الفيزياء

ميكانيكا الموائع

بسم الله الرحمن الرحيم

ميكانيكا الموائع

يدرس تحريك الموائع السلوك الفيزيائي الظاهر ( الجهري Macroscopic ) للجمل المائعة التي تشمل كلا من السوائل Liquids و الغازات Gases بشكل عام .

يقوم هذا العلم عادة بتحديد العديد من خواص الموائع مثل السرعة , الضغط , الكثافة , و درجة الحرارة كدوال ( توابع Functions ) للإحداثيات المكانية مع الزمن .

يمكن تقسيم هذا العلم إلى : آيروديناميك أو تحريك الغازات و هيدروديناميك أو تحريك السوائل .

أساسيات الانتقال الحرارى وسريان الموائع

المعادلات الأساسية

نظام المعادلات الاتية للانتقال الحرارى وسريان الموائع تتكون أساسا من معادلة الاتصال (معادلة حفظ الكتلة) ومعادلة حفظ كمية الحركة ومعادلة حفظ كمية الطاقة.

سوف لا نعتبر الظواهر المعقدة التى ليست وثيقة الصلة بمناقشتنا، وسوف نتقيد بالظواهر الفيزيائية تحت الشروط الأتية:

1-الموائع تكون غير قابلة للانضغاط وتكون نيوتونية (Newtonian). وسوف لا نأخذ فى الاعتبار عدم تغير الكثافة إلا فى حالة توليد قوى الطفو وتكون خصائص الاستقرار وعدم الاستقرار مرتبطة معا.

2-الخصائص الفيزيائية للموائع تكون ثابتة.

3-في الصيغ المختلفة للطاقة سوف نعتبر فقط الطاقة الحراريةوسوف نهمل الإخماد الذي هو تحويلة عكسية من طاقة الحركة الى الطاقة حرارية إلا فى حالة السريانات المضطربة.

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

معادلة حفظ المادة (أو الاتصال):





معادلة حفظ كمية الحركة:





معادلة حفظ الطاقة:





حيث أنu هى متجه السرعة وp هو الضغط، و ρ هي الكثافة و هي الطاقة و هي متجه الجاذبية الأرضية ترمز للزوجة المائع (كجم/م.ث) و هى الحرارة النوعية تحت ضغط ثابت (جول/كجم.كلفن) و هى النفاذية الحرارية (شغل/م.كلفن). ومعدل توليد الحرارة الحجمى لوحدة الحجوم يمثل بمعادلات بقاء كمية كمية الحركة تعرف بمعادلات نافير- ستوكس. يمكن للقارىء الرجوع الى أى كتاب فى أساسيات ميكانيكا الموائع لاشتقاق هذه المعادلات.

المقاومة الكهربائية

تستطيع استخدام أي سلك معدني لوصل دارة كهربائية ولكن كما ترى في الدارات الكهربائية التالية فإن كمية التيار تعتمد على نوع المعدن المستخدم في الأسلاك .


من الصعب على البطارية دفع التيار في سلك من مادة النكروم Nichrome ، ولكن إذا استخدم سلك من النحاس فسيكون الدفع أسهل ، وهذا هو السبب الذي يجعل التيار المار في الدارة قليل عند استخدام أسلاك النكروم للتوصيل .



المقاومة الكهربائية :

مادة النكروم Nichrome تُقاوم مرور التيار الكهربائي أكثر مما تقاومه مادة النحاس، ونقول بأختصار مقاومة النكروم للكهرباء أعلى من مقاومة النحاس للكهرباء .

كل معدن لديه مقاومة وكلما كانت المقاومة عالية أصبح التيار المار في السلك المعدني أقل : المواد الموصلة مثل النحاس والألمنيوم تملك مقاومة قليلة جداً وتحمل تيارات كهربائية كبيرة ، والمواد العازلة تملك مقاومة عالية جداً وتسمح لكمية قليلة جداً من التيار بالمرور من خلالها .

عند مرور التيار في سلك له مقاومة عالية فإن جزءاً مكبيراً من الطاقة الكهربائية يتحول إلى طاقة حرارية , وهكذا عندما ندفع التيار في سلك ذو مقاومة عالية مثل سلك النكروم باستخدام فولتية عالية فإن كميات عالية من الحرارة تتولد ، ولذلك تُستخدم أسلاك النكروم لتوليد الحرارة في المدافئ والغلايات الكهربائية .

هل تعلم : الزجاج لديه مقاومة طبيعية قيمتها أكبر من مقاومة النحاس بمليون مليون مليون مرة.

الأوم هي وحدة قياس المقاومة وقد سميت كذلك تخليداً لذكرى العالم الألماني جورج أوم الذي كان استاذا في مدرسة .وفي عام 1826 فقد أوم وظيفته نظراً لانشغاله بعمل تجارب على مقاومة الأسلاك للكهرباء (كان إجراء التجارب في تلك الأيام غير مرغوب فيه!) . وقد اعتمدت التجارب التي قام بها أوم في ذلك الزمان ولكن زيد عليها تجارب إضافية استخدمت فيها مواد أساليب جديدة.