دائما ما أجد الكثير من المتعة في صفوفي الدراسية عند استخدام الضغط، وضغط الهواء على وجه الخصوص ينطوي على كثير من التسلية؛ وذلك لما ينطوي عليه من خواص تتناقض مع البداهة حتى إننا لا ندرك أننا معرضون لضغط الهواء إلى أن نشرع بالفعل في التفتيش عنه، وعندها يغدو الأمر مذهلًا للغاية. ما إن ندرك وجود ضغط الهواء – ونبدأ في فهمه – حتى نصير نراه في كل مكان، من البالونات إلى البارومترات إلى الكيفية التي تعمل بها ماصات الشرب، إلى مدى العمق الذي تستطيع السباحة فيه أو الغوص فيه داخل المحيط.

إن تلك الأشياء التي لا نراها ولم نكن ندركها مثل الجاذبية وضغط الهواء قد اتضح أنها من بين أكثر الظواهر إثارة للدهشة. يشبه الأمر بمزحة عن سمكتين تسبحان معا بسعادة في نهر ما، ثم تدير إحداهما وجهها ناحية الأخرى وعليه نظرة متشككة وتقول: «ما كل هذا الكلام المثار حديثا عن الماء؟».

في حالتنا نحن البشر، لا نقدر أهمية وزن غلافنا الجوي غير المرئي وكثافته. إننا في الحقيقة نعيش في قاع محيط هواء شاسع يؤثر علينا بقدر كبيرٍ من الضغط في كل ثانية من كل يوم لنفترض أنني رفعتُ يدي أمامي موجها راحتي لأعلى. والآن لنتخيل أنني وضعتُ على راحتي بشكل متوازن أنبوبًا طويلا جدا مربع الشكل يبلغ عرضه سنتيمترًا واحدًا (في كل جانب بالطبع) ويصل طوله إلى قمة الغلاف الجوي، أي أكثر من مائة ميل. إن وزن الهواء في الأنبوب – بغض النظر عن وزن الأنبوب نفسه – سيقدر بنحو كيلوجرام واحد أو نحو 2.2 رطل. ⁽¹⁾ وهذه إحدى طرق قياس ضغط الهواء: إذ يسمى كل 1.03 كيلوجرام لكل سنتيمتر مربع من الضغط بالغلاف الجوي القياسي. (وربما تعرف قياسه على أنه 14.7 رطل في كل بوصة مربعة).

تتمثل إحدى الطرق الأخرى لحساب ضغط الهواء – وأي أنواع أخرى من الضغط – في معادلة غاية في البساطة، لدرجة أنني عبرت عنها بالكلمات دون أن أفصح عن أنها معادلة الضغط يساوي القوة مقسومة على المساحة: P = F/A. وهكذا فإن ضغط الهواء عند مستوى سطح البحر يساوي نحو كيلوجرام واحد لكل سنتيمتر مربع. إليك وسيلة أخرى لتصوير العلاقة بين القوة والضغط والمساحة.

لنفترض أنك تتزلج على بحيرة متجمدة، ثم تكسر الجليد تحت أحدهم فسقط في الماء. كيف لك أن تقترب من تلك الحفرة، هل ستخطو نحوها سائرا على الجليد؟ لا، ما ستفعله أنك هو ستزحف على بطنك ببطء بمقدار 2.54 سنتيمتر للأمام في كل زحفة موزعا قوة جسدك على مساحة أكثر اتساعًا، ومن ثم فإنك تسلط ضغطا أقل على الجليد مما يجعله أقل عرضة للانهيار. وكم هو من المدهش ذلك الفارق بين الضغط الذي يسلطه جسدك على الجليد وقوفا مقابله رقودًا.

لنفترض أنك تزن نحو 70 كيلوجراما، وأنك تقف على الجليد على ساقين منتصبتين. إذا كانت قدماك تفترشان مساحة سطحية تقدر بنحو 500 سنتيمتر مربع (أي 0.05 متر مربع فإنك تؤثر بضغط قدره 0.05/70 كيلوجرام على كل متر مربع، أو 1400 كيلوجرام على كل متر مربع. وإذا رفعت إحدى قدميك ووقفت على الأخرى، فإنك بذلك قد ضاعفت الضغط إلى 2800 كيلوجرام على كل متر مربع. إذا كنتَ مثلي تبلغ ستة أقدام طولا ثم رقدت على الجليد فما الذي يحدث حينها؟ ما يحدث هو أنك تبسُط الكيلوجرامات السبعين على نحو 8000 سنتيمتر مربع أو نحو 0.8 متر مربع، ويسلط جسدك ضغطا يقدر بـ 87.5 كيلوجرام فقط على كل متر مربع من الأرض، أي ما يقل بنحو اثنين وثلاثين مثل الضغط الذي يؤثر به جسدك وأنت واقف على قدم واحدة وكلما اتسعت المنطقة قل الضغط الواقع عليها، والعكس بالعكس. ففي المسألة الكثير مما يناقض البداهة.

فمثلا ليس للضغط اتجاه، ورغم هذا فإن القوة التي يسببها الضغط لها اتجاه؛ فهي تقع عمودية على السطح الذي يؤثر عليه الضغط والآن فلتفرد يدك (رافعا راحتك لأعلى وفكر في القوة المؤثرة على يدك – لا أنابيب هذه المرة – إن مساحة يدي تبلغ نحو 150 سنتيمترًا مربعًا، ومن ثم، فلا بد أن قوةً تقدر 150 كيلوجراما، أي بنحو 330 رطلا، تضغطها لأسفل. لكن لماذا إذن لا أجد صعوبة في رفعها بكل سهولة؟ إنني لستُ برافع أثقال. الواقع أنها لو كانت القوة الوحيدة المؤثرة لما استطاع أحد أن يرفع ذلك الوزن الواقع على يده لكنها ليست القوة الوحيدة. فلأن الضغط الذي يسلطه الهواء يحيط بنا من جميع الجهات، فإن قوةً أخرى بمقدار 150 كيلوجراما تتجه لأعلى تضغط على ظهر يدك. ومن ثم فإن صافي القوة الذي يقع على يدك مقداره صفر. لكن لماذا لا تنسحق يدك تحت وطأة كل هذه القوة الضاغطة عليها؟ لا شك أن عظام يديك بالقوة الكافية لئلا تنسحق. فإذا نظرت إلى قطعة من الخشب بحجم يدك فإنك بكل تأكيد لن تجد الضغط الجوي يسحقها.

لكن ماذا عن صدري؟ فمساحة صدري تبلغ نحو 1000 سنتيمتر مربع، ومن ثم فإن صافي القوة الضاغطة عليه بفعل ضغط الهواء تقدر بنحو 1000 كيلوجرام أي طن متري. كما أن صافي القوة الضاغطة على ظهري تقدر أيضًا بنحو طن كامل. لماذا لا تنسحق رئتاي؟ السبب في ذلك أن ضغط الهواء في رئتاي هو أيضًا 1 ضغط جوي، ومن ثم، فليس هناك فارق في الضغط بين الهواء داخل رئتي والهواء الذي خارجها الذي يضغط على صدري لأسفل. ولذلك أستطيع التنفس بكل سهولة. للتوضيح، انظر إلى صندوق مصنوع من ورق مقوى أو من الخشب أو من المعدن، ذي أبعاد تماثل أبعاد صدرك. عندما ينغلق هذا الصندوق يصير الهواء داخله مساويا للهواء الذي تتنفسه، فيساوي 1 ضغط جوي. والصندوق لا ينسحق لذات السبب الذي يحول دون انسحاق رئتيك. ولا تنهار المنازل بفعل الضغط الجوي؛ لأن ضغط الهواء داخلها يماثل نظيره خارجها، وهو ما نسميه بتوازن الضغط. لكن الموقف سيختلف بالكلية إذا كان الضغط الجوي داخل الصندوق (أو المنزل) أقل بكثير من 1 ضغط جوي؛ حينها تزداد احتمالات تحطم الصندوق (أو انهيار المنزل).

كوننا لا نلاحظ ضغط الهواء في المعتاد لا يعني أنه غير مهم. فدائما ما نشاهد توقعات حالة الطقس تشير إلى انخفاض أنظمة الضغط الجوي وعلوها. وكلنا نعلم أن علو نظام الضغط الجوي غالبًا ما سيصاحب صباحًا مشرقا لطيفا، وأن انخفاض نظام الضغط الجوي يعني أن ثمة عاصفة تقترب منا ومن ثم فإن قياس ضغط الهواء أمر محبذ جدا لنا. لكن كيف لنا أن نفعل ذلك دون الشعور بالضغط؟ لعلك تعلم أننا نقيس الضغط الجوي باستخدام البارومتر، لكن هذا لا يفسر الكثير.

مواضيع ذات صلة

أصول عدم الانعكاس

الانعكاس يولد الانعكاس

الاحتمالية في الميكانيكا الإحصائية

القابلية للانعكاس وعدم القابلية للانعكاس

نظرة في تعددية الفيزياء

الاختزال وعدم القابلية للانعكاس

الواقعية العلمية وتغيير النظريات

نقص الإثبات ومذهب الذرائعية ومذهب الواقعية

مشكلة التمييز: متى يكون المنهج علميا؟

المنهج العلمي: من الاستقراء إلى التكذيب وما بعده

مناهج العلوم وثمارها

!Parity is not conserved