ציפה וגרירה על גופים שקועים

ציפה וגרר הם שני כוחות המתעוררים בדרך כלל כאשר בוחנים את תנועתו של אובייקט דרך נוזל. החיזוי והאפיון של כוחות אלה הם קריטיים לפתרון בעיות מכניות רבות, כגון כלי רכב הנדסיים, או הבנת תנועתם של אורגניזמים שוחים ומעופפים. כפי שהאינטואיציה שלך עשויה להציע, כוח הציפה פועל אנכית כלפי מעלה על האובייקט בניגוד ישיר לכוח הכבידה. כמו כן, כוח הגרר נוטה להאט אובייקט ביחס לנוזל שמסביב, ופועל בניגוד לתנועה היחסית של האובייקט. בסרטון זה, שני הכוחות הללו ייבחנו בפירוט רב יותר כדי להראות כיצד הם נוצרים וכיצד לקבוע את גודלם. השפעתם על בועות וטיפות קטנות העולות בנוזל תומחש על ידי ניסוי לפני שתסיים בדיון על יישומים אחרים.

כדי להתחיל, בואו נסתכל מקרוב על הציפה. כאשר אובייקט שקוע במלואו בנוזל, גודל כוח הציפה הוא פשוט תוצר של צפיפות הנוזל שמסביב, נפח האובייקט והתאוצה עקב כוח הכבידה. זה שווה ערך למשקל הנוזל שנעקר על ידי האובייקט, כפי שנקבע על ידי עקרון ארכימדס. כמובן, כוח הכבידה, שהוא הצפיפות הממוצעת של העצם כפול נפחו ותאוצתו עקב כוח הכבידה, עדיין מושך כלפי מטה בניגוד לכוח הציפה. לכן, אם הצפיפות הממוצעת של העצם שווה לצפיפות הנוזל, סכום כוחות הציפה והכבידה יהיה שווה לאפס, והעצם יהיה צף ניטרלי. באופן דומה, אם האובייקט צפוף יותר, הוא ישקע, ואם הוא פחות צפוף, הוא יצוף. עם זאת, ברגע שהאובייקט יתחיל לנוע, הוא ייתקל בכוח אחר, גרר. הגרר נובע מהתנגדות חיכוך הנגרמת על ידי תנועת האובייקט דרך הנוזל, ופועל נגד כיוון התנועה כפי שמצוין על ידי וקטור המהירות "U". חישוב גודל כוח הגרר הוא מסובך יותר, אך באופן כללי, ניתן לעצב אותו כ-1/2 המכפלה של צפיפות הנוזל, השטח המוקרן של הגוף וכיוון התנועה, מקדם הגרר והמהירות היחסית בריבוע. מקדם הגרר לוכד את השפעת צורת האובייקט ומכיוון שהוא תלוי במספר ריינולדס, לוקח בחשבון גם את הגודל היחסי של כוחות הנוזל האינרציאליים והצמיגים על הגוף. מספר ריינולדס נקבע על ידי הכפלת המהירות היחסית וסולם האורך האופייני של האובייקט, ביחס בין צפיפות הנוזלים והצמיגות, אך באופן כללי, אין משוואה פשוטה למקדם הגרר, ויש לקבוע אותו באופן אמפירי או מספרי. כעת, חשבו על כל שלושת הכוחות הללו הפועלים על עצם כדורי בנוזל צפוף. כוח הציפה יתנגד לכוח הכבידה, ויאיץ את האובייקט כלפי מעלה. אבל ככל שהמהירות עולה, כך גם הגרר. בסופו של דבר, העצם יגיע למהירות קבועה, הנקראת מהירות סופית, שבה כל שלושת הכוחות נמצאים באיזון. אם צפיפות הנוזל וקוטר המסה והמהירות הסופית של כדור זה ידועים, ניתן לחשב את מקדם הגרר. כעת, בואו נבחן את העקרונות הללו על ידי מדידת מקדם הגרר של בועות אוויר קטנות בטיפות שמן העולות בגליצרין, והשוואת התוצאות לתיאוריה. עבור בועות וטיפות נמוכות של מספר ריינולדס, מקדם הגרר צריך להיות 16 חלקי מספר ריינולדס.

כדי לבצע בדיקות אלה, תזדקק למיכל נוזלים שקוף עם יציאת הזרקה. עקוב אחר ההוראות בטקסט כדי להרכיב את המיכל. לאחר השלמת בניית המיכל, הגדר אותו כך שיציאת ההזרקה תהיה נגישה בקלות, ומלא אותו בגליצרין לעומק של כ-25 ס"מ על ידי יציקה איטית של סרט על הקיר הפנימי. טכניקה זו תעזור להפחית את כניסת הבועות במיכל. חלק מהגזים בהכרח יתאמצו ויצטרכו זמן לעלות מהגליצרין, אז נצלו את הזמן הזה כדי להגדיר את המצלמה והתאורה האחורית. הצמד את המצלמה לחצובה, הפונה למיכל בצורה מרובעת וגבוהה מספיק כדי שהחלק העליון של הנוזל נראה לעין. מול המצלמה, הרכיב מקור אור בהיר, ובמידת הצורך, הכנס יריעת מפזר בין האור למיכל כדי להשיג תאורה אחידה יותר. כעת, הכנס בזהירות סרגל אנכית לתוך הגליצרין מעל יציאת ההזרקה, כשהסימונים פונים למצלמה. התאם את שדה הראייה כך שיתפרס על גובה אנכי של כ-150 מ"מ, ומקד את המצלמה בסימונים. הקלט סרטון קצר של הסרגל לכיול ואז חלץ אותו בזהירות מהמיכל. אל תתאים את המיקום או שדה הראייה של המצלמה למשך שארית הניסוי, אחרת הכיול לא יהיה חוקי. לבסוף, הכינו שני מזרקים עם מחטים דקות. המזרק הראשון יכיל רק אוויר, אך מלא את השני בתערובת של שמן צמחי בעל צמיגות נמוכה וצבע מאכל על בסיס שמן. כעת אתם מוכנים לבצע את הניסוי. השתמש במזרק הראשון כדי להזריק בועת אוויר, והקלט אותה עם המצלמה כשהיא עולה. חזור על תהליך זה 10 עד 15 פעמים, ועם מגוון גדלי בועות. כעת, חזור על ההליך עם השמן הצבעוני ורשום 10 עד 15 טיפות בגדלים שונים.

העבר את כל קבצי הווידאו מהמצלמה למחשב עם תוכנה המסוגלת לייצא פריימים בודדים מהסרטונים כתמונות. פתח תחילה את סרטון הכיול של הסרגל וייצא מסגרת אחת. השתמש בתמונה זו כדי לקבוע את גורם קנה המידה במונחים של מטרים לפיקסל. לאחר שיש לך את גורם קנה המידה, תוכל לעבד את שאר הסרטונים. ייצאו מסגרת אחת עם הבועה או הטיפה בתחתית התצוגה ומדדו את הקוטר האופקי בפיקסלים. לאחר מכן, מדדו את המרחק האנכי בפיקסלים מהחלק העליון של התמונה לקצה העליון של הבועה או הטיפה. לבסוף, רשום את חותמת הזמן עבור מסגרת זו. כעת, ייצא מסגרת שנייה עם הבועה או הטיפה ליד החלק העליון של התצוגה, אך עדיין לגמרי בתוך הגליצרין. שוב, מדוד את הקוטר האופקי, המרחק האנכי וחותמת הזמן. כעת יש לך שני קטרים אופקיים ומיקומים אנכיים המתאימים לשני זמני המדידה. קח את הממוצע של מדידות הקוטר ולאחר מכן השתמש בגורם קנה המידה כדי להמיר ערך זה מפיקסלים למטרים. כעת, קח את ההבדל בגובה האנכי בין שתי המסגרות. השתמש שוב בגורם קנה המידה כדי להמיר מרחק זה מפיקסלים למטרים. הזמן שלוקח לעלות מרחק זה נמצא על ידי לקיחת ההפרש בין חותמות הזמן עבור שתי הפריימים. כעת, כשהשינויים במיקום ובזמן ידועים, המהירות הסופית נקבעת בקלות על ידי לקיחת היחס בין השניים. השתמש בתוצאות אלה כדי לחשב את מקדם הגרר עם המשוואה שנגזרה קודם לכן. חפש ערכים שפורסמו עבור צפיפות הנוזל והתאוצה עקב כוח הכבידה. נזכיר כי הטיפול התיאורטי מנבא קשר בין מקדם הגרר למספר ריינולדס. חשב את מספר ריינולדס באמצעות המדידות שלך והערכים שפורסמו עבור הצפיפות והצמיגות של גליצרין. נשתמש בתוצאה זו בקרוב כדי להשוות את המדידות לתיאוריה, אך לצורך השוואה משמעותית, יש לדעת גם את אי הוודאות במדידה. הפיץ את אי הוודאות שלך כמתואר בטקסט כדי לקבוע את אי הוודאות הסופית במקדם הגרר ובמספר ריינולדס. לאחר שתסיים לנתח את כל הסרטונים, תסתכל על התוצאות.

ראשית, השווה את הסרטונים מבועות אוויר בגדלים שונים. בסולמות מהירות ואורך נמוכים אלה, כוחות מתח פנים חזקים גורמים לבועות כמעט כדוריות, אך הבועות הקטנות יותר עולות במהירויות נמוכות יותר עקב כוחות גרר חזקים יחסית. הבועות הגדולות ביותר מתקרבות למספר ריינולדס של שתיים וכתוצאה מכך זנבות שטוחים במקצת באזור העוקב. כעת, השווה את הסרטונים של גדלים שונים של טיפות שמן. כמו בבועות, הטיפות נשארות כמעט כדוריות, והטיפות הקטנות יותר עולות במהירויות נמוכות יותר בגלל כוחות גרר חזקים יותר. טיפות הנפט הגדולות ביותר מתקרבות רק למספר ריינולדס של 0.2 אולם בשל משקלן הגדול יותר, והן יוצרות צורות דמעה קלות, ככל הנראה בשל האינרציה הגבוהה של השמן המסתובב בתוך הטיפות. לבסוף, צנח את מקדם הגרר הנמדד כפונקציה של מספר ריינולדס עבור הבועות והטיפות, והשווה זאת לתחזית התיאורטית. בסך הכל, נצפתה התאמה קרובה מבחינה איכותית עם התיאוריה כאשר ערכי מקדם הגרר הנמדדים ביותר תואמים בתוך אי הוודאות הניסויית.

ציפה וגרר הם כוחות המשפיעים על מגוון עצום של תהליכים תעשייתיים ומערכות מכניות. כורי מים רותחים, BWRs, הם סוג של מחולל קיטור בתחנות כוח גרעיניות. בכורים אלה, צרורות אנכיים של מוטות דלק רדיואקטיבי מחממים מים בלחץ גבוה הזורמים כלפי מעלה כדי לייצר קיטור. סרטון זה מציג ניסוי מוקטן של זרימת גז נוזלי לאורך גלילים שקופים המייצגים את מוטות הדלק. יש לקחת בחשבון מושגים כגון ציפה וגרר כדי לחזות את ההתנהגות של זרימה דו-פאזית במכלולי דלק אלה ולהבטיח פעולה בטוחה. אם בועות גז לא מוסרות מספיק מהר על ידי ציפה וזרימת נוזלים, משטחי מוטות הדלק עלולים להתייבש, מה שמוביל להתחממות יתר ולכישלון. כלי רכב כגון מכוניות, מטוסים וסירות חווים כוחות גרר משמעותיים. לדוגמה, במהירויות כביש מהיר מכונית סדאן טיפוסית עשויה לדרוש כוח סוס או 30 קילוואט, רק כדי להתגבר על התנגדות אווירודינמית. תכנון קפדני של צורת הרכב ומסלולי הפליטה של היניקה יכול לשלוט בזרימת האוויר סביב הרכב ולהפחית את הגרר. בכך, הגדלת היעילות.

זה עתה צפיתם בהקדמה של ג'וב לציפה וגרירה. כעת עליכם להבין כיצד ומתי כוחות אלה מתעוררים וכיצד הם יכולים להשפיע על תנועת עצמים בנוזל. ראית כיצד לחשב את הכוחות הללו על סמך תכונות פיזיקליות ושיטה לקביעת מקדם הגרר של אובייקט על ידי מדידת המהירות הסופית שלו. תודה שצפית.