ماهي الموائع
- توجد هذه المادة عادةً على شكل صلب أو سائل أو غاز؛ ويُعرف وجودها بهذه الحالات الثلاثة الشائعة لهذه المادة.
- تأخذ المواد الصلبة شكلًا وحجمًا محددًا، وتأخذ السوائل حجمًا محددًا ولكن يمكن تغيير شكلها عند وضعها في حاويات، أما الغازات فلا يوجد لديها شكل محدد أو حجم، إذ تأخذ شكل الحاوية التي تتواجد فيها.
- يمكن اعتبار السوائل والغازات موائعًا لأنها تتأثر بقوى التشكل، على عكس المواد الصلبة.
- المائع هو أي مادة تتدفق أو تتشكل وفقًا للفراغ الموجود بداخله، وتشمل الموائع فئة من حالات المادة تتضمن السوائل والغازات والبلازما.
- من الأمثلة على الموائع جميع السوائل والغازات مثل الهواء والماء والزيت وغيرها.
خواص الموائع
يشمل مصطلح المائع كلاً من السوائل والغازات، والفرق الأساسي بين السائل والغاز هو أن حجم السائل يظل ثابتًا لأنه يأخذ شكل السطح الذي يلامسه، بينما يشغل الغاز المساحة الكاملة المتاحة في الحاوية التي يكون فيها.
أهم خواص الموائع:
كثافة الكتلة
هي كتلة السائل لكل وحدة حجم، والوحدة هي كجم لكل متر مكعب.
الوزن النوعي
الكثافة هي وزن الوحدة لكل حجم سائل، وتعتمد على قوة الجاذبية في المكان الذي يتم فيه تخزين السائل، ووحداتها الخاصة هي نيوتن لكل متر مكعب.
الحجم النوعي
هو الحجم الذي يشغله وحدة كتلة السائل، ووحدته المتر المكعب لكل كيلوجرام.
الكثافة النسبية أو الثقل النوعي
يتمّ تعريف كثافة المادة بأنّها نسبة كتلة المائع إلى حجمه، والتي تُقاس بكثافة الماء عند درجة حرارة 4 درجات مئوية وضغط جوّي قياسي.
اللزوجة
اللزوجة هي خاصية المائع التي تحدد التفاعل بين الجزيئات المتحركة في المائع، وهي مقياس لمقاومة تدفق السوائل.
تعود قوة اللزوجة إلى التفاعلات بين جزيئات السائل، وتختلف قدرة الموائع على التدفق وتغير شكلها بتغير مستويات اللزوجة، وبالتالي، تتحرك السوائل ذات اللزوجة العالية ببطء.
قابلية الانضغاط
عند تطبيق الضغط على مائع ما، ينخفض حجمه، وتسمى هذه الخاصية للمائع بالانضغاطية.
المرونة
عندما يتم تحرير القوة التي تولد ضغطًا على السائل، فإنهيعود إلى حجمه الأصلي، وتسمى هذه الخاصية المرونة السائلية.
ضغط البخار
تتسرب جزيئات المائع من سطحه لملء الفراغ فوق سطح المائع والوعاء، حتى يصل الضغط الناتج عن هذه الجزيئات فوق سطح المائع إلى ضغط البخار للمائع.
التوتر السطحي
تعني هذه الجزيئات التي توجد على سطح السائل، مثل السطح البيني بين السائل والهواء، والتي ترتبط ببعضها البعض بقوة تسمى التوتر السطحي.
تسبب هذه القوة تشكيل طبقة في السائل وتحدث بسبب التماسك بين جزيئات السائل.
تصنيف الموائع
هناك الكثير من المعايير المتبعة عند تصنيف سلوك السوائل إلى مجموعات
موائع مثالية
السوائل المثالية لها الخصائص التالية.
- أنّها غير قابلة للضغط.
- لديها لزوجة صفرية.
- يكون القص بقوة صفر عندما يكون المائع في حالة حركة، وبمعنى آخر، لا يوجد مقاومة لحركة أي جسيمات المائع.
موائع حقيقية أو عملية
ومن أهم خواصها أنّها:
- قابلة للضغط.
- لزجة في الطبيعة.
- يوجد دائمًا بعض المقاومة التي تواجهها السوائل عندما تكون في حالة حركة.
- يوجد توتر القص دائمًا في مثل هذه السوائل.
الموائع النيوتونية
- في هذا التصنيف من الموائع النيوتونية، يوجد علاقة خطية بين مقادير إجهاد القص τ ومعدل الانسياب الناتج (du/dy)، مما يعني أن ثابت التناسب μ لا يتغير بتغير معدل الانسياب.
- ومن الأمثلة على ذلك: ماء، كيروسين.
- يتميز المائع النيوتوني بأن لزوجته ثابتة عند درجة حرارة وضغط ثابتين، ولا تتأثر بمعدل التشكل.
الموائع غير النيوتونية
في السوائل غير النيوتونية، توجد علاقة غير خطية بين حجم إجهاد القص المطبق ومعدل الانسياب، وسوف تختلف قيمة اللزوجة باختلاف معدل الانسياب، وبالتالي لا تنطبق قانون اللزوجة لنيوتن عليها.
الموائع الساكنة
- تعتبر فرعاً من فروع ميكانيكا الموائع وتدرس الموائع التي لا تحتوي على قابلية للضغط أثناء الراحة، وهذا يشمل دراسة شروط الموائع عند حالة الراحة وعند الانتقال إلى حالة التوازن الثابت، على عكس دراسة الموائع المتحركة.
- الجسيمات التي تشكل المادة ليست مرتبطة بقوة بعضها البعض في شبكة ثابتة، وتشمل هذه الحالات المواد السائلة والغازية وحتى البلازما.
- تسمى السوائل والغازات بالموائع، وتختلف عن المواد الصلبة في استجابتها للقوة المطبقة عليها، ويُشار إليها أيضًا بقوة القص.
- عند تطبيق قوة القص، تتدفق هذه الموائع، ولكن المواد الصلبة لا تتدفق.
الموائع المتحركة
في الموائع المتحركة، يتحرك السائل ويميل إلى الاهتمام بأشياء مثل الضغط في أماكن مختلفة بسبب الحركة، أو يمكن أن يرغب في معرفة التسارع في السائل في مكان ما في مجال التدفق، وعلى العكس من الموائع الساكنة، يكون السائلمتحركًا ولا يكون ثابتًا.
تعريف الموائع المتحركة
هي فرع من فروع العلوم التطبيقية الذي يهتم بحركة السوائل والغازات، وهو فرع من فروع ميكانيكا الموائع الذي يدرس الموائع وتأثير القوى عليها.
تُوفِّر السوائل المتحركة وسائل لدراسة تطور النجوم وتيارات المحيطات وأنماط الطقس والتكتونيات الصفائح وحتى الدورة الدموية.
تتضمن بعض التطبيقات التكنولوجية للسوائل المتحركة المحركات الصاروخية، وتوربينات الرياح، وأنابيب النفط، وأنظمة تكييف الهواء.
مفهوم تدفق المائع
يشير مصطلح “التدفق” عمومًا إلى حركة السوائل والغازات، ويصف كيفية تفاعلها مع البيئة المحيطة بها، مثل حركة الماء في الأنابيب أو عبر السطح.
- يمكن أن يكون التدفق ثابتًا أو غير مستقر:
إذا كانت جميع خصائص التدفق مستقلة عن الوقت،فإن التدفق يكون ثابتًا، وإلا فإنه غير مستقر.
يتميز التدفق الثابت بعدم تغيره مع مرور الوقت، ومن أمثلة التدفق الثابت تدفق المياه في الأنبوب بمعدل ثابت، بينما الفيضان أو تدفق المياه من مضخة يدوية قديمة يعد من التدفق غير المستقر.
- كما ويمكن أن يكون التدفق أيضًا صفحيًا أو مضطربًا:
تكون التدفقات الصفحية أكثر سلاسة، في حين تكون التدفقات المضطربة أكثر فوضوية، وتعتبر اللزوجة وسمك المائع من العوامل الهامة في تحديد حالة تدفقه، حيث تزيد اللزوجة عندما يكون المائع أكثر سماكة، مما يؤدي إلى تدفق أقل سرعة وأكثر رقائقية.
نشير عمومًا في التدفق الصفحي إلى تدفق السوائل السلس والثابت، حيث يتم إخماد أي اضطرابات ناتجة عن قوى اللزوجة القوية نسبيًا، بينما يمكن أن تتأثر التدفقات المضطربة بقوى أخرى تعمل على عكس قوة اللزوجة.
يعتبر التدفق الرقائقي مرغوبًا في العديد من المواقف، مثل أنظمة الصرف الصحي وأجنحة الطائرات، لأنه يعمل بكفاءة عالية ويتطلب استهلاكًا أقل للطاقة.
قد يكون التدفق المضطرب مفيدًا في خلط السوائل المختلفة معًا أو تعديل درجة الحرارة، ومع ذلك، قد يكون من الصعب للغاية التنبؤ بتفاصيل مثل هذه التدفقات، ويكون التمييز بين هذين النوعين من التدفقات بديهيًا إلى حد كبير.
عوامل تحديد التدفق
الرقم الحراري (Re) هو عامل مهم في تدفق السوائل، وقد أطلق عليه اسم عالم القرن التاسع عشر أوزبورن رينولدز، على الرغم من أنه تم وصفه لأول مرة في عام 1851 من قبل الفيزيائي جورج غابرييل ستوكس.
يقدم ماكدونو تعريفًا لـ Re كنسبة للقصور الذاتي عندما يتعلق الأمر بالقوى اللزجة، ويشير إلى أن قوة القصور الذاتي هي مقاومة المائع لتغيير الحركة، في حين يشير إلى أن قوة اللزوجة هي مقدار الاحتكاك الناتج عن لزوجة أو سمك السائل.
Re ليست خاصية للسوائل فقط، بل تشمل شروط التدفق مثل سرعته وحجم القناة وشكلها وأي عوائق أخرى.