ציפה וגרירה על גופים שקועים

ציפה וגרירה הם שני כוחות המתעוררים בדרך כלל כאשר שוקלים את התנועה של אובייקט באמצעות נוזל. החיזוי והאפיון של כוחות אלה חיוניים לפתרון בעיות מכניות רבות, כגון כלי רכב הנדסיים, או הבנת תנועת השחייה והטיסות האורגניזמים. כפי שהאינטואיציה שלך עשויה לרמוז, כוח הציפה פועל אנכית כלפי מעלה על האובייקט בניגוד ישיר לכוח המשיכה. כמו כן, כוח הגרירה נוטה להאט אובייקט כלפי מטה ביחס לנוזל שמסביב, הפועל בניגוד לתנועה היחסית של האובייקט. בסרטון זה, שני כוחות אלה ייבדקו בפירוט רב יותר כדי להראות כיצד הם מתעוררים וכיצד לקבוע את גודלם. השפעתם על בועות קטנות ולטפות העולות בנוזל תודגים לאחר מכן על ידי ניסוי לפני שיסיימו בדיון על יישומים אחרים.

בתור התחלה, בואו נסתכל מקרוב על ציפה. כאשר אובייקט שקוע לחלוטין בנוזל, גודלו של כוח הציפה הוא פשוט תוצר של צפיפות הנוזלים שמסביב, נפח האובייקט והאצה עקב כוח המשיכה. זה שווה ערך למשקל הנוזל שנעקר על ידי האובייקט, כפי שקבע עקרון ארכימדס. כמובן, כוח הכבידה, שהוא הצפיפות הממוצעת של האובייקט כפול נפחו ותאוצתו עקב כוח המשיכה, עדיין מושך כלפי מטה בניגוד לכוח הציפה. אז, אם הצפיפות הממוצעת של האובייקט שווה לצפיפות הנוזל, סכום כוחות הציפה והכבידה יהיה שווה לאפס, והאובייקט יהיה ציפה נייטרלית. כמו כן, אם האובייקט צפוף יותר, הוא ישקע, ואם הוא פחות צפוף, הוא יצוף. עם זאת, ברגע שהאובייקט יתחיל לנוע, הוא ייתקל בכוח אחר, גרור. גרירה נובעת מהתנגדות חיכוך הנגרמת על ידי תנועת האובייקט דרך הנוזל, ופועלת נגד כיוון התנועה כפי שצוין על ידי וקטור המהירות "U". חישוב גודלו של כוח הגרירה הוא מסובך יותר, אך באופן כללי, ניתן לדגמן אותו כ- 1/2 את תוצר צפיפות הנוזלים, את האזור המוקרן של הגוף ואת כיוון התנועה, את מקדם הגרירה ואת המהירות היחסית בריבוע. מקדם הגרירה לוכד את ההשפעה של צורת האובייקט ומכיוון שהוא תלוי במספר ריינולדס, לוקח בחשבון גם את הגודל היחסי של כוחות נוזל אינרציאליים וצמיגים על הגוף. מספר ריינולדס נקבע על ידי הכפלת המהירות היחסית וסולם האורך האופייני של האובייקט, לפי היחס בין צפיפות הנוזלים והצמיגות, אך באופן כללי, אין משוואה פשוטה למקדם הגרירה, ויש לקבוע אותה אמפירית או מספרית. עכשיו, קחו בחשבון את כל שלושת הכוחות האלה הפועלים על עצם כדורי בנוזל צפוף. כוח הציפה יתמודד עם כוח הכבידה, ויאיץ את העצם כלפי מעלה. אבל ככל שהמהירות עולה, כך גם הגרירה. בסופו של דבר, העצם יגיע למהירות קבועה, הנקראת מהירות המסוף, שבה כל שלושת הכוחות נמצאים באיזון. אם צפיפות הנוזל וקוטר המסה ומהירות המסוף של כדור זה ידועים, ניתן לחשב את מקדם הגרירה. עכשיו, בואו נבחן את העקרונות האלה על ידי מדידת מקדם הגרירה של בועות אוויר קטנות בטיפות שמן שעולות בגליצרין, והשוואת התוצאות לתיאוריה. עבור בועות טיפות מספר ריינולדס נמוך, מקדם הגרירה צריך להיות 16 חלקי מספר ריינולדס.

כדי לבצע בדיקות אלה, תצטרך מיכל נוזלי ברור עם יציאת הזרקה. בצע את ההוראות בטקסט כדי להרכיב את הטנק. כאשר בניית המיכל הושלמה, הגדר אותו כך יציאת ההזרקה נגישה בקלות, ואת למלא אותו עם גליצרין לעומק של כ 25 ס"מ על ידי לשפוך לאט סרט על הקיר הפנימי. טכניקה זו תסייע להפחית את ההכשרה בועה במיכל. חלק מהגזים באופן בלתי נמנע יוכשרו ויזדקקו לזמן כדי לצאת מהגליצרין, אז השתמשו הפעם כדי להתקין את המצלמה ואת התאורה האחורית. הצמיד את המצלמה חצובה, מול המיכל ישר וגבוה מספיק כי החלק העליון של הנוזל הוא בתצוגה. מול המצלמה, הרכב מקור אור בהיר, ובמידת הצורך, הכנס גיליון מפזר בין האור למיכל כדי להשיג תאורה אחידה יותר. כעת, הכנס בזהירות סרגל אנכית לתוך הגליצרין מעל יציאת ההזרקה, כאשר הסימונים פונים למצלמה. התאם את שדה הראייה לגובה אנכי של כ- 150 מ"מ, ואת המוקד של המצלמה בסימונים. הקלט וידאו קצר של הסרגל לכיול ולאחר מכן לחלץ אותו בזהירות מן הטנק. אל תתאים את מיקום או שדה הראייה של המצלמה למשך שארית הניסוי או שהכיול לא יהיה חוקי. לבסוף, להכין שני מזרקים עם מחטים דקות. המזרק הראשון יכיל רק אוויר, אך ימלא את השני בתערובת של שמן צמחי צמיגות נמוכה וצבע מזון על בסיס שמן. כעת אתה מוכן לבצע את הניסוי. השתמש במזרק הראשון כדי להזריק בועת אוויר, ולהקליט אותו עם המצלמה כפי שהוא עולה. חזור על תהליך זה 10 עד 15 פעמים, ועם מגוון גדלי בועה. עכשיו, לחזור על ההליך עם שמן צבעוני ולרשום 10 עד 15 טיפות בגודל משתנה.

העבר את כל קבצי הווידאו מהמצלמה למחשב עם תוכנה המסוגלת לייצא מסגרות בודדות מהסרטונים כתמונות. פתח תחילה את סרטון הכיול של הסרגל וייצוא מסגרת אחת. השתמש בתמונה זו כדי לקבוע את גורם קנה המידה במונחים של מטר לפיקסל. לאחר שיש לך את גורם קנה המידה, אתה יכול לעבד את שאר הסרטונים. יצא מסגרת אחת עם הבועה או הטיפה ליד תחתית התצוגה ומדוד את הקוטר האופקי בפיקסלים. לאחר מכן, מדוד את המרחק האנכי בפיקסלים מראש התמונה לקצה העליון של הבועה או הטיפה. לבסוף, הקלט את חותמת הזמן עבור מסגרת זו. עכשיו, לייצא מסגרת שנייה עם הבועה או טיפה ליד החלק העליון של הנוף, אבל עדיין לחלוטין בתוך גליצרין. שוב, מדוד את הקוטר האופקי, את המרחק האנכי ואת חותמת 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. עכשיו, קח את ההבדל בגובה האנכי בין שתי המסגרות. השתמש שוב בגורם קנה המידה כדי להמיר מרחק זה מפיקסלים למטרים. הזמן שנדרש כדי לעלות מרחק זה נמצא על ידי לקיחת ההבדל בין חותמות זמן עבור שתי המסגרות. כעת, כאשר השינויים במיקום ובזמן ידועים, מהירות המסוף נקבעת בקלות על ידי לקיחת היחס בין השניים. השתמש בתוצאות אלה כדי לחשב את מקדם הגרירה עם המשוואה שנגזרה קודם לכן. חפש ערכים שפורסמו עבור צפיפות הנוזלים והאצה עקב כוח המשיכה. נזכיר כי הטיפול התיאורטי חוזה קשר בין מקדם הגרירה למספר ריינולדס. חשב את מספר ריינולדס באמצעות המדידות שלך ואת הערכים שפורסמו עבור הצפיפות והצמיגות של גליצרין. נשתמש בתוצאה זו בקרוב כדי להשוות את המדידות לתיאוריה, אך לשם השוואה משמעותית, אי הוודאות למדידה חייבת להיות ידועה גם כן. להפיץ את אי הוודאות שלך כמתואר בטקסט כדי לקבוע את אי הוודאות הסופית במקדם הגרירה ואת מספר ריינולדס. לאחר שתסיים לנתח את כל הסרטונים, תסתכל על התוצאות.

ראשית, השווה את קטעי הווידאו מבועות אוויר בגדלים שונים. בקשקשים אלה של מהירות ואורך נמוכים אלה, כוחות מתח פני השטח החזקים גורמים לבועות כמעט כדוריות, אך הבועות הקטנות יותר עולות במהירויות נמוכות יותר בשל כוחות גרירה חזקים יחסית. הבועות הגדולות ביותר מתקרבות למספר ריינולדס של שניים וכתוצאה מכך זנבות שטוחים במקצת באזור האשכבה. עכשיו, להשוות את קטעי וידאו של גדלים שונים של טיפות שמן. כמו בבועות, הטיפות נשארות כמעט כדוריות, והטיפות הקטנות יותר עולות במהירויות נמוכות יותר בגלל כוחות גרירה חזקים יותר. טיפות השמן הגדולות ביותר מתקרבות רק למספר ריינולדס של 0.2 עם זאת בשל משקלן הגדול יותר, והן יוצרות צורות מעט קורעות, ככל הנראה בשל האינרציה הגבוהה של השמן המסתובב בתוך הטיפות. לבסוף, plop מקדם גרירה נמדד כפונקציה של מספר ריינולדס עבור בועות טיפות, ולהשוות את זה לתחזית התיאורטית. בסך הכל, הסכמה קרובה ואיכותית נצפתה עם התיאוריה עם ערכי מקדם גרירה מדודים ביותר התואמים בתוך אי ודאות ניסיונית.

ציפה וגרירה הם כוחות המשפיעים על מגוון עצום של תהליכים תעשייתיים ומערכות מכניות. כורי מים רותחים, BWRs, הם סוג של גנרטור קיטור בתחנות כוח גרעיניות. בכורים אלה, חבילות אנכיות של מוטות דלק רדיואקטיביים מחממות כלפי מעלה מים בלחץ גבוה כדי לייצר קיטור. וידאו זה מראה ניסוי מוקטן של זרימת גז נוזלי לאורך צילינדרים שקופים המייצגים את מוטות הדלק. מושגים כגון ציפה וגרירה חייבים להיחשב כדי לחזות את ההתנהגות של זרימה דו פאזית במכלולי דלק אלה ולהבטיח פעולה בטוחה. אם בועות גז אינן מוסרות מהר מספיק על ידי ציפה וזרימת נוזלים, משטחי מוטות הדלק יכולים להתייבש, מה שמוביל לחימום יתר וכישלון. כלי רכב כגון מכוניות, מטוסים וסירות חווים כוחות גרירה משמעותיים. לדוגמה, במהירויות כביש סדאן טיפוסית עשויה לדרוש כוחות סוס או 30 קילוואט, רק כדי להתגבר על התנגדות אווירודינמית. תכנון זהיר של צורת הרכב ומסלולי פליטת הצריכה יכול לשלוט בזרימת האוויר סביב הרכב ולהפחית את הגרירה. ובכך, הגברת היעילות.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לציפה ודראג. כעת עליכם להבין כיצד ומתי כוחות אלה מתעוררים וכיצד הם יכולים להשפיע על תנועת העצמים בנוזל. ראית כיצד לחשב כוחות אלה בהתבסס על תכונות פיזיות ושיטה לקביעת מקדם הגרירה של אובייקט על-ידי מדידת מהירות המסוף שלו. תודה שצפיתם.