اتمسفر به دست آید، به بیان دقیق، تصادفی است. این نقطهٔ مرجع است، نه اندازهگیری: حجم گازها به آن بازگردانده میشود، دماهای جوش از آن شمرده میشود، فشارسنجها با آن مدرج میشوند — و از سر عادت آن را «فشار عادی» مینامند، حال آنکه فشار عادی در طبیعت وجود ندارد.
از این عدد تثبیتشده همهٔ حساب این برگه برمیآید: فشار جو دقیقاً ۷۶۰ برابر میلیمتر ستون جیوه، 1,013 25 برابر بار و 1,033 برابر جو فنی است — همان «at»، یعنی کیلوگرم‑نیرو بر سانتیمتر مربع، که تا امروز با اصلی اشتباه گرفته میشود. تفاوت میان آن دو سه درصد است: برای خرابکردن یک محاسبه بس است و برای دیدهشدن روی فشارسنج بسیار کم.
یک اتمسفر یعنی ده تن و سیصد و سی کیلوگرم هوا که بر هر متر مربع ایستاده است: بر شانههای یک بزرگسال حدود ششصد کیلوگرم و بر کف دست صد و پنجاه. ما را له نمیکند چون هم از بیرون و هم از درون فشار میآورد — اما کافی است نیمی از آن را از یک سو برداری تا تفاوت به نیرویی کاملاً محسوس بدل شود. بادکش، نی نوشیدنی، بالابر خلأیی شیشه و قفسهٔ سینه هنگام دم، همه بر یک اصل کار میکنند: فشار یک سو را اندکی کم کن و بگذار خود جو کار را انجام دهد.
02 · تبدیل
مقداری وارد کنید تا این برگه آن را به یکاهای دیگر تبدیل کند
سه خانواده: خودِ مقیاس فشارها، اشیای آشنا زیر همین فشار، و شرایط استانداردی که جو تعیین میکند.
دام اصلی در ضرایب نیست، در این است که از کجا میشماریم. فشارسنج خانگی — لاستیک، کمپرسور، هر کدام که عقربه دارد — فشار نسبی را نشان میدهد، یعنی اختلاف با هوای پیرامون؛ «دو و نیم در چرخ» یعنی سه و نیم مطلق. اما فرمولهای قوانین گازها، دماهای جوش و انحلالپذیری فشار مطلق میخواهند. از همینجاست آن دو حرف در کاتالوگهای انگلیسی، psig و psia، و از همینجاست نیمی از محاسبات خرابشده: اشتباهگرفتن این دو یعنی خطای دقیقاً یک اتمسفر، که در فشارهای کم از خودِ کمیت اندازهگیریشده بزرگتر است.
| نگارش | معنایش چیست | مقدار | کجا دیده میشود |
|---|---|---|---|
| atm | جو استاندارد | 1,0000 | شیمی، غواصی |
| Pa | پاسکال، یکای SI | ۱۰۱۳۲۵ Pa | استانداردها و محاسبات |
| kPa | کیلوپاسکال | 101,325 | لاستیک، مهندسی در SI |
| bar | bar | 1,01325 | هیدرولیک، غواصی |
| hPa | هکتوپاسکال، یعنی میلیبار | 1013,3 | گزارشهای هواشناسی |
| mmHg | تور | 760,00 | پزشکی، فناوری خلأ |
| at | مهندسی، kgf/cm² | 1,0332 | اسناد قدیمی |
| psi | پوند بر اینچ مربع | 14,696 | مهندسی انگلیسی‑آمریکایی |
| mmHg | فشار خون | ۱۰۱۳۲۵ Pa | ۱۲۰ mm — فشار سیستولی فرد سالم |
| bar | لاستیک خودرو | ۱۰۱۳۲۵ Pa | 2,5 bar روی گِیج |
| atm | کپسول غواصی | ۱۰۱۳۲۵ Pa | ۲۰۰ اتمسفر در کپسول فولادی |
| hPa | گزارش هواشناسی | ۱۰۱۳۲۵ Pa | ۱۰۱۳ hPa نزدیک سطح |
| atm | شرایط استاندارد IUPAC | ۱۰۱۳۲۵ Pa | ۱ bar از ۱۹۸۲، پیش از آن فشار جو |
| kPa | شرایط عادی | ۱۰۱۳۲۵ Pa | 101,325 kPa و ۰ °C |
| mmHg | کالیبراسیون فشارسنج | ۱۰۱۳۲۵ Pa | ۷۶۰ mm در ۰ °C و g₀ |
تبدیلها دقیقاند: همهٔ این یکاها با ضرایب صحیح از راه پاسکال تعریف شدهاند و هیچکدام با آزمایش اصلاح نمیشود. تنها عدد زندهٔ جدول هکتوپاسکال است: با میلیبار برابر است، و به همین دلیل هواشناسی توانست یکا را عوض کند بیآنکه دیدبانان را از نو آموزش دهد یا نقشهها را دوباره بکشد.
03 · مرتبههای بزرگی
لگاریتم دهدهی فشار، بر حسب اتمسفرگسترهٔ زیستپذیر و فناوری روزمره
04 · ابزارهای اندازهگیری
فشار جو را با چه میسنجند
لولهای شیشهای به درازای یک متر، از یک سر بسته، پر از جیوه و وارونه در کاسه: جیوه پایین میرود تا در ارتفاع تعادل بایستد و بالای آن خلأ توریچلی میماند — نخستین خلأیی که دست انسان ساخت. این ابزار بیعیب دقیق و بهکلی ناراحت است: سنگین است، کجشدن را برنمیتابد و تصحیح برای دمای جیوه و گرانش محلی میخواهد. در عوض به کالیبراسیون نیاز ندارد — خطکش خودش مقیاس است.
همان اصل، اما رسیده به سطح اندازهشناسی: کف کاسه با کیسهای چرمی بسته شده و با پیچ، سطح آن هر بار به صفر مقیاس آورده میشود — به نوکی عاجی که باید بازتاب خود را در جیوه بهسختی لمس کند. تنها پس از آن قلهٔ ستون با ورنیه، تا یکدهم میلیمتر، خوانده میشود. با چنین فشارسنجهایی تا میانهٔ سدهٔ بیستم فشار را روی میزهای کالیبراسیون تعیین میکردند، و از همان قرائتها — پس از تحویل به صفر درجه و گرانش استاندارد — عدد ۱۰۱ ۳۲۵ برآمد.
بهجای جیوه، جعبهای پهن و کنگرهدار که هوایش تخلیه شده است: با بالا رفتن فشار اندکی پهن میشود و با پایین آمدنش باز میگردد. جابهجایی دیوارهٔ آن در حد دهمهای میلیمتر است و همهٔ هنر ابزار در اهرمهایی است که این حرکت را تا نوسان عقربه بزرگ میکنند. آنروئید را میتوان جابهجا کرد، انداخت و در راهرو آویخت، اما با گذر زمان دروغ میگوید: فنر خسته میشود و باید آن را با فشارسنج جیوهای سنجید. چنین شد که یک کمیت واحد هم ابزار «درست» یافت و هم ابزار «راحت».
در تلفن غشایی سیلیکونی به اندازهٔ دانهٔ شن زندگی میکند: زیر فشار خم میشود و با خمیدگی، ظرفیت یا مقاومت کرنشسنجهای لبهاش تغییر میکند. حساسیت حدود ده پاسکال است، یعنی کمتر از یک متر ارتفاع، و به همین سبب مسیریاب طبقهٔ اول را از سوم بازمیشناسد. شمار فشارسنجهای جهان اکنون از دماسنجها بیشتر است و قرائتهایشان، گردآمده از میلیونها تلفن، هماکنون به مدلهای پیشبینی هوا داده میشود.
05 · قواعد نگارش
سه حرف کوچک و یک قید
این یکا از نام کسی گرفته نشده است، پس نمادش با حرف کوچک نوشته میشود و پیشوند به آن نمیچسبانند.
حرف بزرگ «A» در کاتالوگ تجهیزات وارداتی دیده میشود و همیشه نشانهٔ بیدقتی است، نه یکایی دیگر. بار با فشار جو ۱٫۳ درصد تفاوت دارد و درست برای همین آورده شد که عدد گردی از پاسکال به دست دهد؛ هواشناسی همان دههٔ سی جو را به سود آن رها کرد و گزارشها با هکتوپاسکال میآید که عدداً برابر میلیبار است. «at» فنی همان کیلوگرم‑نیرو بر سانتیمتر مربع است، سه درصد کوچکتر از اصلی، و در اسناد قدیمی بیش از atm دیده میشود. آخرین سطر دربارهٔ چیزی است که جا مانده: بدون قید «مطلق» یا «نسبی» عدد فشار ناقص است، و این تنها قیدی است که نمیتوان انداخت.
07 · بخش تاریخی
چگونه خلأ به یکا بدل شد
آزمایش یک دقیقه طول کشید و بحث بر سرش بیست سال: بالای جیوه در لوله خلأیی پدید آمد که به باور همگانی نمیتوانست باشد. توریچلی همهچیز را یکجا توضیح داد: ستون را وزن هوا نگه میدارد و ارتفاعش ثابت نیست — روزبهروز تغییر میکرد. ابزاری که برای جدالی فلسفی ساخته شده بود بیدرنگ پیشبین هوا از آب درآمد، و این تنها موردی است که هواشناسی از خلأ زاده شد.
بلز پاسکال چنین استدلال کرد: اگر ستون را هوا نگه میدارد، پس بر کوه هوا کمتر است و ستون باید پایین بیاید. خودش بسیار کمبنیه بود، پس دامادِ خانواده فلوران پریه با دو لوله از پویدودوم بالا رفت: یکی را در دامنه زیر نظر راهبی گذاشت و دیگری را بالا برد. بر قله جیوه سه اینچ و یک خط پایین آمد. بحث پایان یافت: هوا وزن دارد، و هرچه بالاتر روی، این وزن کمتر است.
اوتو فون گریکه، شهردار ماگدبورگ، دو نیمکرهٔ مسی را به هم چسباند، با تلمبهٔ خودش هوایش را کشید و از یراقهای اسب خواست آنها را از هم جدا کنند. هشت اسب از هر سو نتوانستند؛ در قطر نیم متر، جو کره را با نیرویی حدود دو تن نگه داشته بود. حساب برای هر کس که بلد باشد مساحت را در فشار ضرب کند روشن است، اما آن نمایش بهتر از هر استنتاجی توضیحش داد — و چهار سده در کتابهای درسی ماند.
تا میانهٔ سدهٔ بیستم دشواری آشکار شد: تعریف بر پایهٔ ۷۶۰ میلیمتر جیوه، چگالی جیوه و گرانش محلی را با خود میکشید، و هر دو کمیت پیوسته دقیقتر میشدند. دهمین کنفرانس عمومی اوزان و مقیاسها این گره را برید و فشار جو را بنا بر تعریف برابر ۱۰۱ ۳۲۵ پاسکال اعلام کرد. یکا پیوندش را با ماده از دست داد و به ضریبی ساده بدل شد — با همان ترفندی که بعدها متر و سپس کیلوگرم از اشیای خود گسسته شدند.
یکایی که لغو شد و نتوانستند برچینندش
فشار جو در SI جای ندارد و کاربردش توصیه نمیشود: فشار پاسکال خود را دارد و برای مقادیر بزرگ پیشوندهایش را. با این همه، این یکا آنجا پابرجاست که نه عدد، بلکه مقایسه با هوای پشت پنجره اهمیت دارد. شیمیدان مینویسد «واکنش در ۳ atm» چون برایش مهم است چند برابر فشار هواست؛ غواص ژرفا را با اتمسفر میشمارد چون هر ده متر آب دقیقاً یکی میافزاید و این راحتترین حساب کارش است؛ فشارسنج لاستیک هم با بار و هم با atm مدرج شده، چون تفاوتشان از خطای دستگاه کمتر است. تناقض اندازهشناختی همینجاست: پس از ۱۹۵۴ فشار جو دیگر اندازهگیری نبود و به ضریبی دقیق بدل شد — یعنی درست همان چیزی که بهکاربردنش راحت است و درست همان چیزی که با آزمایش نمیتوان راستیآزماییاش کرد. آنچه راستیآزماییپذیر است فشارسنج است، نه یکا؛ و فشارسنجی که با پاسکال کالیبره شده، تنها به تصادفی نادر دقیقاً یک اتمسفر نشان میدهد. سرنوشت خویشاوندانش نیز چنین است: میلیمتر ستون جیوه هم از راه پاسکال تعریف شده و هم زنده است — در پزشکی، آنجا که با آن فشار خون میسنجند، و هیچ توصیهای این را دگرگون نکرد.
فهرست · یکاهای اندازهگیری
یک برگه برای هر کمیت
هفت یکای پایهٔ SI، بیست و دو یکای فرعی با نامهای ویژه، و یکاهای بیرون از SI که نه فناوری از آنها بینیاز است نه زندگی روزمره. هر کدام برگهٔ خود را دارد: تعریف، تبدیل، ابزارها، قواعد نگارش. به ۳۶ زبان.
فشار: یکاها و دلیل وجودشان
یک کمیت، دهها مقیاسیکاهای پایهٔ SI
کیلوگرم، متر، ثانیهزبان برگه
۳۶ زبان. نماد atm جهانی است، اما مقیاسهای آشنا نه: در ترجمه، جدولها با رویهٔ محلی هماهنگ میشوند.