ميكانيكا الموائع
ميكانيكا الموائع هو تخصص فرعي من ميكانيكا المواد المتصلة وهو معني أساسا بالموائع، التي هي أساسا السوائل والغازات، ويدرس هذا التخصص السلوك الفيزيائي الظاهر الكلي لهذه المواد، ويمكن تقسيمه من ناحية إلى إستاتيكا الموائع- أو دراستها في حالة عدم الحركة، أو ديناميكا الموائع أو دراستها في حالة الحركة، ويندرج تحتها تخصصات أخرى معينة، فهناك الديناميكيات الهوائية (أيروديناميك) والديناميكيات المائية (هيدروديناميك).
يسعى هذا التخصص 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 التخصص المعني بذلك ديناميكا الموائع الحسابية.
تعتبر ميكانيكا الموائع غالبا أحد التخصصات الفرعية لميكانيكا المواد المتصلة، كما هو موضح في الجدول التالي
ومن الناحية الميكانيكية، فإن الموائع هي مواد لا تتأثر بوجود إجهاد ميكانيكي في اتجاه مواز لسطحها، وهذا هو السبب الذي يجعل الموائع الموجودة في حالة عدم حركة تتخذ شكل الوعاء الذي يحتويها.
نظام المعادلات الآتية للانتقال الحراري وسريان الموائع تتكون أساسا من معادلة الاتصال (معادلة حفظ الكتلة) ومعادلة حفظ كمية الحركة ومعادلة حفظ كمية الطاقة. سوف لا نعتبر الظواهر المعقدة التي ليست وثيقة الصلة بمناقشتنا، وسوف نتقيد بالظواهر الفيزيائية تحت الشروط الأتية:
تحت هذه الشروط نريد أن نصل إلى فيزياء إضافية مثل التنامي في الموجات السمعية.
تحت هذه الشروط يمكن الحصول على المعادلات التالية:
formula_1
formula_2
formula_3
حيث أنformula_4 هي متجه السرعة وformula_5 هو الضغط، وformula_6 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 تعرف بمعادلات نافير- ستوكس. ويمكن الرجوع إلى أي كتاب في أساسيات ميكانيكا الموائع لاشتقاق هذه المعادلات.
في السريانات ثنائية البعد هناك موضعيان ممكنان:
المائع هو المادة التي ليس لها شكل معين بل تأخذ شكل الإناء الحاوي لها وتتميز بقدراتها على الانسياب ولهذا فإن التعبير يشمل السوائل والغازات وتنقسم إلى قسمين:
تحتفظ المادة في حالة الصلابة بشكل ثابت؛ بعكس المادة في حالة السيولة والحالة الغازية. فما السبب في ذلك؟ إن قوى التماسك بين جزيئات المادة الصلبة تكون كبيرة، لدرجة أنه ليس من السهل أن 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 أن تكون معدومة. لذلك، لا يكون للمادة في حالة السيولة والحالة الغازية شكل ثابت؛ بل يعتمد شكلها على شكل الوعاء الذي توجد فيه.
إن الترابط الضعيف أو شبه 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".
يوجد نوعان من الانسياب أو السريان:في السريان الانسيابي يكون لكل جزئ من السائل مسار محدد ولا تتقاطع المسارات المختلفة وهذا عكس ما يحدث في السريان الدوامي حيث تتقاطع المسارات.
خط السريان هو خط وهمى داخل المائع بحيث يعطى المماس له عند أي نقطة اتجاه السريان.
لرسم أنبوبة السريان داخل المائع في حالة السريان المنتظم نتصور مساحة صغيرة عمودية على اتجاه السريان ويرسم من كل 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 أن المائع لا يخترق جدرانها لأن اتجاه الجدار عند أي نقطة هو اتجاه السريان عند هذه النقطة.
إذا مر مائع في أنبوبة مختلفة المقطع فإن سرعته تتغير من مقطع لآخر ولكن كتلة المائع التي تمر خلال كل مقطع في الثانية تكون ثابتة. حيث أن سرعة المائع تتناسب عكسياً مع مقطع الأنبوب.