فهم ما هي ديناميكيات السوائل

ديناميكا الموائع هي دراسة حركة السوائل ، بما في ذلك تفاعلاتها عندما يتلامس مائعان مع بعضهما البعض. في هذا السياق ، يشير مصطلح "مائع" إلى أي منهما السائل أو الغازات. إنه نهج إحصائي ماكروسكوبي لتحليل هذه التفاعلات على نطاق واسع ، وعرض السوائل كسلسلة من المادة وتجاهل بشكل عام حقيقة أن السائل أو الغاز يتكون من فرد ذرات.

ديناميكا الموائع هي أحد الفرعين الرئيسيين ميكانيكا الموائع، مع وجود الفرع الآخر احصائيات السوائل ، دراسة السوائل في حالة الراحة. (ربما ليس من المستغرب أن تكون إحصائيات السوائل أقل إثارة في معظم الوقت من ديناميكيات السوائل.)

يتضمن كل تخصص مفاهيم أساسية لفهم كيفية عمله. فيما يلي بعض العوامل الرئيسية التي ستصادفها عند محاولة فهم ديناميكيات السوائل.

مفاهيم الموائع التي تطبق في احصائيات الموائع تدخل في الاعتبار عند دراسة المائع المتحرك. إلى حد كبير أول مفهوم في ميكانيكا السوائل هو أن الطفو، اكتشف في اليونان القديمة أرخميدس.

كما تدفق السوائل ، و كثافة و الضغط من السوائل هي أيضا حاسمة لفهم كيفية تفاعلها. ال اللزوجة يحدد مدى مقاومة السائل للتغير ، لذلك ضروري أيضًا في دراسة حركة السائل. فيما يلي بعض المتغيرات التي تظهر في هذه التحليلات:

• اللزوجة السائبة: μ
• كثافة: ρ
• اللزوجة الحركية: ν = μ / ρ

نظرًا لأن ديناميات الموائع تتضمن دراسة حركة المائع ، فإن أحد المفاهيم الأولى التي يجب فهمها هو كيفية تقدير علماء الفيزياء لهذه الحركة. المصطلح الذي يستخدمه الفيزيائيون لوصف الخواص الفيزيائية لحركة السائل هو تدفق. يصف Flow مجموعة واسعة من حركة السوائل ، مثل النفخ في الهواء ، أو التدفق عبر أنبوب ، أو الركض على طول السطح. يتم تصنيف تدفق السائل بطرق مختلفة ، بناءً على الخصائص المختلفة للتدفق.

إذا كانت حركة السائل لا تتغير مع مرور الوقت ، فيعتبر أ تدفق ثابت. يتم تحديد ذلك من خلال موقف تظل فيه كل خصائص التدفق ثابتة فيما يتعلق بالوقت أو بالتناوب يمكن الحديث عنها بالقول إن المشتقات الزمنية لحقل التدفق تتلاشى. (تحقق من حساب التفاضل والتكامل لمعرفة المزيد عن فهم المشتقات.)

أ تدفق الحالة المستقرة يعتمد بدرجة أقل على الوقت لأن جميع خصائص السائل (وليس فقط خصائص التدفق) تظل ثابتة في كل نقطة داخل السائل. لذلك إذا كان لديك تدفق ثابت ، ولكن خصائص السائل نفسه تغيرت في مرحلة ما (ربما بسبب حاجز يسبب تموجات تعتمد على الوقت في بعض أجزاء السائل) ، ثم سيكون لديك تدفق ثابت ليس تدفق حالة مستقرة.

جميع تدفقات الحالة الثابتة هي أمثلة على التدفقات الثابتة ، رغم ذلك. سيكون التدفق الجاري بمعدل ثابت عبر أنبوب مستقيم مثالاً على تدفق الحالة المستقرة (وكذلك التدفق الثابت).

إذا كان للتدفق نفسه خصائص تتغير مع مرور الوقت ، فسيطلق عليه اسم تدفق غير مستقر أو تدفق عابر. مثال على التدفق غير المستقر للأمطار التي تتدفق إلى الحضيض أثناء العاصفة.

كقاعدة عامة ، فإن التدفقات الثابتة تجعل من الأسهل التعامل مع المشكلات أكثر من التدفقات غير المستقرة ، وهذا ما يتوقعه المرء بالنظر إلى أن لا يجب أن تؤخذ التغييرات التي تعتمد على الوقت في التدفق في الاعتبار ، والأشياء التي تتغير بمرور الوقت عادة ما تجعل الأشياء أكثر معقد.

ويقال إن التدفق السلس للسائل تدفق الصفحي. يقال إن التدفق الذي يحتوي على فوضى غير خطية على ما يبدو الجريان المضطرب. بحكم التعريف ، فإن التدفق المضطرب هو نوع من التدفق غير المستقر.

قد يحتوي كلا النوعين من التدفقات على دوامات ودوامات وأنواع مختلفة من إعادة الدوران ، على الرغم من أنه كلما زاد عدد هذه السلوكيات ، زاد احتمال تصنيف التدفق على أنه مضطرب.

التمييز بين ما إذا كان التدفق الصفحي أو المضطرب عادة ما يرتبط ب رقم رينولدز (إعادة). تم حساب عدد رينولدز لأول مرة في عام 1951 من قبل الفيزيائي جورج غابرييل ستوكس ، لكنه سمي على اسم عالم القرن التاسع عشر أوسبورن رينولدز.

يعتمد عدد رينولدز ليس فقط على خصائص السائل نفسه ولكن أيضًا على ظروف تدفقه ، المشتقة كنسبة من قوى القصور الذاتي إلى قوى لزجة بالطريقة التالية:

إعادة = قوة القصور الذاتي / قوات اللزوجة

إعادة = (ρالخامسDV/dx) / (μ د²الخامس / dx²)

المصطلح dV / dx هو التدرج في السرعة (أو المشتق الأول من السرعة) ، والذي يتناسب مع السرعة (الخامس) مقسوما على لام، يمثل مقياس الطول ، مما يؤدي إلى dV / dx = V / L. المشتق الثاني هو أن د²الخامس / dx² = الخامس / ل². ينتج عن استبدالها بالمشتقات الأولى والثانية ما يلي:

إعادة = (V V V/لام) / (μ الخامس/لام²)

إعادة = (L V L) / μ

يمكنك أيضًا القسمة على مقياس الطول L ، مما ينتج عنه رقم رينولدز لكل قدم، صمم ك رد و = الخامس / ν.

يشير رقم رينولدز المنخفض إلى التدفق الرقائقي السلس. يشير رقم رينولدز المرتفع إلى التدفق الذي سيظهر الدوامات والدوامات وسيكون بشكل عام أكثر اضطرابًا.

تدفق الأنابيب يمثل تدفقًا ملامسًا للحدود الجامدة على جميع الجوانب ، مثل المياه التي تتحرك من خلال أنبوب (ومن هنا جاء اسم "تدفق الأنبوب") أو الهواء يتحرك عبر مجرى الهواء.

تدفق القناة المفتوحة يصف التدفق في حالات أخرى حيث يوجد سطح حر واحد على الأقل لا يتلامس مع حدود صلبة. (من الناحية الفنية ، يحتوي السطح الحر على 0 من الضغط المطلق المتوازي.) تشمل حالات تدفق القناة المفتوحة تتحرك المياه عبر النهر والفيضانات وتدفق المياه أثناء المطر وتيارات المد والجزر وقنوات الري. في هذه الحالات ، يمثل سطح الماء المتدفق ، حيث يكون الماء ملامسًا للهواء ، "السطح الحر" للتدفق.

يتم تشغيل التدفقات في أنبوب إما عن طريق الضغط أو الجاذبية ، ولكن التدفقات في المواقف المفتوحة تكون مدفوعة فقط بالجاذبية. غالبًا ما تستخدم أنظمة مياه المدينة أبراج المياه للاستفادة من ذلك ، بحيث يكون فرق ارتفاع المياه في البرج ( رئيس الهيدروديناميكية) يخلق فرق الضغط ، والذي يتم ضبطه بعد ذلك باستخدام المضخات الميكانيكية لتوصيل المياه إلى المواقع في النظام حيث تكون هناك حاجة إليها.

يتم التعامل مع الغازات بشكل عام على أنها سوائل قابلة للإنضغاط حيث يمكن تقليل الحجم الذي يحتوي عليها. يمكن تقليل مجرى الهواء بمقدار النصف من الحجم وما زال يحمل نفس كمية الغاز بنفس المعدل. حتى عندما يتدفق الغاز عبر مجرى الهواء ، فإن بعض المناطق سيكون بها كثافة أعلى من المناطق الأخرى.

كقاعدة عامة ، يعني كونك غير قابل للضغط أن كثافة أي منطقة في السائل لا تتغير كدالة زمنية أثناء تحركها خلال التدفق. يمكن أيضًا ضغط السوائل ، بالطبع ، ولكن هناك المزيد من القيود على مقدار الضغط الذي يمكن صنعه. لهذا السبب ، عادةً ما يتم تصميم السوائل كما لو كانت غير قابلة للضغط.

مبدأ برنولي هو عنصر رئيسي آخر لديناميات الموائع ، التي نشرت في كتاب دانييل برنولي لعام 1738 هيدروديناميكا. ببساطة ، فهو يرتبط بزيادة السرعة في السائل لانخفاض الضغط أو الطاقة الكامنة. بالنسبة للسوائل غير القابلة للضغط ، يمكن وصف ذلك باستخدام ما يعرف باسم معادلة برنولي:

(الخامس²/2) + gz + ص/ρ = ثابت

أين ز هو التسارع بسبب الجاذبية ، ρ هو الضغط في جميع أنحاء السائل ، الخامس هي سرعة تدفق السائل عند نقطة معينة ، ض هو الارتفاع في تلك المرحلة ، و ص هو الضغط في تلك المرحلة. لأن هذا ثابت داخل السائل ، وهذا يعني أن هذه المعادلات يمكن أن تربط أي نقطتين ، 1 و 2 ، بالمعادلة التالية:

(الخامس₁²/2) + gz₁ + ص₁/ρ = (الخامس₂²/2) + gz₂ + ص₂/ρ

العلاقة بين الضغط والطاقة المحتملة للسائل على أساس الارتفاع ترتبط أيضًا من خلال قانون باسكال.

ثلثا سطح الأرض هو الماء والكوكب محاط بطبقات من الغلاف الجوي ، لذلك نحن محاطون حرفيًا في جميع الأوقات بالسوائل... دائما تقريبا في الحركة.

بالتفكير في الأمر قليلاً ، هذا يجعل من الواضح أنه سيكون هناك الكثير من تفاعلات نقل السوائل بالنسبة لنا للدراسة والفهم العلمي. هذا هو المكان الذي تأتي فيه ديناميات الموائع ، بالطبع ، لذلك لا يوجد نقص في الحقول التي تطبق مفاهيم من ديناميات الموائع.

هذه القائمة ليست شاملة على الإطلاق ، ولكنها تقدم نظرة عامة جيدة عن الطرق التي تظهر بها ديناميات الموائع في دراسة الفيزياء عبر مجموعة من التخصصات:

• علم المحيطات والأرصاد الجوية وعلوم المناخ - وبما أن الغلاف الجوي على غرار السوائل ، ودراسة علوم الغلاف الجوي و تيارات المحيط، وهو أمر أساسي لفهم أنماط الطقس واتجاهات المناخ والتنبؤ بها ، يعتمد بشكل كبير على ديناميات الموائع.
• علم الطيران - تتضمن فيزياء ديناميات الموائع دراسة تدفق الهواء لإنشاء السحب والرفع ، الأمر الذي يولد بدوره القوى التي تسمح بالطيران الأثقل من الهواء.
• الجيولوجيا والجيوفيزياء - الصفائح التكتونية ينطوي على دراسة حركة المادة الساخنة داخل النواة السائلة للأرض.
• أمراض الدم و ديناميكا الدم -تشمل الدراسة البيولوجية للدم دراسة الدورة الدموية من خلال الأوعية الدموية ، ويمكن نمذجة الدورة الدموية باستخدام أساليب ديناميات الموائع.
• فيزياء البلازما - رغم أنه لا سائل ولا غاز ، بلازما غالبًا ما يتصرف بطرق مشابهة للسوائل ، لذلك يمكن أيضًا نمذجه باستخدام ديناميكا الموائع.
• الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات - تتضمن عملية التطور النجمي تغيير النجوم بمرور الوقت ، والذي يمكن فهمه من خلال دراسة كيفية تدفق البلازما التي تتكون منها النجوم وتتفاعل داخل النجم بمرور الوقت.
• تحليل حركة المرور - ربما يكون أحد أكثر تطبيقات ديناميات السوائل إثارة للدهشة هو فهم حركة المرور ، سواء حركة مرور السيارات أو حركة مرور المشاة. في المناطق التي تكون فيها حركة المرور كثيفة بدرجة كافية ، يمكن التعامل مع كامل حركة المرور ككيان واحد يتصرف بطرق مشابهة تقريبًا بدرجة كافية لتدفق السائل.

ديناميات الموائع يشار إليها أحيانًا أيضًا باسم الديناميكا المائية، على الرغم من أن هذا هو أكثر من مصطلح تاريخي. طوال القرن العشرين ، أصبحت عبارة "ديناميات الموائع" شائعة الاستخدام.

من الناحية الفنية ، قد يكون من الأنسب القول إن الديناميكا المائية هي عندما يتم تطبيق ديناميات الموائع على السوائل المتحركة و الديناميكا الهوائية هو عندما يتم تطبيق ديناميات الموائع على الغازات المتحركة.

ومع ذلك ، في الممارسة العملية ، تستخدم الموضوعات المتخصصة مثل الاستقرار الهيدروديناميكي والديناميكا المغناطيسية البادئة "المائية" حتى عندما يتم تطبيق هذه المفاهيم على حركة الغازات.