ميكانيكا الموائع Fluid Mechanics، هوتخصص فرعي من ميكانيكا المواد المتصلة بالإنگليزية: Continuum Mechanics وهومعني أساسا بالموائع، التي هي أساسا السوائل والغازات، ويدرس هذا المجال السلوك الفيزيائي الظاهر الكلي لهذه المواد، ويمكن تقسيمه من ناحية إلى إستاتيكا الموائع- أودراستها في حالة عدم الحركة، أوديناميكا الموائع أودراستها في حالة الحركة، ويندرج تحتها تخصصات أخرى معينة، فهناك الديناميكيات الهوائية (أيروديناميك) والديناميكيات المائية (هيدروديناميك). يسعى هذا المجال إلى تحديد الكميات الفيزيائية الخاصة بالموائع، وذلك مثل السرعة ، الضغط ، الكثافة ، ودرجة الحرارة، واللزوجة ومعدل التدفق، وقد ظهرت تطبيقات حسابية حديثة لإيجاد حلول للمسائل المتصلة بميكانيكا الموائع، ويسمى المجال المعني بذلك ديناميكيات الموائع الحسابية بالإنگليزية: Computational Fluid Dynamics (CFD).

العلاقة بين ميكانيكا الموائع وميكانيكا المواد المتصلة

تعتبر ميكانيكا الموائع غالبا أحد المجالات الفرعية لميكانيكا المواد المتصلة، كما هومشروح في الجدول التالي:

ومن الناحية الميكانيكية، فإن الموائع هي مواد لا تتأثر بوجود إجهاد ميكانيكي في اتجاه مواز لسطحها، وهذا هوالسبب الذي يجعل الموائع الموجودة في حالة عدم حركة تتخذ شكل الوعاء الذي يحتويها.

أساسيات الانتنطق الحرارى وسريان الموائع

المعادلات الأساسية

نظام المعادلات الآتية للانتنطق الحراري وسريان الموائع تتكون أساسا من معادلة الاتصال (معادلة حفظ الكتلة) ومعادلة حفظ كمية الحركة ومعادلة حفظ كمية الطاقة. يفترض أن لا نعتبر الظواهر المعقدة التي ليست وثيقة الصلة بمناقشتنا، وسوف نتقيد بالظواهر الفيزيائية تحت الشروط الأتية:

1. الموائع تكون غير قابلة للانضغاط وتكون نيوتونية (Newtonian). وسوف لا نأخذ في الاعتبار عدم تغير الكثافة إلا في حالة توليد قوى الطفو. وتكون خصائص الاستقرار وعدم الاستقرار مرتبطة معا.
2. الخصائص الفيزيائية للموائع تكون ثابتة.
3. في الصيغ المتنوعة للطاقة يفترض أن نعتبر فقط الطاقة الحرارية. وسوف نهمل الإخماد الذي هوتحويلة عكسية من طاقة حركيةإلى طاقة حرارية إلا في حالة سريان أوجريان مضطربة.

تحت هذه الشروط نريد حتى نصل إلى فيزياء إضافية مثل التنامي في الموجات السمعية. تحت هذه الشروط يمكن الحصول على المعادلات التالية:

1. معادلة حفظ المادة (أوالاتصال):

1. معادلة حفظ كمية الحركة:

1. معادلة حفظ الطاقة:

حيث أن'"`UNIQ--postMath-00000004-QINU`"' هي متجه السرعة و'"`UNIQ--postMath-00000005-QINU`"' هوالضغط، و'"`UNIQ--postMath-00000006-QINU`"' هي الكثافة وهي الطاقة وهي متجه الجاذبية الأرضية ترمز للزوجة المائع (كجم/م.ث) وهي الحرارة النوعية تحت ضغط ثابت (جول/كجم.كلفن) وهي النفاذية الحرارية (شغل/م.كلفن). ومعدل توليد الحرارة الحجمى لوحدة الحجوم يمثل بـ . اما معادلات بقاء كمية كمية الحركة تعهد بمعادلات نافير- ستوكس. يمكن للقارىء الرجوع إلى أى كتاب في أساسيات ميكانيكا الموائع لاشتقاق هذه المعادلات.

سوف نحلل السريانات ثنائية البعد وان هناك موضعيين ممكنين:

(1) مركبة السرعة في اتجاه تهمل لصغرها اذا ما قورنت بمركبات السرعة هي الاتجاهين الاخريين . وبالتالى لا تعتبر دالة في .

(2)التغيرات في بالنسبة لاتجاه مثلا يفترض انها معلومة. وبمعنى اخر يمكن اعتبار عمليات الانتنطق دوال في فقط.

سريان الموائع

المائع هوالمادة التي ليس لها شكل معين بل تأخذ شكل الإناء الحاوي لها وتتميز بقدراتها على الانسياب ولهذا فإن التعبير يضم السوائل والغازات وتنقسم إلى قسمين:

• موائع قابلة للانضغاط وهي الموائع التي تتغير كثافتها بتغير الضغط الواقع عليها مثل الغازات
• موائع غير قابلة للانضغاط وهي الموائع التي لا تتغير كثافتها بتغير الضغط الواقع عليها مثل السوائل.

تحتفظ المادة في حالة الصلابة بشكل ثابت ؛ بعكس المادة في حالة السيولة والحالة الغازية . فما السبب في ذلك،يا ترى؟ إذا قوى التماسك بين جزيئات المادة الصلبة تكون كبيرة، لدرجة أنه ليس من السهل حتى تغادر مواضعها؛ في حين أنه في حالة السيولة تكون قوى التماسك بين جزيئاتها ضعيفة نسبيا، بحيث تسمح لجزيئات المادة بالحركة داخل المادة. أما في الحالة الغازية، فتكاد قوى التماسك بينها حتى تكون معدومة. لذلك، لاقد يكون للمادة في حالة السيولة والحالة الغازية شكل ثابت ؛ بل يعتمد شكلها على شكل الوعاء الذي توجد فيه.

إن الترابط الضعيف أوشبه المنعدم بين جزيئات السوائل والغازات، يجعلها قابلة للاستجابة بسهولة للقوى الخارجية التي تحاول تغيير شكلها ، كما أنها تسلط قوة عمودية على أسطح الأوعية الحاوية لها، بحيث أنها إذا وجدت منفذاً فيها، فإنها تنساب وتجري خارجاً. من هنا سميت السوائل والغازات "الموائع".

• ) توجد حالة رابعة للمادة، يطلق عليها اسم البلازما. وفي هذه الحالة، تفقد ذرات المادة بعض إلكتروناتها بسبب درجة الحرارة الشديدة. وعندها، تكون المادة مزيجاً من الأيونات ، والإلكترونات وذرات ، وجزيئات متعادلة؛ إضافة إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي (أوالفوتونات. ويعتقد حتى أكثر من 99% من المادة في الكون توجد في حالة البلازما ؛ فكل النجوم الساطعة (بما فيها الشمس) أمثلة على هذه الحالة. ومع حتى معظم المادة الأرضية ليست بلازما، فإن أمثلة عديدة من البلازما توجودة في الصواعق واللهب ، والشفق القطبي ، ومصابيح التفريغ الغازي (النيون).

السريان الثابت وغير الثابت

يوجد نوعان من الانسياب أوالسريان:

• النوع الأول وهوالسريان الثابت تكون سرعة المائع عند نقطة معينة ثابتة لا تتغير بمرور الزمن ويمكن ان تتغير من نقطة إلى أخرى حسب مبتر الأنبوبة

• النوع الثانى وهوالسريان غير الثابت فتتغير السرعة عند نفس النقطة من لحظة إلى أخرى.

السريان الانسيابى والدوامي

في السريان الانسيابىقد يكون لكل جزىء من السائل مسار محدد ولا تتقاطع المسارات المتنوعة وهذا عكس ما يحدث في السريان الدوامى حيث تتقاطع المسارات.

خطوط السريان

خط السريان هوخط وهمى داخل المائع بحيث يعطى المماس له عند أى نقطة اتجاه السريان.

أنبوبة السريان

لرسم أنبوبة السريان داخل المائع في حالة السريان المنتظم نتصور مساحة صغيرة عمودية على اتجاه السريان ويرسم من جميع نقطة على محيط هذه المساحة خط سريان المائع المار بهذه النقطة وبذلك يتكون ما يسمى بأنبوبة السريان وهي أنبوبة وهمية جدرانها خطوط السريان ومن خواصها حتى المائع لا يخترق جدرانها لأن اتجاه الجدار عند أى نقطة هواتجاه السريان عند هذه النقطة.

معادلة الاستمرار

إذا مر مائع في أنبوبة مختلفة المبتر فإن سرعته تتغير من مبتر لآخر ولكن كتلة المائع التي تمر خلال جميع مبتر في الثانية تكون ثابتة.حيث ان سرعه المائع تتناسب عكسيا مع مبتر الانبوبة.

اقرأ أيضا

• رقم كنودسن
• رقم ماخ
• لزوجة
• حالة سائلة

هوامش

• Batchelor, George K. (1967), An Introduction to Fluid Dynamics, Cambridge University Press, ISBN 0-521-66396-2 
• Falkovich, Gregory (2011), Fluid Mechanics (A short course for physicists), Cambridge University Press, ISBN 978-1-107-00575-4, http://www.cambridge.org/gb/knowledge/isbn/item6173728/?site_locale=en_GB 
• Kundu, Pijush K.; Cohen, Ira M. (2008), Fluid Mechanics (4th revised ed.), Academic Press, ISBN 978-0-12-373735-9 
• Currie, I. G. (1974), Fundamental Mechanics of Fluids, McGraw-Hill, Inc., ISBN 0-07-015000-1 
• Massey, B.; Ward-Smith, J. (2005), Mechanics of Fluids (8th ed.), Taylor & Francis, ISBN 978-0-415-36206-1 
• White, Frank M. (2003), Fluid Mechanics, McGraw-Hill, ISBN 0-07-240217-2 

المصادر

وصلات خارجية

مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع Fluid mechanics.

• Free Fluid Mechanics books
• Annual Review of Fluid Mechanics
• CFDWiki - the Computational Fluid Dynamics reference wiki.
• Educational Particle Image Velocimetry - resources and demonstrations