علم السوائل ( Hydraulics )
☰ جدول المحتويات
 |
المكبس الهيدرولي يعمل على زيادة ونقل القوة المؤثرة على كباس عبر السائل إلى كباس آخر أكبر من الأول. تزداد القوة بتناسب بسيط مع النسبة بين مساحتي الكباس الأكبر والكباس الأصغر. ويستخدم الكباس الهيدرولي في الصناعة لرفع الأحمال الثقيلة. |
يُدرّس علم السوائل ويُطبَّق في مجالين من مجالات التخصص الهندسية: الهندسة المدنية والهندسة الميكانيكية. ويستخدم المهندسون المدنيون مبادئ علم السوائل أساسًا لدراسة انسياب المياه في الأنابيب المفتوحة أو الممتلئة جزئيًا، كما يقومون بتصميم الجسور والسدود للتحكم في فيضان الأنهار والقنوات وشبكات الري والصرف، كما يصممون شبكات إمداد المدن بالمياه.
أما المهندسون الميكانيكيون، فيوجهون اهتمامهم أكثر لانسياب السوائل في الأنابيب الممتلئة تحت ضغط، كما يستخدمون مبادئ علم السوائل لتصميم آلات هيدرولية، مثل التوربينات والمكابح، وأجهزة قيادة السيارات ووحدات التحكم للطائرات وسفن الفضاء وكذلك أجهزة التشييد.
وتعمل آليات السوائل بضغط الماء أو بضغط أي سائل آخر، بينما تسير بعضها، مثل التوربينات بقوة سائل متحرك. والتوربينات عجلات كبيرة يمكنها تحويل الطاقة الكامنة للسائل إلى شغل يمكن استخدامه في إدارة مولد كهربائي أو في تأدية أي عمل آخر. وهناك أنواع من التوربينات تسير بالبخار أو بالغاز. كما يوجد نوع آخر من آلات السوائل تسمى المكابس الهيدرولية تعمل على زيادة ونقل القوة بوساطة سائل من كباس إلى كباس آخر أكبر منه. وتستخدم المكابس الهيدرولية في الصناعة لرفع الأحمال الثقيلة ولكبس القطع الفلزية. ويسمى أحد أنواع المكابس الهيدرولية رافعة السائل.
السوائل الساكنة
استخدام مبادئ علم السوائل الساكنة الهيدروستاتيكا:
شيءٌ أساسي عند تصميم العديد من الآلات والأجهزة. ويعتمد تصميم المكابس الهيدرولية وتشغيل بعض الأجهزة، مثل مقياس الضغط ومقياس الضغط الجوي على قوانين علم السوائل الساكنة.يتكون المكبس الهيدرولي البسيط من أسطوانة تحتوي على كباسين أحدهما أصغر من الآخر، وتملأ الأسطوانة بسائل ما. وتنتقل القوة المؤثرة على الكباس الأصغر خلال السائل إلى الكباس الأكبر وتزداد القوة في تناسب مباشر مع النسبة بين مساحتي الكباس الأكبر والكباس الأصغر. وتعمل كوابح السيارة وفقًا لمبدأ مكبس السائل فينتقل الضغط المؤثر على دواسة المكبح خلال سائل إلى قبقاب المكبح الذي يضغط بدوره على عجلات السيارة.
يقيس جهاز المانومتر الضغط في سائل أو غاز. ويتكون أبسط أنواع هذا الجهاز من أنبوب على شكل حدوة الحصان مفتوح الطرفين ويحتوي على سائل، عادة ما يكون زئبقًا أو ماءً، يملأ قاع الأنبوب، ويرتفع قليلاً في كل من الفرعين. ويلزم أن تكون كثافة السائل المستخدم مختلفة عن كثافة المادة المطلوب قياس ضغطها. ويوصَّل أحد الذراعين بالمكان المطلوب قياس الضغط فيه بينما يظل الذراع الآخر معرضًا للضغط الجوي. ويشير الفرق بين منسوبي السائل في الذراعين إلى الضغط مقارنًا بالضغط الجوي. ★ تَصَفح:المانومتر .
ومقياس الضغط الجوي (البارومتر) جهاز لقياس الضغط الجوي يستخدم أساسًا في التنبؤ بالأحوال الجوية وفي قياس ارتفاعات الجبال. ويتكون أحد أنواع مقياس الضغط الجوي من أنبوب يحتوي على زئبق. وعند مستوى سطح البحر يتعادل وزن عمود من الزئبق ارتفاعه 75 سم مع قوة الضغط الجوي المؤثرة على قاعدة هذا العمود، ويرتفع منسوب الزئبق في الأنبوب أو ينخفض، وفقًا لتغير الضغط الجوي. ★ تَصَفح:البارومتر .
قوانين علم السوائل الساكنة:
تصف قوانين علم السوائل الساكنة سلوك السائل في حالة السكون. وينص أحد مبادئ هذا العلم على أن الضغط الناشئ عن وزن عمود من السائل، يتحدد بمقدار ارتفاع هذا العمود. ولا يؤثر شكل العمود على قيمة الضغط الذي يُحدثه السائل. فإذا افترضنا مثلاً وجود أنبوبين يمتدان من أرضية الحجرة حتى سقفها، أحدهما متعرج الشكل والآخر مستقيم، من البديهي أن الأنبوب الثاني أقصر طولاً من الأنبوب الأول. فإذا امتلأ الأنبوبان تمامًا بالماء تكون كمية السائل في الأنبوب المتعرج أكبر منها في الأنبوب المستقيم، ومع ذلك يتساوى ضغط الماء عند قاع الأنبوبين لأن ارتفاع عمودي الماء فيهما واحد.وتعتبر قوة الطفو المؤثرة على الأجسام المغمورة في السوائل مثالا على المبدأ المذكور آنفًا. فعندما يُغمَرُ جسم في الماء، يكون السطح السفلي لهذا الجسم على عمق أكبر من سطحه العلوي داخل الماء. لذلك يكون عمود الماء الضاغط على السطح السفلي للجسم أطول من عمود الماء الضاغط على سطحه العلوي، مما يعني أن الماء يؤثر على الجسم المغمور بقوة لأعلى. وتُسمَّى هذه القوة قوة الطفو. وهي القوة التي تعمل على إبقاء المراكب طافية.
مبدأ أرخميدس يستخلص من المبدأ السابق ونصه: عندما يُغمر جسم في سائل فإن وزنه يكون أقل من وزنه الحقيقي بمقدار وزن السائل المزاح. وسبب فقدان الوزن هو قوة الطفو. وقد طور عالم الرياضيات الإغريقي أرخميدس هذا المبدأ خلال القرن الثالث قبل الميلاد.
وتوضيحًا لمبدأ أرخميدس، فلنتخيّل أن هناك علبة معدنية سعتها لتر واحد ووزنها 3 كجم مغمورة تمامًا في الماء. تزيح هذه العلبة مقدار لتر واحد من الماء وزنه كيلو جرام واحد. إذن مقدار قوة الطفو ثقل كيلو جرام واحد. لذلك فإن وزن العلبة المغمورة 2 كجم فقط، أي أقل من وزنها الحقيقي بمقدار كيلو جرام واحد.
قانون بسكال وينص على أن السائل الموضوع في وعاء ينشر الضغط بالتساوي في كل الاتجاهات. استخلص العالم والرياضي الفرنسي بليس بسكال هذا القانون في القرن السابع عشر الميلادي.
ولتوضيح قانون باسكال لنأخذْ زجاجة مساحة فتحة عنقها 10سم² ولنملأها بالماء، ثم نغلقها إغلاقًا محكمًا بسدادة حرة التحرك، ثم نضع ثقلاً كتلته كيلو جرام واحد على السدادة. نجد أن ضغط الماء يزداد بمقدار 1/10 كجم على كل سم² من السطح الداخلي للزجاجة.
السوائل المتحركة
استخدام مبادئ علم حركة السوائل:
تُعدّ مسألة أساسية لهندسة السوائل ولتصميم العديد من الآلات. فالمهندسون يستخدمون علم حركة السوائل عند تخطيط نظم التغذية المائية، والقنوات ونظم الري، وفي تصميم الطائرات، وعند صنع بعض آليات السوائل كالتوربينات المائية.وعند تصميم نظم التغذية المائية، يأخذ المهندسون في الاعتبار العديد من العوامل، لتحديد القيمة الملائمة للضغط في هذه النظم. فارتفاع الخزان على سبيل المثال يؤثر في ضغط الماء، الذي ينساب منه، وهذا الضغط يحدد بدوره معدلات تدفق الماء التي يمكن الحصول عليها. وترتبط معظم الخزانات بشبكة طويلة من الأنابيب تصل مصدر المياه بأماكن الاستخدام. وفي هذه الحالة يؤثر حجم الأنابيب، وكذلك الاحتكاك بين المياه وجدرانها، في الانسياب.
وتؤدي قوانين علم حركة السوائل دورًا رئيسيًا في تصميم التوربينات المائية. فبعض هذه التوربينات تكون مغمورة في الأنهار حيث يُسيّرها الانسياب الطبيعي للماء، بينما يوضع بعضها الآخر عند قواعد السدود وحينئذ يستخدم ضغط الماء المنتج عند السد لتعجيل الماء الداخل إلى التوربين، حيث تتحول الطاقة الحركية الانتقالية للماء المنساب إلى طاقة حركية دورانية تشغل المولدات الكهربائية لتوليد الكهرباء.
قوانين علم حركة السوائل:
تصف سلوك السوائل في حركتها ويكون انسياب السائل مستتبا أو غير مستتب. وينشأ الانسياب غير المستتب نتيجة للتغيرات التي تحدث في سرعة أو في درجة حرارة أو في ضغط السائل، أو عند حركة هذا السائل عند العوائق.هناك ثلاثة قوانين أساسية تحكم الانسياب المستتب للسوائل هي:
مبدأ الاستمرار في انسياب السائل نصه: تزداد سرعة السائل المتحرك داخل أنبوب كلما قلت مساحة مقطع الأنبوب، وبالعكس تنقص هذه السرعة كلما ازدادت مساحة المقطع.
ويطبّق قانون الاستمرار عند وضع فوهة على فتحة خروج الماء من خرطوم رش الحدائق، حيث تقلل هذه الفوهة من مقاس فتحة الخرطوم فيندفع منه الماء بسرعة أكبر.
 |
قاعدة برنولي تقوم على وصف كل من انسياب الماء من خلال أنبوب، وانسياب الهواء حول جناح طائرة. وبزيادة سرعة انسياب الماء في الجزء الضيق من الأنبوب «أعلاه» ينتج ضغط أخف، كما هو مبين في المستوى المنخفض للماء في الأنبوب العمودي الوسطي. وفي الشكل الأسفل نرى أن انسياب الهواء فوق سطح منحن لجناح يكون أسرع مما هو عليه فوق سطح مستو للجناح. والسرعة المزادة تخفف من ضغط الهواء. ويؤدي الضغط الأكبر تحت الجناح إلى رفع الطائرة. |
تستخدم قاعدة برنولي عند تصميم أجنحة الطائرات. يعطي الجناح انحناءة عند سطحه العلوي تجعل الهواء ينساب عليه أسرع منه عند السطح السفلي للجناح، وبالتالي يكون ضغط الهواء أقل عند مواضع السرعة الأعلى. ونتيجة لذلك، يزيد ضغط الهواء أسفل الجناح عنه فوق الجناح. ويؤدي ذلك إلى رفع الطائرة.
قانون توريشلي ينص على أن السرعة التي ينساب بها سائل من فتحة في خزان تساوي سرعة سقوط جسم من مستوى سطح السائل حتى الفتحة.
اكتشف عالم الفيزياء الإيطالي إيفانجليستا توريشلي هذا القانون في القرن السابع عشر الميلادي.
ووفقًا لقانون توريشلي، لو انساب ماء من فتحة في خزان على عمق 3م من سطح الماء تكون سرعة هذا الانسياب مساوية للسرعة التي يكتسبها حجر بعد سقوطه من السكون لمسافة 3م. ولا ينطبق قانون توريشلي على الغازات، إذ إنه لا يوجد أي سطح للغاز. أما سرعة انسياب غاز من خزان، فتعتمد على ضغط الغاز داخل هذا الخزان.