اثر فشار هوا بر آبکشی از چاه

فیزیک برای نوآموزان
می‌دانیم که بر اثر بارندگی و نفوذ آب به داخل زمین سفره‌های آب زیر زمینی تشکیل می‌شود. در واقع آب باران بر اثر وزن خود به داخل خاک نفوذ می‌کند و آن قدر پایین می‌رود تا به لایه‌های سخت و سنگی و غیر قابل نفوذ زمین برسد که در آن جاها آب‌های نفوذ کرده که در زیر زمین امکان تبخیر را هم ندارند جمع می شوند و استخرهای طبیعی بزرگی از آب را تشکیل می‌دهند. انسان فرا گرفت با سوراخ کردن زمین یا به اصطلاح با کندن چاه به این سفره‌های آب زیر زمینی دسترسی پیدا کند. او در ابتدا با استفاده از دلو و سطل و طناب و حداکثر قرقره، سطل سطل آبِ این سفره‌های زیر زمینی را برای مصارف شرب یا کشاورزی یا دامداری استخراج می‌کرد. با پیشرفت فن‌آوری‌های اولیه از تلمبه‌های دستی برای استخراج آب‌ این مخزن‌های طبیعی زیر زمینی استفاده کرد. اساس کار این تلمبه‌ها بر مکش استوار بود. یعنی آنها همان کاری را انجام می‌دادند که ما از طریق دهانمان با مک زدن، مایعات را روانه‌ی شکممان می‌کنیم. اساس این کار ایجاد یک خلأ نسبی در یک محفظه‌ است که متعاقباً باعث کشیده شدن آب به طرف این خلأ می‌شود. انسان در ابتدا به همین یافته‌ی کاربردی خود راضی بود و وقت بیشتری بر روی تحلیل دقیق چرایی این مکانیسم نمی‌گذاشت، و حداکثر بیان می‌کرد که طبیعت دشمن خلأ است و هر جا خلأی ایجاد شود می‌خواهد آن را پر کند. بر مبنای همین راحت طلبی و استدلال دل‌خوش کنک تصور می‌کرد تلمبه‌اش همیشه جوابگویش می‌باشد و می‌تواند آب داخل زمین را هرکجا که باشد برایش بالا بکشد. اما آن گاه که بر اثر خشک سالی‌ها، سطح آب در سفره‌های زیر زمینی خیلی پایین رفت متوجه شد که تلمبه‌اش هر چقدر نو و بدون عیب هم که باشد کار نمی‌کند و قادر نیست آب را بالا بکشد در حالی که مطمئن بود چاه، علیرغم پایین رفتن سطح آب در آن، خشک نشده است و با دلو می‌تواند از آن آب بکشد. در اینجا بود که انسان گیج شد و برای پیدا کردن راه حلی برای این مشکل مجبور شد خودِ صورت مسأله را با دقت علمی مورد مطالعه قرار دهد. او نشست و فکر کرد واقعاً چه چیزی موجب بالا آمدن آب در تلمبه می‌شود. این که بگوییم طبیعت دشمن خلأ است چه مبنای علمی دارد و به طور جزئی به چه معنایی است. او دریافت تا پاسخ این پرسشها را به طور دقیق و روی کاغذ پیدا نکند نمی‌تواند آب را مجبور کند که حتی کمی بالاتر بیاید.
نخستین مسأله‌ای که انسان در این رابطه باید برای خود حل می‌کرد این بود که آیا در عملِ مکش، مثلاً به وسیله‌ی دهانمان، این عضو مکنده است که به مایع نیرو وارد می‌آورد و آن را به داخل دهان می‌کشاند. همه تا آن موقع این گونه می‌اندیشیدند. اما انسان اندیشید اگر این‌گونه است پس چرا مایعی که در یک قوطی یا ظرف دربسته‌ی محکمی قرار دارد که هیچ روزنی مگر همان لوله‌ی مکش ندارد را هر چه می‌مکد نمی‌تواند به داخل دهان بکشد. این یک علامت سؤال بزرگ بود. شاید راه حل آن وقتی به ذهنش خطور کرد که دید اگر دیواره‌های این قوطی چندان سفت نباشند و تقریباً انعطاف ‌پذیر باشند به هنگام مکش، به طرف داخل جمع می‌شوند یا به عبارتی حجم قوطی یا ظرفِ در بسته منقبض می‌شود و بالتبع مایع درون خود را از طریق لوله‌ی مکش به دهان می‌فرستد. انسان فکر کرد که اگر این عضو مکنده باشد که به مایع نیرو وارد می‌کند و آن را به طرف دهان می‌کشد پس دیواره‌های ظرف چرا تو می‌روند. او بالاخره به این نتیجه رسید که علت تو رفتن دیواره‌ها باید نیرویی باشد که از بیرون بر آنها وارد می‌شود. اما این نیرو چه می‌توانست باشد. در بیرون به جز هوا چیزی وجود ندارد. پس به احتمال زیاد این هواست که دارد این‌چنین دیواره‌ها را به طرف داخل می‌فشارد. اما اگر چنین است پس چرا این اتفاق فقط در حالت مکش می‌افتد. برای این که بهتر به این پرسش بتواند پاسخ دهد ظرف را از مایع خالی کرد و به خود گفت اکنون داخل و بیرون این ظرف را هوا فراگرفته است بدون این که بدنه‌ی انعطاف‌پذیر ظرف بر اثر وجود هوا تغییر شکل دهد و مثلاً منقبض یا منبسط شود. او بلافاصله گفت اکنون از طریق لوله، هوای درون ظرف را می‌مکم. او این کار را کرد و دید که دیواره‌های ظرف تو رفتند. او نتیجه گرفت که با مکیدن، من هوای داخل ظرف را خارج کردم و در آنجا خلأ ایجاد کردم و اکنون هوای بیرون می‌خواهد بیاید این خلأ را پر کند و برای همین به دیواره فشار وارد می‌آورد نا بلکه راه نفوذی به داخل پیدا کند. وقتی او بیشتر برای خود تحلیل کرد از خود پرسید مگر هوای بیرون شعور دارد و می‌تواند بفهمد که چه زمانی داخل ظرف خالی است که در آن زمان هجوم بیاورد تا بلکه آن فضای خالی را پر کند. برای او قابل باور نبود که هوا چنین شعور آگاهانه‌ای داشته باشد. پس مشکل را چگونه می‌توان حل کرد. او سرانجام بهترین راه حل را یافت. هوا شعور ندارد اما خاصیتی در آن باعث می‌شود همواره بر اطراف هر چیزی که درون آن قرار دارد نیرو یا فشار وارد آورد. قبل از مکش، هم در درون ظرف و هم در بیرون آن هوا وجود داشت و هوای داخلی بر دیواره‌ی داخلی برای به بیرون راندن آن نیرو وارد می‌آورد و هوای بیرونی بر سطح بیرونی دیواره برای به درون کشیدن آن نیرو وارد می‌آورد و این دو نیرو که از دو طرف بر دیواره وارد می‌شدند هم‌دیگر را خنثی می‌کردند و دیواره تغییر شکل نمی‌داد. اما هنگامی که با مکش، هوای داخل ظرف را خارج ساختیم و در آنجا خلأی نسبی به وجود آوردیم اثر فشارنده‌ی درونی بالتبع حذف می‌شود و اثر فشارنده‌ی بیرونی، دیواره‌ی ظرف را به دورن می‌کشد. اما یک سؤال آخر برای انسان باقی ماند و آن این که این خاصیت هوا از کجا می‌آید. به عبارت دیگر چرا هوا به اطراف هر چیزی که در درون آن واقع شود فشار وارد می‌آورد. شاید این پرسش را غواصان پاسخ داده باشند، همان‌ها که برای یافتن مروارید مجبور بودند شناکنان تا اعماق زیادی از آب پایین بروند. آنها به خوبی حس می‌کردند که هرچه پایین‌تر بروند فشار بیشتری را بر تمام نقاط سطح بدنشان احساس می‌کنند. انسان اندیشید این ازدیاد فشار حتماً مربوط به ارتفاع آب بالای سر غواص است. گویا او وزن آب بالای سر خود را به صورت فشار بر بدنش احساس می‌کند. پس شاید خاصیت هوا هم مربوط به وزن هوای بالای سرمان باشد. به نظر می‌رسید او بالاخره جواب را یافته بود. همین‌طور بود چون وقتی که انسان تصمیم گرفت برای کوهنوردی به ارتفاعات بسیار زیادی صعود کند دریافت که هر چه بیشتر صعود کند گویا فشار خون داخل بدنش می‌خواهد بیرون بزند و دچار تنگی نفس می‌شود. او نتیجه گرفت که هوا به عنوان یک سیالِ شبیه آب تنها تا ارتفاع مشخصی اطراف زمین وجود دارد و وزن آن بر چیزهایی که در درون آن قرار گرفته‌اند فشار وارد می‌آورد. به عبارتی بدن ما وزن هوای بالا سر را بر تمام سطح خود احساس می‌کند و لذا فشار خون و نسوج درونی ما برای مقابله با این فشار بیرونی تنطیم شده است. حال اگر ما به ارتفاع بسیار بالایی در هوا صعود کنیم بالتبع وزن فشار هوای بالای سرمان کاهش می‌یابد و درنتیجه فشار کمتری از بیرون بر سطح بدنمان وارد می‌شود در حالی که فشار درونی بدن ما بر مبنای همان فشار زیادتر تنظیم شده است و بنابر این خون ما را به بیرون می‌زند یا ما دچار تنگی نفس و احساس خفگی می‌شویم.
حالا با این مقدمات مفیدی که انسان آموخته بود هنوز پاسخ این ‌که چرا تلمبه‌اش از یک ارتفاع مشخص‌ بالاتر قادر به آبکشی از چاه نیست را به دست نیاورده بود. پس انسان بیشتر به اندیشه فرو رفت. با خود گفت وقتی که هوای درون تلمبه را خالی می‌کنیم و در آنجا خلأ ایجاد می‌کنیم چه چیزی باعث بالا آمدن آب می‌شود؟ او تقریباً به پاسخ این پرسش در آزمایش مربوط به قوطی یا ظرف در بسته و تأثیر مکش بر آن رسیده بود. هوا از همه طرف بر محفظه‌ی استوانه‌ای تلمبه که خالی از هوا شده است فشار می‌آورد. دیواره‌های اطراف و بالای این محفطه فلزی و محکمند و تحت این فشار هوا تغییر شکل نمی‌دهند. قسمت پایینی تلمبه نیز درون آب است. بنابراین سطح آب درون تلمبه درواقع یکی از دیواره‌های انعطاف پذیر محفظه‌ی خالی از هوا شده‌ی تلمبه را تشکیل می‌دهد و به درون تلمبه کشیده می‌شود. اما این پاسخ کافی نیست چون این به داخل کشیده شدگی در یک ارتفاعی متوقف می‌شود. پس انسان بیشتر فکر کرد. او به این نتیجه رسید که فشار هوا بر سطح آب دورن چاه مؤثر است. حال اگر یک سر لوله‌ی قائمی را در درون آب قرار دهیم و هوای بالای لوله را خارج کنیم فشار هوایی که بر آب چاه وارد می‌شود و به خاطر سیال بودن آب در تمام درون آن احساس می‌شود آب را به درون لوله به بالا می‌فرستد زیرا همین فشار هوا به علت ایجاد خلأ، روی سطح مایع در درون لوله وجود ندارد. اما این بالا رفتگی آب در درون لوله تا کجا ادامه می‌یابد؟
اگر فرض کنیم هوای بالای لوله به طور کامل بیرون کشیده شده باشد این آب حداکثر تا ارتفاعی بالا می‌آید که وزن مایع درون لوله با وزن ستون هوایی در لوله‌ای به همان سطح مقطع با ارتفاعی به اندازه‌ی ارتفاع جو برابر باشد. از آن به بعد آب بالاتر نخواهد آمد زیرا فشار بیشتری از پایین وجود ندارد که آن را بالا بفرستد. به این ترتیب انسان فهمید که چرا تلمبه‌اش حتی اگر بتواند خلأ مطلق ایجاد کند از یک ارتفاع مشخص بیشتر قادر به کشیدن آب به بالا نیست. در واقع این ارتفاع، ارتفاعی است که فشار وزن مایع در پایین آن برابر است با فشار هوا. این ارتفاع برای مایعات مختلف برحسب جرم حجمی آنها متفاوت است. در فشار هوای وارد بر سطح آب‌های آزاد جهان، برای آب این ارتفاع در حدود ده متر و برای جیوه حدود هفتاد و شش سانتیمتر است. انسان اکنون فهمیده بود که چرا تلمبه‌اش برای بالا کشیدن آب‌های عمیق‌تر از ده متر مناسب نیست. پس اگر لازم داشت به طور مرتب آب را به ارتفاع‌های بالاتر از ده متر بکشاند راه چاره را در این دید که در هر ده متری یک حوضچه درست کند و در هرکدام از این حوضچه‌ها یک تلمبه تعبیه کند و به این ترتیب آب را حوضچه به حوضچه با کمک همه‌ی تلمبه‌ها بالا ببرد. با اختراع موتورهای الکتریکی و تلمبه‌های دوار الکتریکی وضعیت تفاوتی نکرد زیرا اصول فیزیکی که تغییر نکرده بود و تلمبه‌های الکتریکی حداکثر می‌توانستند خلأ بهتری را ایجاد کنند و ما با فرض خلأ کامل دیدیم آب ده متر بیشتر بالا نمی‌آید. پس چگونه در این عصر صنعتی می‌شد کار را راحت‌تر کرد؟ انسان باز اندیشید. راه حل در این بود که برای بالا کشیدن آن به نحوی خود را از وابستگی به فشار هوا خلاص می‌کردیم. این کار با پمپاژ آب امکان داشت به این نحو که در مسیر آب در لوله پروانه‌ی دوراری شبیه پره‌های پنکه، خودِ آب را با فشاری که میزان آن به قدرت چرخش پره بستگی دارد به جلو یا بالا براند. در این حال بدون وجود محدودیت ارتفاع می‌توانیم با استفاده از پمپ‌های قوی آب را تا ارتفاع مطلوب بالا بفرستیم. اما این کار چگونه برای چاه آب از بالا امکان دارد. از بالا چنین امکانی وجود ندارد یا خیلی مشکل است. پس لازم است پمپ‌های شناوری طراحی شود که بر سطح آب درون چاه شناور می‌مانند و احیاناً همراه با سطح آب پایین می‌روند و هر گاه لازم است آب بالا کشیده شود دکمه‌ی آن از بالا زده می‌شود تا آب در شلنگ یا لوله‌ی متصل به پمپ به طرف بالا پمپ شود. پس می‌بینید که این انسان به هزار و یک ترفند متوسل شده است تا آب‌های زیر زمینی را راحت‌تر بالا بکشد و به مصرف برساند و در این راه البته همواره موفق بوده و خواهد بود به شرطی که البته آبی برای بالا کشیدن باقی مانده باشد!