压强：为什么锋利的刀易切，雪鞋不会陷进雪里？
各位小科学家，你好！为什么锋利的刀能轻松切开面包，钝刀却会把面包压扁？为什么乘坐高速电梯时，耳朵会觉得塞住？这两个问题的答案都是压强。
在这一章，你会学到：（1）什么是压强，以及如何计算压强；（2）日常生活中我们如何增大或减小压强；（3）大气压强如何随高度改变；（4）水压如何随深度改变；以及（5）吸盘、吸管和注射器如何利用气压。
1. 什么是压强？
同样的力，不同的效果
用手掌轻轻按一个气球，什么也没有发生。现在用针尖以同样大小的力按下去——“啪”！力的大小一样，但针尖把力集中在一个极小的点上。
压强告诉我们一个力集中在表面上的程度。它是作用在每单位面积（例如每平方米）上的力。力分散在大面积上，产生的压强较小；同样的力集中在小面积上，产生的压强较大。
压强公式
\(\text{压强} = \dfrac{\text{力}}{\text{面积}}\)，简写为 \(P = \dfrac{F}{A}\)
力的单位是牛顿（N），面积的单位是平方米 \((\text{m}^2)\)，所以压强的单位是 \(\text{N/m}^2\)。这个单位有一个特别的名称，叫帕斯卡（Pa）：\(1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2\)。
记忆小贴士：“力坐在面积上面”，就像你坐在椅子上一样。
改变压强的两个方法
1. 改变力的大小——面积不变时，力越大，压强越大。用力按图钉，图钉就较容易插进布告板。
2. 改变面积——力不变时，面积越小，压强越大；面积越大，压强越小。
例题
例题 1：一个箱子重 600 N，以面积为 \(2\ \text{m}^2\) 的一面放在地上。箱子对地面的压强是多少？
\(P = \dfrac{F}{A} = \dfrac{600\ \text{N}}{2\ \text{m}^2} = 300\ \text{Pa}\)
例题 2：把同一个箱子翻转，改以面积为 \(0.5\ \text{m}^2\) 的较小一面放在地上。
\(P = \dfrac{F}{A} = \dfrac{600\ \text{N}}{0.5\ \text{m}^2} = 1200\ \text{Pa}\)
重量不变，但面积只有原来的四分之一，所以压强变成原来的 4 倍。
重点：\(\text{压强} = \text{力} \div \text{面积}\)。力越大或面积越小，压强就越大。单位是 \(\text{N/m}^2\)，称为帕斯卡（Pa）。
2. 日常生活中的压强
需要“大”压强时（把面积变小）
锋利的刀——锋利的刀刃非常薄，面积极小，你施加的力会变成很大的压强，轻易便能切开食物。钝刀的刀刃较宽，你要用更大的力才能切开。
图钉——图钉尖端的面积极小，所以压强大得足以插进布告板。图钉的头部又宽又平，所以拇指承受的压强很小。两端承受的力大致相同，只是面积不同！
需要“小”压强时（把面积变大）
高跟鞋与平底鞋——高跟鞋细细的鞋跟面积很小，鞋跟下的压强很大，可能会陷进草地。平底鞋把同样的重量分散到大得多的面积上，所以压强较小。
雪鞋——雪鞋又宽又平，把人的重量分散到很大的面积上，所以对雪地的压强很小，人便不会陷进雪里。
宽肩带——肩带宽的书包比肩带细的书包背起来舒服。宽肩带压在肩膀较大的面积上，所以压强较小。
拖拉机轮胎——拖拉机很重，但它的轮胎非常宽，接触面积大，对松软泥泞农地的压强便较小，所以不会陷下去。
重点：要增大压强，就把面积变小（例如刀、图钉）；要减小压强，就把面积变大（例如雪鞋、宽肩带、拖拉机轮胎）。
3. 大气压强：你头顶上空气的重量
空气也有重量
地球被一层厚厚的空气包围着，这层空气称为大气。空气有质量，重力把它拉向地球，所以空气有重量。
大气压强是物件表面每单位面积所承受来自其上方空气的重量。我们就好像生活在“空气海洋”的底部！在海平面，大气压强约为 100 000 Pa，相当于每平方米上压着大约十辆小型汽车的重量。
为什么我们不会被压扁？因为空气从各个方向推我们，而身体内的液体也以同样大的力向外推，所以我们几乎感觉不到。（气体粒子如何产生这种推力，请参考“气压”一章。）
你知道吗？天气预报以百帕（hPa）表示气压，\(1\ \text{hPa} = 100\ \text{Pa}\)。香港的气压通常在约 1 000 至 1 020 hPa 之间，而台风中心的气压则低得多。
越高的地方，大气压强越低
你位置越高，上方的空气就越少。上方空气少了，向下压的重量也就少了，所以海拔越高，大气压强越低。在接近地面的地方，每升高约 8 至 10 米，气压便下降约 1 hPa。
在香港最高的山——大帽山的山顶，气压比海平面低大约十分之一。在珠穆朗玛峰的峰顶，气压更只有海平面的三分之一左右。
重点实验：用移动设备测量气压
很多智能手机内置一个细小的压强传感器，称为气压计。配合传感器应用程序，你便可以收集证据，展示大气压强随高度改变而变化。
1. 在一座高楼的底层记录读数。
2. 往上走，在不同楼层记录读数（例如每 5 层一次）。每次都要等读数稳定下来。
3. 重复整个过程，并计算读数的平均值。
4. 绘制气压与楼层的关系图。
变量：自变量是高度（楼层）；因变量是大气压强；控制变量包括使用同一部手机、同一个应用程序和同一座大楼。
结果：楼层越高，气压越低。实验要尽快完成，因为天气变化也会令气压改变。如果某个读数与其他读数相差很远（即异常值），便要再测量一次。
日常生活中的更多证据
耳朵“啵”的一声——乘坐高速电梯上升或飞机起飞时，外面的气压迅速下降。耳膜后面的空气仍然处于较高的气压，把耳膜向外推，所以耳朵会觉得塞住。咽口水或打哈欠时，部分空气会经一条通往喉咙的细管排出，耳朵便会“啵”的一声。
胀起来的零食袋——在海平面附近密封的薯片袋，到了高山上或飞机上会胀起来。这时外面的气压比袋内密封空气的气压低，所以袋内的空气把袋子向外推。
重点：大气压强是每单位面积所承受来自上方空气的重量。海拔越高，上方的空气越少，所以大气压强越低。
4. 水压：越深越大
水压从何而来？
水压是物件在水中时，物件表面所承受来自上方的水的重量。你潜得越深，上方的水就越多，所以水压越大。
水压向各个方向作用：它推向容器的底部和侧面，也推向潜水员身体的每一面。水比空气重得多，所以每下潜约 10 米，增加的压强大约等于整个大气压强！
证据：不同深度的水柱
在一个高的塑料瓶的侧面，由上至下开三个小孔。先把小孔封住，把瓶子注满水，然后在洗手池上方打开小孔。从最低的小孔射出的水最快、最有力，因为最深处的水压最大。
提示：要比较每道水柱离开小孔时的速度。水柱落在哪里，也取决于小孔的高度，所以不要只看落点判断。
日常生活中的水压
水坝——水库底部的水压最大，所以水坝的底部建得比顶部厚得多。
潜水员——潜水员潜得越深，身体承受的水压越大，通常耳朵最先感受到。深海潜水器需要非常厚和坚固的外壳，才不会被压毁。
你知道吗？我国的深海载人潜水器“奋斗者”号曾在马里亚纳海沟下潜超过 10 000 米。那里的水压约为海平面大气压强的 1 000 倍！
重点：水压来自上方的水的重量。它随深度增加而增大，并且向各个方向作用。
5. 气压的应用：吸盘、吸管和注射器
这些物件都运用同一个原理：把一边的部分空气移走，令那里的气压降低，另一边较大的大气压强便会推过来。记住，空气是“推”，而不是“吸”。
吸盘
把吸盘压在光滑的瓷砖上，会挤走吸盘下面大部分的空气，所以吸盘下的气压很低。外面较大的大气压强便把吸盘紧紧推向墙壁。在粗糙的表面上，空气会漏进去，吸盘便会掉下来。
吸管
用吸管喝柠檬茶时，你把吸管内的空气抽走，令吸管内的气压降低。这时作用在饮品表面的大气压强较大，便把饮品沿吸管推上你的口中。
注射器
把注射器的尖端放进液体里，然后把活塞向后拉。注射器内的空间变大，所以里面的气压降低。作用在液体表面的大气压强便把液体推进注射器。护士就是用这个方法抽取药物的。
重点：吸盘、吸管和注射器能够运作，是因为一边的气压降低了，而另一边较大的大气压强把物件推过去。
6. 常见错误和重点回顾
常见错误
常见错误 1：“压强和力是同一样东西。”错！同样的力可以产生较小或较大的压强，取决于受力的面积。
常见错误 2：“面积越大，压强越大。”刚好相反：力不变时，面积越大，压强越小。
常见错误 3：“吸管和吸盘是靠‘吸’的。”其实是外面的大气压强把东西推过去。
常见错误 4：“水压只会向下推。”水压会向各个方向推。
重点回顾
1. \(P = \dfrac{F}{A}\)；压强的单位是 \(\text{N/m}^2\) 或帕斯卡（Pa）。
2. 力越大或面积越小，压强越大。刀和图钉利用小面积；雪鞋、宽肩带和拖拉机轮胎利用大面积。
3. 大气压强是每单位面积所承受来自上方空气的重量。海拔越高，大气压强越低。
4. 水压是物件在水中时表面所承受来自上方的水的重量。它随深度增加而增大，所以水坝的底部较厚。
5. 吸盘、吸管和注射器能够运作，是因为大气压强会推向气压已降低的地方。
做得好！下次你切苹果、乘坐高速电梯或用吸管喝饮品时，就会知道背后的科学原理了。继续探索吧！