壓強：為甚麼鋒利的刀易切，雪鞋不會陷進雪裏？
各位小科學家，你好！為甚麼鋒利的刀能輕鬆切開麵包，鈍刀卻會把麵包壓扁？為甚麼乘搭高速升降機時，耳朵會覺得塞住？這兩個問題的答案都是壓強。
在這一章，你會學到：（1）甚麼是壓強，以及如何計算壓強；（2）日常生活中我們如何增大或減小壓強；（3）大氣壓強如何隨高度改變；（4）水壓如何隨深度改變；以及（5）吸盤、飲管和針筒如何利用氣壓。
1. 甚麼是壓強？
同樣的力，不同的效果
用手掌輕輕按一個氣球，甚麼也沒有發生。現在用針尖以同樣大小的力按下去——「啪」！力的大小一樣，但針尖把力集中在一個極小的點上。
壓強告訴我們一個力集中在表面上的程度。它是作用在每單位面積（例如每平方米）上的力。力分散在大面積上，產生的壓強較小；同樣的力集中在小面積上，產生的壓強較大。
壓強公式
\(\text{壓強} = \dfrac{\text{力}}{\text{面積}}\)，簡寫為 \(P = \dfrac{F}{A}\)
力的單位是牛頓（N），面積的單位是平方米 \((\text{m}^2)\)，所以壓強的單位是 \(\text{N/m}^2\)。這個單位有一個特別的名稱，叫帕斯卡（Pa）：\(1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2\)。
記憶小貼士：「力坐在面積上面」，就像你坐在椅子上一樣。
改變壓強的兩個方法
1. 改變力的大小——面積不變時，力越大，壓強越大。用力按圖釘，圖釘就較容易插進壁報板。
2. 改變面積——力不變時，面積越小，壓強越大；面積越大，壓強越小。
例題
例題 1：一個箱子重 600 N，以面積為 \(2\ \text{m}^2\) 的一面放在地上。箱子對地面的壓強是多少？
\(P = \dfrac{F}{A} = \dfrac{600\ \text{N}}{2\ \text{m}^2} = 300\ \text{Pa}\)
例題 2：把同一個箱子翻轉，改以面積為 \(0.5\ \text{m}^2\) 的較小一面放在地上。
\(P = \dfrac{F}{A} = \dfrac{600\ \text{N}}{0.5\ \text{m}^2} = 1200\ \text{Pa}\)
重量不變，但面積只有原來的四分之一，所以壓強變成原來的 4 倍。
重點：\(\text{壓強} = \text{力} \div \text{面積}\)。力越大或面積越小，壓強就越大。單位是 \(\text{N/m}^2\)，稱為帕斯卡（Pa）。
2. 日常生活中的壓強
需要「大」壓強時（把面積變小）
鋒利的刀——鋒利的刀刃非常薄，面積極小，你施加的力會變成很大的壓強，輕易便能切開食物。鈍刀的刀刃較闊，你要用更大的力才能切開。
圖釘——圖釘尖端的面積極小，所以壓強大得足以插進壁報板。圖釘的頭部又闊又平，所以拇指承受的壓強很小。兩端承受的力大致相同，只是面積不同！
需要「小」壓強時（把面積變大）
高跟鞋與平底鞋——高跟鞋幼細的鞋跟面積很小，鞋跟下的壓強很大，可能會陷進草地。平底鞋把同樣的重量分散到大得多的面積上，所以壓強較小。
雪鞋——雪鞋又闊又平，把人的重量分散到很大的面積上，所以對雪地的壓強很小，人便不會陷進雪裏。
闊肩帶——肩帶闊的書包比肩帶幼的書包背起來舒服。闊肩帶壓在肩膀較大的面積上，所以壓強較小。
拖拉機輪胎——拖拉機很重，但它的輪胎非常闊，接觸面積大，對鬆軟泥濘農地的壓強便較小，所以不會陷下去。
重點：要增大壓強，就把面積變小（例如刀、圖釘）；要減小壓強，就把面積變大（例如雪鞋、闊肩帶、拖拉機輪胎）。
3. 大氣壓強：你頭頂上空氣的重量
空氣也有重量
地球被一層厚厚的空氣包圍着，這層空氣稱為大氣。空氣有質量，重力把它拉向地球，所以空氣有重量。
大氣壓強是物件表面每單位面積所承受來自其上方空氣的重量。我們就好像生活在「空氣海洋」的底部！在海平面，大氣壓強約為 100 000 Pa，相當於每平方米上壓着大約十輛小型汽車的重量。
為甚麼我們不會被壓扁？因為空氣從各個方向推我們，而身體內的液體也以同樣大的力向外推，所以我們幾乎感覺不到。（氣體粒子如何產生這種推力，請參考「氣壓」一章。）
你知道嗎？天氣報告以百帕斯卡（hPa）表示氣壓，\(1\ \text{hPa} = 100\ \text{Pa}\)。香港的氣壓通常在約 1 000 至 1 020 hPa 之間，而颱風中心的氣壓則低得多。
越高的地方，大氣壓強越低
你位置越高，上方的空氣就越少。上方空氣少了，向下壓的重量也就少了，所以海拔越高，大氣壓強越低。在接近地面的地方，每升高約 8 至 10 米，氣壓便下降約 1 hPa。
在香港最高的山——大帽山的山頂，氣壓比海平面低大約十分之一。在珠穆朗瑪峰的峰頂，氣壓更只有海平面的三分之一左右。
重點實驗：用流動裝置量度氣壓
很多智能手機內置一個細小的壓強感應器，稱為氣壓計。配合感應器應用程式，你便可以收集證據，展示大氣壓強隨高度改變而變化。
1. 在一座高樓的地下記錄讀數。
2. 往上走，在不同樓層記錄讀數（例如每 5 層一次）。每次都要等讀數穩定下來。
3. 重複整個過程，並計算讀數的平均值。
4. 繪畫氣壓對樓層的關係線圖。
變量：自變量是高度（樓層）；因變量是大氣壓強；控制變量包括使用同一部手機、同一個應用程式和同一座大廈。
結果：樓層越高，氣壓越低。實驗要盡快完成，因為天氣變化也會令氣壓改變。如果某個讀數與其他讀數相差很遠（即異常值），便要再量度一次。
日常生活中的更多證據
耳朵「卜」一聲——乘搭高速升降機上升或飛機起飛時，外面的氣壓迅速下降。耳膜後面的空氣仍然處於較高的氣壓，把耳膜向外推，所以耳朵會覺得塞住。吞口水或打呵欠時，部分空氣會經一條通往喉嚨的細管排出，耳朵便會「卜」一聲。
脹起來的零食袋——在海平面附近密封的薯片袋，到了高山上或飛機上會脹起來。這時外面的氣壓比袋內密封空氣的氣壓低，所以袋內的空氣把袋子向外推。
重點：大氣壓強是每單位面積所承受來自上方空氣的重量。海拔越高，上方的空氣越少，所以大氣壓強越低。
4. 水壓：越深越大
水壓從何而來？
水壓是物件在水中時，物件表面所承受來自上方的水的重量。你潛得越深，上方的水就越多，所以水壓越大。
水壓向各個方向作用：它推向容器的底部和側面，也推向潛水員身體的每一面。水比空氣重得多，所以每下潛約 10 米，增加的壓強大約等於整個大氣壓強！
證據：不同深度的水柱
在一個高身膠樽的側面，由上至下開三個小孔。先把小孔封住，把樽注滿水，然後在洗手盆上方打開小孔。從最低的小孔射出的水最快、最有力，因為最深處的水壓最大。
提示：要比較每道水柱離開小孔時的速度。水柱落在哪裏，也取決於小孔的高度，所以不要只看落點判斷。
日常生活中的水壓
水壩——水塘底部的水壓最大，所以水壩的底部建得比頂部厚得多。
潛水員——潛水員潛得越深，身體承受的水壓越大，通常耳朵最先感受到。深海潛水器需要非常厚和堅固的外殼，才不會被壓毀。
你知道嗎？我國的深海載人潛水器「奮鬥者」號曾在馬里亞納海溝下潛超過 10 000 米。那裏的水壓約為海平面大氣壓強的 1 000 倍！
重點：水壓來自上方的水的重量。它隨深度增加而增大，並且向各個方向作用。
5. 氣壓的應用：吸盤、飲管和針筒
這些物件都運用同一個原理：把一邊的部分空氣移走，令那裏的氣壓降低，另一邊較大的大氣壓強便會推過來。記住，空氣是「推」，而不是「吸」。
吸盤
把吸盤壓在光滑的瓷磚上，會擠走吸盤下面大部分的空氣，所以吸盤下的氣壓很低。外面較大的大氣壓強便把吸盤緊緊推向牆壁。在粗糙的表面上，空氣會漏進去，吸盤便會掉下來。
飲管
用飲管喝檸檬茶時，你把飲管內的空氣抽走，令飲管內的氣壓降低。這時作用在飲品表面的大氣壓強較大，便把飲品沿飲管推上你的口中。
針筒
把針筒的尖端放進液體裏，然後把活塞向後拉。針筒內的空間變大，所以裏面的氣壓降低。作用在液體表面的大氣壓強便把液體推進針筒。護士就是用這個方法抽取藥物的。
重點：吸盤、飲管和針筒能夠運作，是因為一邊的氣壓降低了，而另一邊較大的大氣壓強把物件推過去。
6. 常見錯誤和重點回顧
常見錯誤
常見錯誤 1：「壓強和力是同一樣東西。」錯！同樣的力可以產生較小或較大的壓強，取決於受力的面積。
常見錯誤 2：「面積越大，壓強越大。」剛好相反：力不變時，面積越大，壓強越小。
常見錯誤 3：「飲管和吸盤是靠『吸』的。」其實是外面的大氣壓強把東西推過去。
常見錯誤 4：「水壓只會向下推。」水壓會向各個方向推。
重點回顧
1. \(P = \dfrac{F}{A}\)；壓強的單位是 \(\text{N/m}^2\) 或帕斯卡（Pa）。
2. 力越大或面積越小，壓強越大。刀和圖釘利用小面積；雪鞋、闊肩帶和拖拉機輪胎利用大面積。
3. 大氣壓強是每單位面積所承受來自上方空氣的重量。海拔越高，大氣壓強越低。
4. 水壓是物件在水中時表面所承受來自上方的水的重量。它隨深度增加而增大，所以水壩的底部較厚。
5. 吸盤、飲管和針筒能夠運作，是因為大氣壓強會推向氣壓已降低的地方。
做得好！下次你切蘋果、乘搭高速升降機或用飲管喝飲品時，就會知道背後的科學原理了。繼續探索吧！