أ الديناميكا المائية هو أحد مجالات الفيزياء وتحديداً الميكانيكا الكلاسيكية التي تضم السوائل المُثُل الديناميكية، تلك التي تتحرك. ندرس فيه بشكل رئيسي معدل التدفق الكتلي ومعدل التدفق الحجمي للسوائل ومعادلة الاستمرارية ومبدأ برنولي.
إقرأ أيضاً: الديناميكا الهوائية - فرع الفيزياء الذي يدرس تفاعل الغازات مع الهواء
ملخص عن الهيدروديناميكية
- الهيدروديناميكية هي مجال من مجالات الميكانيكا الكلاسيكية التي تدرس السوائل المثالية المتحركة.
- مفاهيمه الرئيسية هي: التدفق الكتلي، التدفق الحجمي، معادلة الاستمرارية، ومبدأ برنولي.
- بناءً على معدل التدفق الحجمي، نعرف مقدار حجم السائل الذي يمر عبر مقطع مستقيم خلال فترة زمنية.
- استنادًا إلى معدل التدفق الكتلي، نعرف مقدار كتلة السائل الذي يمر عبر مقطع مستقيم خلال فترة زمنية.
- استناداً إلى معادلة الاستمرارية، نلاحظ تأثير مساحة المقطع العرضي على سرعة تدفق السائل المثالي.
- بناءً على مبدأ برنولي، نلاحظ العلاقة بين سرعة وضغط السائل المثالي.
- يتم تطبيق الهيدروديناميكية في بناء الطائرات والسيارات والمنازل والمباني والخوذات والصنابير والسباكة والمبخرات وأنابيب البيتوت وأنابيب الفنتوري.
- في حين أن الهيدروديناميكية هي مجال من مجالات الفيزياء الذي يدرس السوائل المثالية المتحركة، فإن الهيدروستاتيكيا هي مجال من مجالات الفيزياء التي تدرس السوائل الساكنة.
ما هي الديناميكا المائية؟
الديناميكا المائية هي منطقة الفيزياء، خاصة من الميكانيكا الكلاسيكيةالذي يدرس السوائل المثالية (السوائل والغازات) في الحركة. السائل المثالي هو الذي يتمتع بما يلي: التدفق الصفحي، حيث لا تتغير شدة واتجاه واتجاه سرعته عند نقطة ثابتة بمرور الوقت؛ التدفق غير القابل للضغط، حيث تكون كتلته المحددة ثابتة؛ التدفق غير اللزج، مما يوفر مقاومة منخفضة للتدفق؛ والجريان غير الدوراني، ولا يدور حول محور يعبر مركز كتلته.
مفاهيم الهيدروديناميكية
المفاهيم الرئيسية التي تمت دراستها في الديناميكا المائية هي التدفق الكتلي والتدفق الحجمي ومعادلة الاستمرارية ومبدأ برنولي:
- التدفق الحجمي: هي كمية فيزيائية يمكن تعريفها بأنها كمية حجم السائل الذي يعبر مقطعًا مستقيمًا خلال فترة زمنية. ويقاس بالمتر المكعب في الثانية [م3/س] .
- تدفق شامل: هي كمية فيزيائية يمكن تعريفها بأنها كمية كتلة السائل الذي يعبر مقطعًا مستقيمًا خلال فترة زمنية. يتم قياسه في [كلغ/س] .
- معادلة الاستمرارية: يتناول العلاقة بين السرعة ومساحة المقطع العرضي، حيث تزداد سرعة تدفق السائل المثالي مع انخفاض مساحة المقطع العرضي التي يتدفق من خلالها. وتتمثل هذه المعادلة في الصورة أدناه:
- مبدأ برنولي: يتناول العلاقة بين سرعة وضغط السائل المثالي، حيث إذا أصبحت سرعة السائل أكبر عندما يتدفق عبر خط التدفق، يصبح ضغط السائل أقل و والعكس صحيح. ويتجسد هذا المبدأ في الصورة أدناه:
الصيغ الهيدروديناميكية
→ صيغة التدفق الحجمي
\(R_v=A\cdot v\)
- رالخامس → التدفق الحجمي للسائل، مقاسًا بـ [م3/س] .
- أ → مساحة قسم التدفق، مقاسة بالمتر المربع [م2].
- الخامس → متوسط سرعة المقطع مقاسة بالأمتار في الثانية [آنسة].
→ صيغة التدفق الشامل
عندما تكون كثافة السائل متساوية في جميع النقاط، يمكننا إيجاد معدل التدفق الكتلي:
\(R_m=\rho\cdot A\cdot v\)
- رم → معدل التدفق الكتلي للسائل، مقاسًا بـ [كلغ/س] .
- ρ → كثافة السوائل، تقاس بـ [كلغ/م3].
- أ → مساحة قسم التدفق، مقاسة بالمتر المربع [م2].
- الخامس → متوسط سرعة المقطع مقاسة بالأمتار في الثانية [آنسة].
→ معادلة الاستمرارية
\(A_1\cdot v_1=A_2\cdot v_2\)
- أ1 → مساحة قسم التدفق 1 تقاس بالمتر المربع [م2].
- الخامس1 → سرعة التدفق في المنطقة 1، مقاسة بالمتر في الثانية [آنسة].
- أ2 → مساحة قسم التدفق 2 مقاسة بالمتر المربع [م2].
- الخامس2 → سرعة التدفق في المنطقة 2، مقاسة بالمتر في الثانية [آنسة].
→ معادلة برنولي
\(p_1+\frac{\rho\cdot v_1^2}{2}+\rho\cdot g\cdot y_1=p_2+\frac{\rho\cdot v_2^2}{2}+\rho\cdot g\cdot y_2\)
- ص1 → ضغط السائل عند النقطة 1، ويقاس بالباسكال [مجرفة].
- ص2 → ضغط السائل عند النقطة 2، ويقاس بالباسكال [مجرفة].
- الخامس1 → سرعة المائع عند النقطة 1، مقاسة بالأمتار في الثانية [آنسة].
- الخامس2 → سرعة المائع عند النقطة 2، مقاسة بالمتر في الثانية [آنسة].
- ذ1 → ارتفاع السائل عند النقطة 1، مقاسًا بالأمتار [م].
- ذ2 → ارتفاع السائل عند النقطة 2، مقاسًا بالأمتار [م].
- ρ → كثافة السوائل، تقاس بـ [كلغ/م3 ].
- ز → تسارع الجاذبية، يقيس تقريبًا 9,8 م/س2 .
الديناميكا المائية في الحياة اليومية
تستخدم المفاهيم التي تمت دراستها في الديناميكا المائية على نطاق واسع في قم ببناء الطائرات والسيارات والمنازل والمباني والخوذات والمزيد.
دراسة التدفق تسمح لنا بعمل قياس تدفق المياه في المنازل ومحطات المعالجة الصناعيةبالإضافة إلى تقدير كميات الغازات الصناعية والوقود.
دراسة مبدأ برنولي استخدام واسع في الفيزياء والهندسة، بشكل رئيسي في إنشاء أجهزة التبخير وأنابيب البيتوت لقياس سرعة تدفق الهواء؛ وفي إنشاء أنابيب فنتوري لقياس سرعة تدفق السائل داخل الأنبوب.
وبناء على دراسة معادلة الاستمرارية فمن الممكن أن يكون فهم مبدأ عمل الحنفيات ولماذا عندما تضع إصبعك في مخرج الماء بالخرطوم تزداد سرعة الماء؟
الاختلافات بين الهيدروديناميكية والهيدروستاتيكا
الهيدروديناميكية والهيدروستاتيكا هي مجالات الفيزياء المسؤولة عن دراسة السوائل:
- الديناميكا المائية: مجال الفيزياء الذي يدرس السوائل الديناميكية في الحركة. وفيه ندرس مفاهيم التدفق الحجمي والتدفق الكتلي ومعادلة الاستمرارية ومبدأ برنولي.
- الهيدروستاتيكي: مجال الفيزياء الذي يدرس السوائل الساكنة في حالة الراحة. وندرس فيه مفاهيم الكتلة النوعية، والضغط، ومبدأ ستيفين وتطبيقاته، ونظرية أرخميدس.
نرى أيضا:الكينماتيكا – مجال الفيزياء الذي يدرس حركة الأجسام دون الأخذ بعين الاعتبار أصل الحركة
تمارين محلولة على الهيدروديناميكية
السؤال رقم 1
(Enem) لتركيب وحدة التكييف يقترح وضعها في الجزء العلوي من جدار الغرفة، حيث أن تتعرض معظم السوائل (السوائل والغازات) للتمدد عند تسخينها، وتقل كثافتها وتتعرض للإزاحة تصاعدي. وفي المقابل، عندما يتم تبريدها، فإنها تصبح أكثر كثافة وتخضع لإزاحة نحو الأسفل.
الاقتراح المقدم في النص يقلل من استهلاك الطاقة، لأنه
أ) يقلل من رطوبة الهواء داخل الغرفة.
ب) يزيد من معدل التوصيل الحراري خارج الغرفة.
ج) يسهل تصريف المياه خارج الغرفة.
د) يسهل دوران التيارات الهوائية الباردة والساخنة داخل الغرفة.
هـ) يقلل من معدل انبعاث الحرارة من الجهاز إلى الغرفة.
دقة:
البديل د
الاقتراح المقدم في النص يقلل من استهلاك الطاقة الكهربائية، حيث يرتفع الهواء البارد ويهبط الهواء الساخن، مما يسهل دوران تيارات الهواء الباردة والساخنة داخل الغرفة.
السؤال 2
(يونيخريستوس) صهريج بسعة 8000 لتر مملوء بالماء بالكامل. سيتم ضخ جميع المياه من هذا الخزان إلى صهريج مياه بسعة 8000 لتر بمعدل تدفق ثابت قدره 200 لتر / دقيقة.
سيكون إجمالي الوقت اللازم لإزالة كل الماء من الخزان إلى شاحنة الصهريج هو
أ) 50 دقيقة.
ب) 40 دقيقة.
ج) 30 دقيقة.
د) 20 دقيقة.
ه) 10 دقائق.
دقة:
البديل ب
سنقوم بحساب إجمالي الوقت المطلوب باستخدام صيغة التدفق الحجمي:
\(R_v=A\cdot v\)
\(R_v=A\cdot\frac{x}{t}\)
\(R_v=\frac{V}{t}\)
\(200=\فارك{8000}{t}\)
\(t=\frac{8000}{200}\)
\(ر=40\ دقيقة\)
مصادر
نوسينزيفيج، هيرش مويسيس. دورة الفيزياء الأساسية: الموائع، التذبذبات والأمواج، الحرارة (المجلد. 2). 5 إد. ساو باولو: إيديتورا بلوشر، 2015.
هاليداي، ديفيد؛ ريسنيك، روبرت؛ ووكر، جيرل. أساسيات الفيزياء: الجاذبية والأمواج والديناميكا الحرارية (المجلد. 2) 8. إد. ريو دي جانيرو، الملكية الأردنية: LTC، 2009.
