الطفو والسحب على الأجسام المغمورة

الطفو والسحب هما قوتان تنشأان عادة عند التفكير في حركة جسم ما عبر سائل. يعد التنبؤ بهذه القوى وتوصيفها أمرا بالغ الأهمية لحل العديد من المشكلات الميكانيكية ، مثل المركبات الهندسية ، أو فهم حركة الكائنات الحية السباحة والطيران. كما قد يوحي حدسك ، تعمل قوة الطفو عموديا لأعلى على الجسم في تعارض مباشر مع الجاذبية. وبالمثل ، تميل قوة السحب إلى إبطاء الجسم بالنسبة للسائل المحيط ، مما يؤدي إلى معارضة الحركة النسبية للجسم. في هذا الفيديو ، سيتم فحص هاتين القوتين بمزيد من التفصيل لإظهار كيفية ظهورهما وكيفية تحديد حجمهما. سيتم بعد ذلك توضيح تأثيرها على الفقاعات الصغيرة والقطرات المتصاعدة في السائل من خلال تجربة قبل الانتهاء من مناقشة التطبيقات الأخرى.

للبدء ، دعنا نلقي نظرة فاحصة على الطفو. عندما يكون الجسم مغمورا بالكامل في سائل ، فإن حجم قوة الطفو هو ببساطة نتاج كثافة السائل المحيط وحجم الجسم والتسارع الناتج عن الجاذبية. هذا يعادل وزن السائل الذي يزيحه الجسم ، كما هو مذكور في مبدأ أرخميدس. بالطبع ، لا تزال قوة الجاذبية ، وهي متوسط كثافة الجسم مضروبا في حجمه وتسارعه بسبب الجاذبية ، تسحب لأسفل في مواجهة قوة الطفو. لذلك ، إذا كان متوسط كثافة الجسم يساوي كثافة السائل ، فإن مجموع قوى الطفو والجاذبية يساوي صفرا ، وسيكون الجسم طافو بشكل محايد. وبالمثل ، إذا كان الجسم أكثر كثافة ، فسوف يغرق ، وإذا كان أقل كثافة ، فسوف يطفو. بمجرد أن يبدأ الجسم في التحرك ، سيواجه قوة أخرى ، السحب. يرجع السحب إلى مقاومة الاحتكاك الناتجة عن حركة الجسم عبر السائل ، ويعمل ضد اتجاه الحركة كما هو موضح في متجه السرعة "U". يعد حساب حجم قوة السحب أكثر تعقيدا ، ولكن بشكل عام ، يمكن نمذجته على أنه 1/2 ناتج كثافة السائل ، والمساحة المسقطة للجسم واتجاه الحركة ، ومعامل السحب ، والسرعة النسبية تربيع. يلتقط معامل السحب تأثير شكل الكائن وبما أنه يعتمد على رقم رينولدز ، فإنه يأخذ في الاعتبار أيضا الحجم النسبي لقوى السائل بالقصور الذاتي واللزج على الجسم. يتم تحديد رقم رينولدز بضرب السرعة النسبية ومقياس الطول المميز للجسم ، في نسبة كثافة السوائل ولزوجتها ، ولكن بشكل عام ، لا توجد معادلة بسيطة لمعامل السحب ، ويجب تحديدها تجريبيا أو عدديا. والآن، لننظر إلى هذه القوى الثلاث المؤثرة على جسم كروي في سائل كثيف. ستواجه قوة الطفو قوة الجاذبية ، وتسرع الجسم لأعلى. ولكن مع زيادة السرعة ، سيزداد السحب. في النهاية ، سيصل الجسم إلى سرعة ثابتة ، تسمى السرعة النهائية ، حيث تكون القوى الثلاث في حالة توازن. إذا كانت كثافة السائل وقطر الكتلة والسرعة الطرفية لهذه الكرة معروفة ، فيمكن حساب معامل السحب. والآن، دعونا نختبر هذه المبادئ عن طريق قياس معامل سحب فقاعات الهواء الصغيرة في قطرات الزيت المرتفعة في الجلسرين، ومقارنة النتائج بالنظرية. بالنسبة لفقاعات وقطرات رقم رينولدز المنخفضة ، يجب أن يكون معامل السحب 16 مقسوما على رقم رينولدز.

لإجراء هذه الاختبارات ، ستحتاج إلى خزان سائل شفاف مع منفذ حقن. اتبع التعليمات الواردة في النص لتجميع الخزان. عند اكتمال بناء الخزان ، قم بإعداده بحيث يمكن الوصول إلى منفذ الحقن بسهولة ، واملأه بالجلسرين على عمق 25 سم تقريبا عن طريق صب فيلم ببطء على الجدار الداخلي. ستساعد هذه التقنية في تقليل احتباس الفقاعات في الحاوية. سيتم حبس بعض الغازات حتما وسيحتاج إلى وقت للخروج من الجلسرين ، لذا استخدم هذا الوقت لإعداد الكاميرا والإضاءة الخلفية. قم بتثبيت الكاميرا على حامل ثلاثي القوائم ، في مواجهة الحاوية بشكل مباشر ومرتفع بما يكفي بحيث يكون الجزء العلوي من السائل مرئيا. مقابل الكاميرا ، قم بتركيب مصدر ضوء ساطع ، وإذا لزم الأمر ، أدخل ورقة ناشر بين الضوء والحاوية لتحقيق إضاءة أكثر توازنا. الآن ، أدخل مسطرة بعناية عموديا في الجلسرين فوق منفذ الحقن ، مع مواجهة العلامات للكاميرا. اضبط مجال الرؤية ليمتد على ارتفاع رأسي يبلغ حوالي 150 مم، وقم بتركيز الكاميرا على العلامات. سجل مقطع فيديو موجزا للمسطرة للمعايرة ، ثم استخرجها بعناية من الخزان. لا تضبط موضع الكاميرا أو مجال رؤيتها للفترة المتبقية من التجربة وإلا ستكون المعايرة غير صالحة. أخيرا ، قم بإعداد حقنتين بإبر رفيعة. ستحتوي المحقنة الأولى على الهواء فقط ، لكن املأ المحقنة الثانية بمزيج من الزيت النباتي منخفض اللزوجة وملون الطعام القائم على الزيت. أنت الآن جاهز لإجراء التجربة. استخدم المحقنة الأولى لحقن فقاعة هواء، وقم بتسجيلها بالكاميرا أثناء ارتفاعها. كرر هذه العملية من 10 إلى 15 مرة ، ومع مجموعة متنوعة من أحجام الفقاعات. الآن ، كرر الإجراء بالزيت الملون وسجل 10 إلى 15 قطرة بأحجام مختلفة.

انقل جميع ملفات الفيديو من الكاميرا إلى جهاز كمبيوتر مزود ببرنامج قادر على تصدير إطارات فردية من مقاطع الفيديو كصور. افتح فيديو معايرة المسطرة أولا وقم بتصدير إطار واحد. استخدم هذه الصورة لتحديد عامل القياس من حيث الأمتار لكل بكسل. بعد أن يكون لديك عامل القياس ، يمكنك معالجة بقية مقاطع الفيديو. قم بتصدير إطار واحد مع الفقاعة أو القطرة بالقرب من الجزء السفلي من العرض وقم بقياس القطر الأفقي بالبكسل. بعد ذلك ، قم بقياس المسافة الرأسية بالبكسل من أعلى الصورة إلى الحافة العلوية للفقاعة أو القطرة. أخيرا ، سجل الطابع الزمني لهذا الإطار. الآن ، قم بتصدير إطار ثان مع الفقاعة أو القطرة بالقرب من الجزء العلوي من المنظر ، ولكن لا يزال داخل الجلسرين تماما. مرة أخرى ، قم بقياس القطر الأفقي والمسافة الرأسية والطابع الزمني. لديك الآن قطران أفقيان وموضعان رأسيان يتوافقان مع وقتي القياس. خذ متوسط قياسات القطر ، ثم استخدم عامل القياس لتحويل هذه القيمة من بكسل إلى أمتار. الآن ، خذ الفرق في الارتفاع الرأسي بين الإطارين. استخدم عامل القياس مرة أخرى لتحويل هذه المسافة من وحدات البكسل إلى الأمتار. يتم العثور على الوقت المستغرق لرفع هذه المسافة من خلال أخذ الفرق بين الطوابع الزمنية للإطارين. الآن بعد أن أصبحت التغييرات في الموضع والوقت معروفة ، يمكن تحديد السرعة النهائية بسهولة عن طريق أخذ نسبة الاثنين. استخدم هذه النتائج لحساب معامل السحب مع المعادلة التي تم اشتقاقها سابقا. ابحث عن القيم المنشورة لكثافة السوائل والتسارع الناتج عن الجاذبية. تذكر أن المعالجة النظرية تتنبأ بوجود علاقة بين معامل السحب ورقم رينولدز. احسب رقم رينولدز باستخدام قياساتك والقيم المنشورة لكثافة ولزوجة الجلسرين. سنستخدم هذه النتيجة قريبا لمقارنة القياسات بالنظرية ، ولكن لإجراء مقارنة ذات مغزى ، يجب أيضا معرفة عدم اليقين في القياس. انشر أوجه عدم اليقين كما هو موضح في النص لتحديد عدم اليقين النهائي في معامل السحب ورقم رينولدز. بمجرد الانتهاء من تحليل جميع مقاطع الفيديو ، ألق نظرة على النتائج.

أولا ، قارن مقاطع الفيديو من فقاعات الهواء بأحجام مختلفة. في هذه المقاييس المنخفضة للسرعة والطول ، تؤدي قوى التوتر السطحي القوية إلى فقاعات كروية تقريبا ، لكن الفقاعات الأصغر ترتفع بسرعات أقل بسبب قوى السحب الأقوى نسبيا. تقترب أكبر الفقاعات من عدد رينولدز المكون من اثنين مما يؤدي إلى ذيول مسطحة إلى حد ما في منطقة العقبة. الآن ، قارن مقاطع الفيديو بأحجام مختلفة من قطرات الزيت. كما هو الحال مع الفقاعات ، تظل القطرات كروية تقريبا ، وترتفع القطرات الأصغر بسرعات أقل بسبب قوى السحب القوية. تقترب أكبر قطرات الزيت من رقم رينولدز البالغ 0.2 فقط ، نظرا لوزنها الأكبر ، وتشكل أشكالا دمعة قليلا ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى القصور الذاتي العالي للزيت المتداول داخل القطرات. أخيرا ، قم بإسقاط معامل السحب المقاس كدالة لرقم رينولدز للفقاعات والقطرات ، وقارن ذلك بالتنبؤ النظري. بشكل عام ، لوحظ اتفاق وثيق نوعيا مع النظرية مع معظم قيم معامل السحب المقاسة التي تتطابق مع عدم اليقين التجريبي.

الطفو والسحب هي قوى تؤثر على مجموعة هائلة من العمليات الصناعية والأنظمة الميكانيكية. مفاعلات الماء المغلي ، BWRs ، هي نوع من مولدات البخار في محطات الطاقة النووية. في هذه المفاعلات ، تقوم الحزم الرأسية من قضبان الوقود المشعة بتسخين المياه عالية الضغط المتدفقة لأعلى لإنتاج البخار. يظهر هذا الفيديو تجربة مصغرة لتدفق الغاز السائل على طول أسطوانات شفافة تمثل قضبان الوقود. يجب مراعاة مفاهيم مثل الطفو والسحب للتنبؤ بسلوك التدفق ثنائي الطور في مجموعات الوقود هذه وضمان التشغيل الآمن. إذا لم تتم إزالة فقاعات الغاز بالسرعة الكافية عن طريق الطفو وتدفق السوائل ، فقد تجف أسطح قضبان الوقود ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة والفشل. تتعرض المركبات مثل سيارات الحمار والطائرات والقوارب لقوى سحب كبيرة. على سبيل المثال ، عند سرعات الطرق السريعة ، قد تتطلب سيارة السيدان النموذجية قوة حصانية أو 30 كيلو واط ، فقط للتغلب على المقاومة الديناميكية الهوائية. يمكن أن يؤدي التصميم الدقيق على شكل السيارة ومسارات عادم السحب إلى التحكم في تدفق الهواء حول السيارة وتقليل السحب. وبالتالي ، زيادة الكفاءة.

لقد شاهدت للتو مقدمة Jove عن الطفو والسحب. يجب أن تفهم الآن كيف ومتى تنشأ هذه القوى وكيف يمكن أن تؤثر على حركة الأجسام في السائل. لقد رأيت كيفية حساب هذه القوى بناء على الخصائص الفيزيائية وطريقة لتحديد معامل السحب لجسم ما عن طريق قياس سرعته النهائية. شكرا للمشاهدة.